Введение к работе
Актуальность темы. Тяговые зубчатые колеса и шестерни являются теми элементами конструкции тепловозов, износостойкость которых необходимо повышать. Продолжительность исправной работы тягового редуктора в редких случаях превышает 1,5 млн. км пробега вместо 2,5 млн. км, необходимых по условию равнопрочности всех ответственных элементов ходовой части до капитального ремонта.
По результатам анализа технического состояния тепловозного парка по сети железных дорог России в течение последних лет (2005-2008 гг.) на зубчатые передачи приходится 10-13 % от общего количества отказов механического оборудования, а неплановые ремонты, вызванные выходом из строя тяговых редукторов, составляют свыше 9 % от общего количества неплановых ремонтов тепловозов.
Износостойкость зубчатых передач пассажирских локомотивов выше, чем грузовых. Из статистических данных известно, что тяговые редукторы тепловозов с односторонней прямозубой зубчатой передачей изнашиваются примерно в 2 раза быстрее электровозных редукторов.
Тепловозы с тяговым редуктором широко распространены на железных дорогах России, Эстонии, Латвии, Литвы, Украины, Белоруссии, Германии, а также они используются для грузовых и пассажирских перевозок в Болгарии, Чехии, Словакии, Румынии, Франции, Великобритании, Греции, Бразилии и США.
Для смены тяговых зубчатых колес в редукторах ремонтные заводы ОАО «РЖД» и локомотивные депо ежегодно расходуют десятки тысяч тонн легированной стали и сотни миллионов рублей.
Зубчатые передачи тяговых редукторов тепловозов работают в тяжелых условиях, характеризующихся повышенным трением между зубчатыми колесами, обусловленным интенсивным выдавливанием смазочного материала из зоны контакта. Недостаточное количество смазки вызывает повышение температуры в области контакта и приводит к износу подвижных сопряжений. Это вызывает отказ зубчатых передач в виде выкрашивания, схватывания, изменения формы зубьев, излома. Изменение формы сопряженных зубьев ведет к увеличению кинематической погрешности редуктора. При этом возрастают динамические нагрузки, потери на трение, снижается КПД и долговечность зубчатых передач.
Сократить простои из-за преждевременных замен или ремонтов колес тяговых редукторов тепловозов и повысить надежность их эксплуатации возможно, обеспечивая постоянное присутствие смазочного материала в зубчатых сопряжениях.
Не менее важным условием долговечной и безопасной эксплуатации тяговых передач и иных пар трения тепловозов является использование качественных консистентных и пластичных смазочных материалов.
В настоящей работе была поставлена комплексная задача по разработке способа сохранения смазочного материала в зубчатых передачах тяговых редукторов тепловозов, а также созданию методики определения возможности применения смазочных материалов в узлах тепловозов с использованием критерия скорости вращения деталей / образцов для увеличения работоспособности тепловозов и повышения безопасности движения поездов.
Цель работы - повышение износостойкости зубчатых передач тяговых редукторов тепловозов путем разработки способа сохранения смазочных материалов и создания методики определения применимости смазочных материалов по критерию скорости вращения деталей / образцов.
В диссертации были поставлены следующие задачи.
Изучить причины повышенного износа зубчатых передач тяговых редукторов тепловозов.
Разработать способ сохранения смазочного материала в зубчатых передачах тяговых редукторов тепловозов.
Дополнительно разработать способ постоянного сохранения смазочного материала в зоне трения кулачковых механизмов.
Экспериментально исследовать и апробировать предложенный способ сохранения смазочного материала в тяговых редукторах тепловозов, разработать рекомендации к производству и внедрению результатов научного исследования на тепловозах и в другой технике (например, вагоноремонтных машинах «Волжанка», передачах подъемно-транспортных устройств).
Создать методику определения применимости смазочных материалов в узлах тепловозов и другой техники, по критерию скорости вращения деталей / образцов путем сравнения момента начала и окончания отрыва смазочного материала, выработать рекомендации по ее применению.
Сделать оценку технико-экономической эффективности внедрения разработанного способа сохранения смазочного материала в зубчатых передачах тяговых редукторов тепловозов.
Объектом исследования являются тяговые редукторы тепловозов.
Предметом исследования является повышение износостойкости зубчатых передач тяговых редукторов тепловозов.
Основные методы научных исследований
В работе использовались основные положения локомотивостроения, технологии ремонта локомотивов, трибологии, теории механизмов и машин, деталей машин, теоретической механики, математики (применялись методы статистического анализа и конечных элементов), информатики. Математическое моделирование и обработка результатов экспериментальных исследований в основном выполнены с помощью ПЭВМ и программных комплексов Microsoft Excel, MathCAD, SolidWorks SimulationXpress 2009 на базе численных методов.
Научная новизна
Получена регрессионная (статистическая) модель развития износа тяговых зубчатых передач тепловозов с использованием разработанного способа сохранения смазочного материала.
Разработана методика расчета упругих элементов, постоянно удерживающих смазку в тяговых зубчатых передачах тепловозов.
Предложен критерий контроля эффективности применения смазочного материала путем проверки состояния смазки в динамике при вращении образцов / деталей с различной скоростью.
Практическая значимость
Разработан способ существенного снижения износа зубчатых колес тяговых редукторов тепловозов и другой техники, который подтвержден практикой испытаний.
Разработан прибор «Адгезиметр универсальный», на который получен патент. Прибор Енедрен на базе грузового вагонного ремонтного депо станции «Кандалакша».
Предложен метод оценки технико-экономической эффективности разработанного способа сохранения смазочного материала в зубчатых передачах тяговых редукторов тепловозов. Экономический эффект составит не менее 1,5 млн. руб. в год на эксплуатационный парк из 100 тепловозов. Срок окупаемости 4 месяца.
Реализация. Успешная опытная апробация способа сохранения смазочного материала е зубчатой передаче вагоноремонтной машины «Волжанка» подтверждает возможность широкого применения представленной разработки. Получен акт о внедрении прибора «Адгезиметр» для определения применимости смазочных материалов по критерию скорости вращения деталей / образцов на базе грузового вагонного ремонтного депо станции «Кандалакша». Получены справки о внедрении в учебный процесс ФГОУ ВПО ПГУПС технических разработок в дисциплинах «Детали машин и основы конструирования», «Теория механизмов и детали машин для сооружения мостов и тоннелей» и «Прикладная механика».
Достоверность полученных результатов обеспечивается совпадением результатов теоретических расчетов с результатами испытаний при использовании высокоточного измерительного оборудования и дальнейшей обработкой результатов исследований с помощью ПЭВМ.
Апробация работы
Основные положения разработанных методик и результат исследований докладывались на 6-й, 7-й, 8-й и 9-й Международных конференциях «Трибология и надежность» (Санкт-Петербург, 2006-2С09 гг.), научно-технической конференции «Шаг в будущее» (ПГУПС, Санкт-Петербург, 2007 г.), международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трибологии» (Самара, 2007 г.), 18-я Международная конференция «Текущие проблемы рельсовых транспортных экипажей» (Жилина,
Словакия, 2007 г.), 4-я Конференция «Мехатроника систем и материалов 2008» (Биялосток, Польша, 2008 г.), 10-й Международной научно-практической конференции «Технология ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки» (Санкт-Петербург, 2008 г.), Международной научно-технической конференции «Актуальные задачи машиноведения, деталей машин и триботехники» (Санкт-Петербург, 2010 г.).
Публикации
Основные положения диссертации опубликованы в 14 печатных работах общим объемом 3,2 п.л., из них 3 работы в изданиях, входящих в перечень, рекомендованный ВАК Минобразования России. По результатам внедрения получен патент на полезную модель.
Структура и обгем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и пяти приложений, изложена на 163 страницах машинописного текста, содержит 18 таблиц и 66 иллюстраций. Библиографический список насчитывает 146 наименований.
