CC BY
75
Подвижной состав железных дорог
УДК 621.815
А. В. Бородин, Г. П. Здор, Л. В. Ярышева
АНАЛИЗ ПРОЧНОСТИ СОЕДИНЕНИЯ «КОЛЕСНЫЙ ЦЕНТР-БАНДАЖ КОЛЕСА ТЕПЛОВОЗА»
В статье приведен анализ прочности соединения колесного центра с бандажом колеса тепловоза в зависимости от конструктивных и эксплуатационных факторов.
Ослабление посадки бандажа на ободе колесного центра - неисправность, которая предполагает замену колесной пары и приводит к длительному простою тепловоза. Ежегодно на крупных железных дорогах России происходит более тысячи случаев ослабления и про воротов бандажей [1, 2]. Проблема повышения прочности соединения пары «колесный центр -бандаж колеса тепловоза» является актуальной.
Существующие и вновь проектируемые тепловозные колеса относятся к составному типу: колесный центр напрессовывают на ось колесной пары; на наружный диаметр колесного центра тепловым способом насаживают бандаж и закрепляют от осевого смещения стопорным кольцом.
Колесный центр изготавливается из мартеновской стали 25Л отливкой (НВ 124 - 151). В качестве опытных образцов применялись катаные колесные центры. В зависимости от назначения и мощности тепловоза, типа подвешивания тягового электродвигателя, схемы и конструкции привода существуют различные конструкции колесных центров, отличающиеся радиальной и изгибной жесткостью, деформированным состоянием при посадке бандажа с натягом и, следовательно, эпюрами распределения контактных давлений по поверхности сопряжения [3].
Материал бандажа подвергается растяжению, сжатию, сдвигу, смятию, а при скольжении колес - износу. В связи с этим бандаж должен иметь высокие прочность, износостойкость, вязкость, сопротивление ударным нагрузкам. Опыт эксплуатации локомотивных бандажей, изготавливаемых по действующему стандарту из углеродистых сталей, показывает, что в современных условиях эксплуатации при повышенных скоростях и нагрузках они не во всех случаях обеспечивают требуемую надежность и долговечность [4].
Высокое контактное напряжение, проскальзывание колесных пар, сопровождающееся большим температурным градиентом в зоне трения, приводят к образованию наваров на поверхности катания, раковин усталостного происхождения, выщербин бандажей.
Для повышения эксплуатационной стойкости и срока службы локомотивных бандажей специалистами ОАО «ВНИИЖТ» и ОАО «ЕВРАЗ НТМК» разработана бандажная сталь повышенной твердости марки 4 (НВ 320 - 360) [4]. Эксплуатационные испытания бандажей из стали марки 4 были проведены на магистральных путях Еорьковской, Южно-Уральской, Восточно-Сибирской и Северной дорог. Испытания показали существенное преимущество этих бандажей перед серийными бандажами по износостойкости гребня при пробеге колесных пар между обточками.
Соединение с натягом колесного центра и бандажа выполняют по цилиндрической поверхности без использования дополнительных деталей и креплений. После сборки соединения вследствие упругих и пластических деформаций диаметр посадочных поверхностей становится общим. На поверхности посадки возникают удельное давление и соответствующие ему силы трения, которые обеспечивают неподвижность соединения и передачу вращающего момента.
Использование бандажной стали повышенной твердости марки 4 приводит к увеличению площади поверхности фактического касания, в связи с чем растет трение в сопряжении и соответственно прочность соединения [10]. Это предположение авторов требует экспериментальной проверки.
8 ИЗВЕСТИЯ Транссиб!^— м;п1'9)
Условие прочности соединения при нагружении вращающим моментом Т зависит от коэффициента трения скольжения/и удельного давления р на поверхности посадки:
КТ<{/ртт^Г)12, (1)
где К= 1,5 - 2 - коэффициент запаса;
б/- посадочный диаметр соединения, мм;
I - длина посадочной поверхности, мм;
р - удельное давление на поверхности посадки, МПа.
Удельное давление на поверхности посадки связано с номинальным натягом известной зависимостью Ламе:
р = ЩсЦСг/Ег + С2/Е2)], (2)
где N - номинальный натяг;
Сь Сг - коэффициенты Ламе колесного центра и бандажа соответственно; Е\, Е2 - модули упругости материалов колесного центра и бандажа, МПа.
Действительный натяг определяется с учетом поправки II:
N¿=N+11. (3)
Величина поправки и зависит от шероховатости посадочных поверхностей колесного центра и бандажа, способа сборки соединения и условий его эксплуатации.
В общем случае
и=ик+ии (4)
где 17к - поправка на смятие микронеровностей в собранном соединении,
ик = 1,2(^1 + ^2), (5)
где ЯгЯг2 - высота микронеровностей профиля посадочных поверхностей колесного центра и бандажа соответственно;
и{ - поправка на температурную деформацию деталей, учитывающая уменьшение натяга за счет нагрева бандажа при колодочном торможении и различия коэффициентов линейного расширения материалов соединяемых деталей.
Используя зависимости (1) и (2), определяем вращающий момент, который может выдержать соединение без ослабления посадки.
Однако при совместном действии ряда технологических, конструкционных и эксплуатационных факторов происходят провороты бандажей. Рассмотрим возможные причины этой неисправности соединения.
В значительной мере надежность соединения бандажа с ободом колесного центра зависит от технологии обработки посадочных поверхностей. В соответствии с ГОСТ 11018-2000 соединение бандажа с центром осуществляется тепловым способом с натягом 0,0012 - 0,0016 посадочного диаметра с1 и шероховатостью поверхностей сопряжения Яг < 20 мкм. Однако анализ технологии обработки сопрягаемых поверхностей и посадки бандажей, применяемой на Свердловском, Челябинском электровозоремонтных заводах, а также в локомотивных депо ст. Свердловск-Сортировочный, Пермь II и Чусовая Свердловской дороги, свидетельствует о том, что в большинстве ремонтных пунктов, выполняющих формирование колесных пар, посадочные поверхности не соответствуют техническим условиям на их обработку. Из формул (3) и (4) видна зависимость величины действительного натяга соединения от шероховатости посадочных поверхностей колесного центра и бандажа, температурной деформации деталей.
Кроме этого величина крутящего момента Т, передаваемая соединением, зависит от площади прилегания внутренней поверхности бандажа к ободу колесного центра, что обеспечивает неподвижность соединения. Однако, как показали обследования ряда колесных цехов депо и локомотиворемонтных заводов, на отдельных колесных парах площадь прилегания составляла 20 - 45 % и редко доходила до 90 % от номинальной [5]. Недостаточное при-
м:п1'9) ПТГГП ТИП Транссиба 9
легание поверхности бандажа к ободу колесного центра приводит к снижению силы трения, прочности соединения и передаваемого вращающего момента (рисунок).
А, % П/ ~7\ В, мм
80----УЧ^-1- 75
60-----i- 60
I
T=J в = U) J
А т=Ял в = и ? /7 ) /
40--/s--I—/--45
20 -Ут^-----30
0 60 120 180 240 300 7Ч03,Н-м
Зависимость величины вращающих моментов, передаваемых соединением «бандаж - колесный центр», от площади прилегания внутренней поверхности бандажа к ободу колесного центра (А) и толщины бандажа (В)
Посадочные поверхности бандажа и обода должны иметь форму, обеспечивающую равномерность напряжений материала сопрягаемых деталей. При обработке поверхностей сопряжения из-за погрешностей оборудованию, износа режущего инструмента, действия статических и динамических усилий образуются овальность и конусность, при которых нарушается прилегание поверхности бандажа к ободу колесного центра. Из-за уменьшения площади фактического контакта в местах с повышенным удельным давлением происходит коррозионно-механическое изнашивание (фреттинг-коррозия), обусловленное циклическими относительными микроперемещениями поверхностей посадки. Изгиб бандажа в местах неприлегания распространяется внутрь к ободу колеса. При вращении колеса деформации слоев бандажа циклически изменяются и сопровождаются микросдвигами относительно поверхности обода колесного центра. Изнашивание постепенно уменьшает прочность соединения и приводит к провороту бандажа.
При эксплуатации вследствие износа поверхности катания и ремонтных обточек происходит уменьшение толщины бандажа. Это обстоятельство не означает обязательного прово-рота бандажа, но уменьшение его толщины создает предпосылки к провороту при совмест-
о
ном действии нескольких факторов. При натяге 1,45-10" ми толщине бандажа 75 мм передаваемый крутящий момент составляет 309 506 Н-м. С уменьшением толщины бандажа до 33 мм удельное давление посадки снижается на 20 %, что приводит к уменьшению величины передаваемого крутящего момента в 1,25 раза (см. рисунок).
Вероятность проворота бандажа существенно возрастает при совместном действии конструктивных и эксплуатационных факторов.
Наибольшее силовое воздействие соединение «колесный центр - бандаж» испытывает при прохождении рельсового стыка, особенно в зимний период эксплуатации, когда жесткость пути увеличивается в два - три раза за счет промерзания балластной призмы. Это усилие может еще более возрастать, если учесть, что при отклонении основного шага и профиля зацепления тяговой передачи от нормы не происходит плавного пересопряжения зубьев, а возникают удары, сила которых может быть соизмерима с усилием, передаваемым соединением. Возникающая при этом вибрация электродвигателя, опирающегося на ось колесной пары, воздействует на колеса локомотива и способствует нарушению посадки соединения «колесный центр - бандаж».
10 ИЗВЕСТИЯ Транссиба^ ^
Основная неисправность - ослабление посадки бандажа - более всего проявляется в результате фрикционного торможения при помощи колодочного тормоза. При торможении кинетическая энергия движущегося поезда преобразуется в тепловую, вызывая нагрев тормозных колодок и колес, что приводит к постепенному тепловому расширению бандажа, уменьшению действительного натяга и снижению удельных контактных давлений на поверхности сопряжения с центром. Результаты проведенных во ВНИИЖТе натурных испытаний показали, что относительное количество проворотов бандажей зависит от тепловой интенсивности торможения [3]. Нагрев при длительном торможении большой мощности вызывал почти полное снятие натяга.
При колодочном торможении нагрев колес происходит неравномерно по радиусу и с перепадом температуры в зоне контакта бандажа с центром. Перепад температуры является следствием дискретного характера контакта между бандажом и колесным центром и наличия по этой причине контактного термического сопротивления [7].
Ранее выполненные лабораторные исследования свидетельствуют о том, что на величину перепада температуры влияют шероховатость, овальность, конусообразность поверхностей, толщина бандажа, величина натяга, режим торможения. Наиболее достоверным способом определения перепада температуры является экспериментальный [3]. При длительном торможении перепад температуры может составлять 130 - 200°С [6].
Определяющим режимом торможения при оценке прочности соединения бандажа с колесным центром является режим длительного торможения.
Величина дополнительного снижения натяга посадки бандажа от действия контактного термического сопротивления может достигать 50 % общего снижения натяга [7]. В случае уменьшения натяга до значения, близкого к действительному, может произойти проворот бандажа.
Стремление предотвратить проворот за счет увеличения действительного натяга не дает положительных результатов, так как это приводит к пластическим деформациям центра и его усадке. Это вызывает уменьшение натяга и снижение прочности соединения. Поэтому исходный натяг соединения бандажа с колесным центром следует выбирать с учетом действительной формы и размеров, материала центра с тем, чтобы исключить монтажную усадку и снижение прочности соединения.
Перспективен метод соединения деталей с натягом, предложенный одним из авторов данной статьи доктором технических наук, профессором А. В. Бородиным [8]. Исследованиями, выполненными на кафедре «Теория механизмов и детали машин» ОмГУПСа, изучены возможности увеличения прочности соединений с натягом [9]. Результаты расчетов и испытаний позволили увеличить прочность соединения с натягом введением в контактирующие поверхности макроизменений. Например, в соединении цилиндрических деталей с натягом [9, с. 147 - 149] охватываемая деталь выполняется с кольцевыми выточками, которые образуют систему О-образных и Х-образных структур, чередующихся последовательно. Сборка соединения осуществляется нагревом охватываемой детали и последующим его охлаждением. При рабочей нагрузке соединения проявляется клиновой эффект от деформации материала охватывающей детали в кольцевые выточки охватываемой. Результаты исследований показали повышение фреттингостойкости и увеличение несущей способности соединения с натягом по провороту более чем в 1,3 раза по сравнению с соединением деталей, имеющих гладкие поверхности сопряжения.
На основе изложенного можно сделать выводы.
1. Анализ результатов эксплуатационных и стендовых исследований прочности соединения «колесный центр - бандаж» позволяет заключить, что проворот бандажей происходит при совместном действии конструкционных и эксплуатационных факторов.
2. На прочность соединения бандажа с колесным центром существенное влияние оказывают тепловые нагрузки. Уменьшение натяга посадки бандажа за счет контактного термического сопротивления может превышать 50 % общего снижения натяга. Нагрев бандажа при
Подвижной состав железных дорог
длительном торможении большой мощности может вызвать почти полное снятие действительного натяга.
3. Перспективен способ увеличения прочности соединения с натягом путем изменения макрогеометрии контактирующих поверхностей. Результаты испытаний соединений с натягом, имеющих дискретную поверхность в контакте, показали, что несущая способность соединения по провороту возрастает более чем в 1,3 раза по сравнению с соединением из деталей с гладкими сопряженными поверхностями [9].
Список литературы
1. Буйносов, А. П. Методы повышения ресурса колесных пар тягового подвижного состава: Монография [Текст] / А. П. Буйносов / ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте». М., 2010. -224 с.
2. Козубенко, В. Г. Безопасное управление поездом: вопросы и ответы [Текст] / В. Г. Ко-зубенко / ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте». М., 2008. 548 с.
3. О надежности соединения бандажа с колесным центром [Текст] / В. Г. Иноземцев, В. В. Иванов и др. // Вестник ВНИИЖТа. - 1986. - № 8. - С. 29 - 33.
4. Брюнчуков, Г. И. Эксплуатационные испытания бандажей повышенной твердости [Текст] / Г. И. Брюнчуков, А. В. Сухов, В. В. Тимофеев // Локомотив. - 2011. - № 11. - С. 33 - 35.
5. Сашко, А. А. Отчего повреждаются бандажи / А. А. Сашко // Локомотив. - 2005. -№10.-С. 36,37.
6. К вопросу образования наваров на поверхности катания колеса [Текст] / В. И. Несте-ренко, В. А. Левандовский и др. // Вюник СМУ 1м. В. Даля. -2010. -№ 5(147). - 160 с.
7. Грек, В. И. Прочность соединения бандажа с центром колес подвижного состава с учетом действия тепловых нагрузок при торможении: Дис... доктора техн. наук. [Текст]. Коломна, 1991. - 191 с.
8. Бородин, А. В. Соединение с натягом повышенной несущей способности [Текст] / А. В. Бородин // Исследование процессов взаимодействия объектов железнодорожного транспорта с окружающей средой: Материалы науч.-техн. конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 1995. - С. 21 - 25.
9. Бородин, А. В. Высоконагруженные соединения с гарантированным натягом для локомотивов: Монография [Текст] / А. В. Бородин, В. М. Волков, И. Л. Рязанцева. - Омск, 2011.- 160 с.
10. Гаркунов, Д. Н. Триботехника (износ и безызносность) [Текст] / Д. Н. Гаркунов / Московская сельскохозяйственная академия. М., 2001. - 616 с.
УДК 629.421 (621.436 + 621.313.12)
А. И. Володин, М. Н. Кирьяков
ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕПЛОВОЗНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИЗЕЛЯ ДЛЯ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧЕЙ ТЕПЛОВОЗОВ
В статье разработана математическая модель универсальных характеристик дизель-генераторных установок тепловозов, приводящая задачу выбора оптимального тепловозной характеристики к оптимизации по одному параметру. С помощью разработанного математ и ческой модели универсальных характеристгт <)п-зель-генераторных установок тепловозов рассчгтгывается оптимальная эконолтческая тепловозная характе-ристгта для различных тгтов дизелегХ
12 ИЗВЕСТИЯ Транссиба м;п1'9)
