Цикл статей:
Глава 1 – Повышение ресурса буксовых подшипников грузовых вагонов
Глава 2 – Исследование влияния динамической нагруженности на ресурс буксового подшипника
Глава 3 – Модернизация буксы с целью повышения ресурса подшипников
Буксы грузовых вагонов работают в тяжелых условиях: испытывают воздействие значительных статических и динамических нагрузок, которые вызывают ускорения и дополнительные нагрузки на подшипники. Причем с ростом скоростей движения интенсивность динамических воздействий возрастает. При прохождении вагоном стрелочных переводов, кривых участков пути и неровностей возможны перекосы рам тележек относительно колесных пар и букс, вследствие чего вертикальные и горизонтальные нагрузки могут быть приложены к буксе нецентрально. Перекос колец вызывает в подшипниках значительную концентрацию контактных давлений. Ресурс буксовых подшипников определяется стойкостью их элементов к действию нагрузок, а также оптимальным распределением нагрузки между телами качения и по длине роликов.
Основная задача исследования динамической нагруженности элементов буксового подшипника состоит в обосновании влияния неблагоприятных сочетаний действующих нагрузок на ухудшение условий работы и снижение ресурса роликоподшипников.
В основе методов исследования динамической нагруженности элементов вагона лежат общие принципы аналитической механики. С точки зрения механики роликовая букса грузового вагона состоит из физических тел и связей между ними и входит в сложную динамическую систему «вагон- путь» с большим числом степеней свободы. Внешнее влияние компонентов системы «вагон-путь», локомотивной тяги и климатических условий на динамические характеристики буксы представлено на рисунке 2.1.
Исследования вертикальной и горизонтальной динамики необрессоренных масс грузового вагона, к которым, в частности, относятся роликовые буксы, приведены в работах [30, 43, 44, 45].
Воздействие радиальной нагрузки
Под воздействием равномерно распределенной вертикальной динамической нагрузки при отсутствии перекосов к образованию дефектов в деталях цилиндрических роликовых подшипников и снижению их ресурса приводят усталость металла и абразивный износ трущихся поверхностей.
При обеспечении эффективной герметизации рабочей полости подшипников основной причиной выхода из строя является усталостное выкрашивание. Перекатывание тел качения по кольцам связано с образованием в поверхностных слоях контактирующих тел знакопеременных напряжений, которые после определенного числа циклов приводят к образованию начинающихся от поверхности микротрещин. Последние расклиниваются проникающим в них смазочным материалом, что приводит к выкрашиванию [46].
Абразивный износ поверхностей качения роликов и колец происходит при проскальзывании роликов и усугубляется при попадании мелких частиц между трущимися поверхностями.
Воздействие комбинированной нагрузки
На рисунке 2.3 представлена расчетная схема, содержащая две правые системы декартовых координат, аналогичные принятым в п. 2.1.
Указанное множество реализаций представляет собой статистически обработанный массив экспериментальных данных. Методы экспериментального определения боковой силы реакции рельса и рамной силы позволяют непосредственно учесть все многообразие влияющих факторов. Среди методов определения сил взаимодействия колеса и рельса наиболее эффективным признан метод, при котором измерение вертикальных и горизонтальных составляющих выполняется с использованием напряженного состояния диска колеса. Этот метод, впервые предложенный М. Ф. Вериго в 1946 г., нашел впоследствии широкое применение при экспериментальных исследованиях нагруженности ходовых частей подвижного состава.
Движение опытного поезда осуществляется с различными скоростями. Заезды объединяются в группы по выбранным диапазонам скоростей, в каждом из которых выявляется среднее значение скорости. Измеренные по каждому колесу значения сил сводятся для каждой группы скоростей по каждому километру в статистические ряды распределения. Затем статистические ряды строятся для каждой оси, для первой и второй по ходу движения тележки и, наконец, для «обобщенного» колеса вагона. Для каждого ряда определяются средние значения и среднеквадратические отклонения.
Затем производится выравнивание эмпирических рядов распределения
значений горизонтальной поперечной нагрузки подходящими
гипотетическими кривыми распределения. В завершении производится оценка согласия эмпирического распределения значений с выравнивающим гипотетическим распределением. В результате статистической обработки массива экспериментальных данных строятся полигоны распределения частостей значений при различных скоростях движения. Однако анализ по «обобщенному колесу» без учета положения оси в тележке дает только общую характеристику уровня действующих сил. Установлено, что рамная сила от направляющей оси в двухосной тележке в несколько раз больше, чем от второй оси. Последние известные испытания по определению боковых сил с помощью тензометрических колесных пар были проведены в 2007 г.: полигонные испытания на высокоскоростном полигоне на участке Белореченская-Майкоп Северо-Кавказской железной дороги (ВНИИЖТ), а также эксплуатационные испытания на направлении Старый Оскол — Липецк (ВНИИЖТ совместно с НВЦ «Вагоны»). Испытания проводились на груженых и порожних полувагонах с тележками 18-100 и 18-578 при скоростях 40, 50, 60, 80, 100, 120 км/ч [48].
Выводы
Воздействие радиальной нагрузки на буксовые подшипники приводит к возникновению дефектов усталостного происхождения, развитие которых усугубляется абразивным изнашиванием поверхностей. Повышению ресурса подшипников под воздействием радиальной нагрузки способствует точность изготовления и монтажа, минимизация проскальзывания тел качения и обеспечение эффективной герметизации рабочей полости подшипников.
- Воздействие комбинированной нагрузки на буксовые подшипники обусловливает возникновение дополнительных сил и моментов, значительно ухудшающих условия их работы, что приводит к возникновению ряда опасных дефектов помимо естественной усталости металла. Уточненная математическая модель динамической нагруженности элементов буксового подшипника позволяет произвести количественную оценку дополнительного радиального воздействия, возникающего при наличии рамной силы. Учет дополнительного радиального воздействия при определении эквивалентной нагрузки повышает достоверность расчета ресурса буксовых подшипников и позволяет прогнозировать ресурс подшипников в условиях роста скорости движения и нагрузок на ходовые части подвижного состава.
Список литературы
- Подшипниковые узлы современных машин и приборов:
энциклопедический справочник [Текст] /В. Б. Носов, И. М. Карпухин, Н. Н. Федотов и др.; под общ. ред. В. Б. Носова. – М.: Машиностроение, 1997. – 640 с. - Конструкция и расчет вагонов: конспект лекций: В 4-х ч. /
B. В. Лукин. – Омск : ОмИИТ, 1991. – Ч. 3. Общие положения расчета и проектирования вагонов. – 89 с. - Динамика вагона: Учебник для вузов ж.-д. транспорта. /
C. В. Вершинский, В. Н. Данилов, И. И. Челноков. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Транспорт, 1978. -352 с. - Динамика вагонов: Конспект лекций для студентов-заочников специальности “Вагоностроение и вагонное хозяйство” / М. Ф. Вериго. – Москва: ВЗИИТ, 1971. – 175 с.
- Динамические нагрузки ходовых частей грузовых вагонов: Труды Всесоюз. науч.-исслед. ин-та ж.-д. трансп., вып. 287 / Под ред. Н. Н. Кудрявцева. – М: Транспорт, 1965 г. – 168 с.
- Решетов, Д. Н. Детали машин: Учебник для студентов машиностротительных и механических специальностей вузов, 4-е изд., перераб. и доп. [Текст] / Д. Н. Решетов. – М.: Машиностроение, 1989. – 496 е.: ил. – С. 399-402.
- Крейнис, 3. Л. Влияние положения рельсовых нитей в плане по направлению на уровень боковых сил /. 3. Л. Крейнис, Ю. Н. Шемелин // Совершенствование норм устройства рельсовой колеи: сборник трудов Всесоюзн. заочн. ин-та инж. ж.-д. тр-та., вып. 60 под ред. М. А. Чернышева – 1972 г.-С. 43-51.
- Ермаков, В. М. Параметры пути и подвижного состава, влияющие на износ колес и рельсов / В. М. Ермаков // Путь и путевое хозяйство. – 2008. -№5(17).
- Попов, А. А. Расчет вагонов на рочность [Текст] / А. А. Попов. – М.: Трансжелдориздат, 1960. – 360 с.
- Петров С. Путь инвестиций / С. Петров // Эксперт Сибирь. – 28.07.2008. – № 30-31 (218).
- ГОСТ18855-94. Подшипники качения. Динамическая расчетная грузоподъемность и расчетный ресурс (долговечность) [Текст]. – Введ 1997¬01-01. – М.: ИГЖ Изд-во стандартов, 1996 г. – 22 с.
- Решетов, Д. Н. Надежность машин: Учеб. пособие для машиностр. спец. вузов [Текст] / Д. Н. Решетов, А. С. Иванов, В. 3. Фадеев; Под ред. Д. Н. Решетова. – М.: Высш. шк., 1988. – 238 е.: ил.
- Berling G. / Analysis of Failure Statiistics for Railway Axlebox Bearing [Text] / G. Bergling // Bearing Journal. – 1976. – №189. – P. 1-5.
- Болхвитинов, H. Ф. Металловедение и термическая обработка металлов [Текст] / Н. Ф. Болхвитинов. – М, Машиностроение, 1965. – 6-е изд.- 505 с.. 6-е изд. стр. 339, 505 с.
- Лахтин, Ю. М. Термическая обработка в машиностроении [Текст] / Ю. М. Лахтин. – М.: Машиностроение, 1980. – 785 с. стр. 785.
- Лахтин, Ю. М. Материаловедение: учебник для ВТУЗов [Текст] / Ю. М. Лахтин. – М.: Машиностроение, 1990. – 528 с. стр. 288, 528 с.
- Пат. 82011 Российская Федерация, МПК F16C 17/04. Подшипник со сферическими упорными поверхностями / А. В. Бородин, Ю. А. Иванова; заявитель и патентообладатель ОмГУПС. – №2008145684/22; заявл. 19.11.2008; опубл. 10.04.2009. Бюл. №10. -2 е.: ил..
- Богданов, О. И. Расчет опор скольжения [Текст] / О. И. Богданов, С. К. Дьяченко. – Киев: Техшка, 1966. – 242 с. – С. 57-67.
- Орлов, П. И. Основы конструирования: Справочно-методическое пособие [Текст]. В 2-х кн. Кн. 2. Под ред. П. Н. Усачева / П. И. Орлов. – М.: Машиностроение, 1988. – 544 с.
- Милосердии, Ю. В. Расчет и конструирование механизмов приборов и установок [Текст] / Ю. В. Милосердии, Б. Д. Семенов, Ю. А. Кречко. – М.Машиностроение, 1985. – 406 с.
- ГОСТ 801-78. Сталь подшипниковая. Технические условия [Текст]. – Введ. 1980-01-01. – М. Изд-во стандартов, 2004. – 15 с.
- Hertz, H. Gesammelte Werke/ H. Hertz. – Leipzig, 1985. – Bd 1. S. 155¬196.
- Биргер, И. А. Общие алгоритмы решения задач теории упругости, пластичности и ползучести // Успехи механики деформируемых сред. – М., 1975. С. 61-73.
- Власенко, Ю. Е. Контактная задача для упругопластического многослойного пакета с учетом отставания слоев / Ю. Е. Власенко, В. И. Кузьменко, Г. А. Фень // Механика твердого тела. – М., 1978. – №5. – с. 68-73.
- Галин, JI. А. Контактные задачи теории упругости и вязкоупругости / JI. А. Галин. – М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1980. – 304 с..