Характерным примером опорного узла, находящегося под воздействием комбинированной нагрузки, является букса грузового вагона, в которой нагрузку воспринимают два радиальных роликоподшипника с короткими цилиндрическими роликами или двухрядный конический роликоподшипник [1].
Радиальная составляющая комбинированной нагрузки на подшипники представляет собой статическую и динамическую нагрузку от веса тары вагона и перевозимого груза. Горизонтальная продольная составляющая нагрузки также является для подшипников радиальной и возникает от усилий тяги-торможения, а также вследствие соударений вагонов при маневровых работах. Горизонтальная поперечная составляющая нагрузки действует на подшипники при извилистом движении по прямым участкам пути, а наибольшие значения принимает при движении по кривым малого радиуса. Эта нагрузка воспринимается у цилиндрических подшипников торцами роликов и бортами колец, а у конических – частично дорожкой качения и образующей ролика, частично – торцами роликов и бортами колец в условиях трения скольжения при недостаточной смазке.
При относительно невысоких скоростях движения поезда подшипники воспринимают горизонтальную поперечную нагрузку удовлетворительно. Однако с повышением скорости негативные последствия от воздействия горизонтальной поперечной нагрузки приводят к резкому сокращению ресурса подшипников. Среди негативных последствий воздействия такой нагрузки на подшипники можно выделить следующие (аналогичные как для цилиндрических, так и для конических подшипников): задиры и риски на торцах роликов и бортах колец, отколы бортов, опрокидывание тел качения с последующим неравномерным распределением давления вдоль образующей, повышенный нагрев в местах трения, приводящий к необходимости отцепки колесной пары. Кроме того, у конических подшипников, имеющих малый осевой зазор, возможен полный выбор этого зазора вследствие температурного расширения трущихся деталей и заклинивание подшипника.
Перечисленные причины ухудшения условий работы подшипников обусловливают актуальность построения такой схемы опоры комбинированного нагружения, при которой исключалось бы воздействие на подшипники горизонтальной поперечной нагрузки. Для достижения этой цели предлагается опора (рис. 1), состоящая из роликоподшипников 2 для восприятия радиальной нагрузки Fr и самоустанавливающегося шарового подпятника 4 для восприятия горизонтальной поперечной нагрузки Fa, представляющего собой шар, размещённый между двумя опорами [2]. Минимальным контактным напряжениям в подпятнике соответствуют вогнутые сферические поверхности с радиусом, превышающим радиус шара на 1–2 % [3].
Рис. 1. Схема комбинированной опоры с раздельным восприятием составляющих нагрузки:
1 – корпус, 2 – цилиндрический роликовый подшипник, 3 – ось,
4 – шаровый подпятник, 5 – прижимной упор
Отсутствие горизонтальной поперечной нагрузки на подшипник позволяет применять цилиндрические роликовые подшипники с безбортовыми кольцами, которые можно изготовить с высокой точностью и высоким качеством поверхностей качения [4].
При эксплуатации комбинированной опоры, состоящей из шарового подпятника и подшипникового узла целесообразно обеспечить их равный ресурс:
(1)
где L10h – расчётный ресурс буксового подшипника, ч; Tmax – срок службы шарового подпятника, ч.
Ресурс подшипника L10h определяется по формуле:
(2)
где L10 – базовый ресурс подшипника, млн. об., n – частота вращения внутреннего кольца подшипника при средней скорости движения поезда, об/мин [5].
Срок службы шарового подпятника буксы грузового вагона Tmax представляет собой время работы до достижения предельного значения линейного износа его деталей Umax в горизонтальном направлении. При введении в буксу шарового подпятника с сохранением двух типовых цилиндрических подшипников предельное значение износа определяется из следующего условия: зазор в нерабочем положении шарового подпятника Sn, мкм не должен превышать осевого зазора в буксе Sσ, мкм, то есть должно выполняться условие:
(3)
В противном случае шаровый подпятник перестанет выполнять свою основную функцию: воспринимать горизонтальную поперечную нагрузку. Начальный осевой зазор в нерабочем положении разработанной конструкции шарового подпятника при монтаже определяется толщиной регулировочной шайбы.
Износ деталей шарового подпятника представляет собой суммарный линейный износ сопряжений «пята - шар» и «шар - опора» в горизонтальном направлении:
(4)
Расчёт скоростей изнашивания сопряжения «пята - шар» Uп-ш, мкм/ч, и сопряжения «шар - опора» Uш-0, мкм/ч, производится на основе инженерного расчёта износа шаровых поверхностей [6]. При линейной зависимости между временем изнашивания t, ч, и величиной износа U, мкм, скорость изнашивания γ, мкм/ч, определяется как:
(5)
Линейная интенсивность изнашивания I (безразмерная величина) равна отношению:
(6)
где L – путь трения.
С другой стороны, в соответствии с усталостной теорией износа линейная интенсивность изнашивания I приработанных поверхностей пропорциональна давлению p на поверхностях трения:
(7)
где p – давление, распределённое по поверхности трения; k – коэффициент износа, показывающий величину линейного износа, тогда:
(8)
(9)
При делении обеих частей выражения (9) на время работы сопряжения оно принимает вид:
(10)
где v – скорость относительного скольжения в данной точке поверхности, которая определяется по формуле:
(11)
Согласно инженерному расчёту скорость изнашивания сопряжения шаровых поверхностей 1 и 2 определяется как:
(12)
откуда давление p, распределённое по поверхности трения:
(13)
Зависимость между горизонтальной поперечной силой Fa и давлением p, распределённым по поверхности трения площадью S:
(14)
откуда скорость изнашивания сопряжения шаровых поверхностей 1 и 2:
(15)
По формуле (15) для разработанной конструкции шарового подпятника рассчитываются скорости изнашивания сопряжений «пята - шар» γп-ш, мкм/ч, и «шар - опора» γш-0, мкм/ч.
Поскольку конструкция шарового подпятника позволяет постоянный проворот шара (жёсткие направляющие отсутствуют), скорость изнашивания снижается пропорционально отношению полной площади поверхности шара к сумме площадей приработанных сопряжений «пята - шар» и «шар - опора» ks. Тогда суммарная скорость линейного изнашивания деталей шарового подпятника в горизонтальном направлении:
(16)
При рассчитанной скорости изнашивания сопряжений подпятника γп максимальный суммарный износ сопряжений подпятника Umax, мкм, при обеспечении равной долговечности подшипников и шарового подпятника не должен превышать:
(17)
Таким образом, построение опоры комбинированного нагружения с шаровым подпятником существенно улучшает её работоспособность и способствует повышению ресурса более чем на 15 %. Предложенная методика расчёта ресурса элементов комбинированной опоры позволяет обеспечить их равную долговечность.
___________________________
1. Сергеев К. А. Повышение работоспособности буксового узла с кассетным подшипником / К. А. Сергеев, А. Н. Францев // Железнодорожный транспорт. − 2008. − № 7. − С. 58-62.
2. Пат. 65007 Российская Федерация, МПК В 61 F 15/12. Букса с цилиндрическим роликоподшипником и шаровым подпятником / А. В. Бородин, Ю. А. Иванова, Г. П. Здор.; заявитель и патентообладатель ОмГУПС. − № 2007103839; заявл. 31.01.07; опубл. 27.07.2007. Бюл. № 21. − 2 с.
3. Орлов П. И. Основы конструирования: Справочно-методическое пособие: В 2-х кн. / П. И. Орлов; под ред. П. Н. Усачева. − М.: Машиностроение, 1988. − Кн. 2. − 544 с.
4. Пат. 65008 Российская Федерация, МПК В 61 F 15/12. Букса с цилиндрическим роликоподшипником / А. В. Бородин, Ю. А. Иванова; заявитель и патентообладатель ОмГУПС. − № 2007112328; заявл. 02.04.07; опубл. 27.07.2007. Бюл. № 21. − 2 с.
5. Перель Л. Я. Подшипники качения: Расчет, проектирование и обслуживание опор: Справочник [Текст] / Л. Я. Перель, А. А. Филатов. − 2-е изд., перераб. и доп. − М.: Машиностроение, 1992. − 608 с.
6. Справочник по триботехнике: В 3-х т. / Под общ. ред. М. Хебды, А. В. Чичинадзе. − М.: Машиностроение, 1989. − Т. 1. Теоретические основы. − 400 с.
© А.В. Бородин, 2009
© Ю.А. Иванова, 2009
Материалы сайта могут содержать информацию, не подлежащую просмотру
начало статьи