Введение к работе
Актуальность работы. Повышение срока службы подвижного состава железнодорожного транспорта не представляется возможным без повышения срока службы тяговых электродвигателей локомотивов. Одним из основных узлов, определяющих срок службы тягового электродвигателя, является узел роликовых подшипников. Роликовые подшипники электродвигателя работают с большими переменными нагрузками (динамическая грузоподъемность до 739 кН) при частотах вращения до 30Гц и перепадах температур от -40 С до + 120 С. Основными показателями, определяющими срок службы роликовых подшипников, являются радиальный зазор и угол перекоса колец. Срок службы роликовых подшипников при эксплуатации далеко не всегда совпадает с гарантированным, а часто оказывается во много раз меньшим, поскольку при сборке изменяются, размеры и геометрические отклонения рабочих поверхностей деталей подшипника и базовых деталей подшипникового узла.
Проблеме повышения срока службы подшипников качения в конструкторском, в технологическом и метрологическом направлениях посвящены работы многих российских и зарубежных ученых:
В. И. Акифьева, А. Н. Бурмистрова, В. Б. Бальмонта, А. В. Бородина, В. А. Брагинского, Т. Н. Барковой, Б. М. Базрова, П. Н. Волкова, И. Г. Глана, З. М. Брейтмана, Н. Г.Бруевича, В. И. Глухова, Bell J.C, Dyson A., Blok H., Chang L., Cusano C., Conry T.F. и других ученых.
Большой объем работ в рамках каждого направления исследований говорит об актуальности проблемы увеличения срока службы роликовых подшипников. В ряде работ разработаны научные принципы, реализация которых позволяет успешно решать проблему увеличения срока службы тяговых электродвигателей при условии распространения сферы их действия на все стадии жизненного цикла тягового электродвигателя, и прежде всего на три основных: проектирование, изготовление и контроль.
Тема диссертации, направленная на увеличение срока службы тяговых электродвигателей за счет разработки и внедрения системы контроля геометрических отклонений расположения деталей подшипниковых узлов, является актуальной.
Объектом исследований являются подшипниковые узлы тягового электродвигателя ТЛ-2К.
Предметом исследований являются взаимосвязи геометрических величин базовых элементов деталей подшипниковых узлов и методы контроля величин.
Цель диссертационной работы заключается в разработке системы контроля точности геометрических величин деталей подшипниковых узлов тягового электродвигателя, обеспечивающей увеличение срока его службы.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1 Выполнить анализ линейных и угловых размерных цепей, обеспечивающих технические требования по эксплуатации роликовых радиальных подшипников тяговых электродвигателей.
2 Разработать геометрические модели сопрягаемых деталей и сборочных единиц подшипниковых узлов с учетом информативности и служебного назначения сопрягаемых элементов.
3 Разработать математическую модель и программу расчета влияния комплексных размеров сопрягаемых элементов деталей подшипниковых узлов на угол перекоса оси внутреннего кольца относительно оси наружного и радиальные зазоры в роликовых подшипниках.
4 Разработать и внедрить систему контроля, методы и методику измерений комплексных размеров деталей подшипниковых узлов, рекомендации по увеличению срока службы подшипниковых узлов, рассчитать экономический эффект от внедрения в производство результатов работы.
Методологической основой исследования послужили работы А. В. Бородина, Н. Г. Бруевича, Н. А. Бородачева, В. И. Глухова, М. А. Палея.
Методы исследования. В работе использованы методы: геометрического моделирования; методы теории точности механизмов; методы теории измерений; математические методы планирования полного факторного эксперимента; метод компьютерного программирования на языке «Делфи».
Научную новизну работы составляют:
1 Математические модели геометрических величин, характеризующих точность соединений деталей подшипниковых узлов, включая перекосы осей колец роликовых подшипников, комплексных размеров беговых дорожек колец и радиальных зазоров в подшипниках на основе графических моделей реальных деталей и сборочных единиц подшипниковых узлов, и позволяющие повысить точность оценки геометрических величин соединений по результатам контроля влияющих отклонений расположения элементов деталей до сборки.
2 Методы измерений отклонений расположения деталей, обеспечивающие достоверной измерительной информацией базу данных математической модели геометрических величин подшипникового узла, составляющие основу системы контроля качества параметров подшипниковых узлов и позволяющие увеличить срок службы тягового электродвигателя по результатам контроля.
Новизна предложенных технических решений подтверждена патентами на полезные модели: №94298 от 15.02.2010 «Подшипниковый узел»; №95394 от 04.03.2010 «Измерительный комплекс»; №109844 от 27.10.2011 «Устройство для измерения геометрических параметров».
Практическую значимость работы составляют:
1 Система контроля геометрических величин деталей тягового электродвигателя до сборки с применением программы расчета комплексных диаметров беговых дорожек, радиальных зазоров и углов перекосов осей колец роликовых подшипников, обеспечивающая увеличение срока службы подшипниковых узлов.
2 Введение систем координат комплектов баз в проектную документацию с целью системного нормирования отклонений расположения в соответствии с геометрическими моделями деталей в процессе конструирования: обеспечение требуемой точности посадок на основе измерений влияющих на комплексные размеры отклонений расположения, программа для оценки и исследований комплексных размеров элементов деталей, радиальных зазоров в подшипниках и перекосов осей колец подшипников.
3 Опытные образцы запатентованных измерительных устройств и методики для контроля отклонений расположения элементов вала, подшипникового щита тягового электродвигателя.
4 Мероприятия по увеличению срока службы тяговых электродвигателей.
Достоверность результатов исследования обосновывается:
- применением известных математических методов, использовавшихся ранее при решении прикладных задач;
- соответствием аналитических результатов с экспериментальными данными и их коррелирование с работами других авторов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на V Всероссийской научной конференции, посвященной памяти главного конструктора ПО «Полет» А. С. Клинышкова «Проблемы разработки, изготовления и эксплуатации ракетно-космической и авиационной техники» (Омск 2010); на научно-технической конференции с международным участием, посвященной 110-летнему юбилею Омского государственного университета путей сообщения «Инновации для транспорта» (Омск 2010); на ХХIII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (Казань 2011); на Всероссийской научно-технической конференции с международным участием, посвященной пятидесятилетней истории ОмГУПСа на омской земле и 100 летнему юбилею профессора Пахомова В.Н. «Технологическое обеспечение ремонта и повышение динамических качеств железнодорожного подвижного состава» (Омск 2010); на научных семинарах кафедры «Метрология и приборостроение» Омского государственного технического университета на научно-технических советах «Научно-исследовательского института технологии, контроля и диагностики железнодорожного транспорта» (Омск 2009, 2010, 2011, 2012 г.г).
Основные положения, представляемые к защите:
-
Установлено, что срок службы механической части тягового электродвигателя лимитируется опорами качения вала-якоря и зависит от действующих размеров исполнительных поверхностей беговых дорожек наружного и внутреннего колец, разность диаметров которых определяет радиальные зазоры в роликовых подшипниках после сборки электродвигателя. Доказано, что действующие размеры беговых дорожек являются комплексными размерами, значения которых изменяются вследствие угловых перекосов осей колец, присоединяемых к различным деталям электродвигателя: наружное – к неподвижному подшипниковому щиту, внутреннее к валу-якорю.
-
Показано, что системой отсчета угловых перекосов осей колец и комплексных размеров беговых дорожек колец является единая обобщенная система координат двигателя – система координат комплекта основных конструкторских баз остова, выполняющего служебное назначение базирующей детали двигателя. Установлено, что угловые перекосы осей колец подшипника создаются отклонениями расположения базовых поверхностей всех деталей двигателя. Угловые перекосы вызывают уменьшение действующего диаметра беговой дорожки наружного кольца и увеличение действующего диаметра беговой дорожки внутреннего кольца подшипника, что в итоге приводит к уменьшению радиальных зазоров в подшипниках вплоть до образования натягов, что недопустимо по правилам эксплуатации: срок службы подшипника сокращается.
-
Доказано, что применение новой системы контроля геометрических величин на основе достоверных и запатентованных методов измерений отклонений расположений деталей, влияющих на перекосы осей колец подшипников и комплексные размеры беговых дорожек колец, с оценкой их влияния на основе математической модели и программы расчета, являются необходимым условием увеличения срока службы подшипниковых узлов и тягового электродвигателя в целом.
Личный вклад автора. Научные положения, представляемые к защите, получены непосредственно автором. Автором лично выполнен анализ линейных и угловых размерных цепей, обеспечивающих технические требования по эксплуатации роликовых подшипников тяговых электродвигателей; разработаны геометрические модели сопрягаемых деталей и сборочных единиц подшипниковых узлов; разработана структура и допуски комплексных размеров элементов деталей с учетом информативности и служебного назначения элементов; разработана математическая модель и программа влияния комплексных размеров сопрягаемых элементов деталей подшипниковых узлов на угол перекоса оси внутреннего кольца относительно оси наружного и радиальные зазоры в роликовых подшипниках; разработаны рекомендации по повышению срока службы подшипниковых узлов тяговых электродвигателей.
В соавторстве разработаны методы и методика измерений и оценки комплексных размеров деталей подшипниковых узлов тягового электродвигателя.
Публикации. По теме диссертации опубликовано восемь печатных работ, из которых одна - в рецензируемом научном журнале, и три - патенты Российской Федерации на полезные модели.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Основное содержание изложено на 122 с. печатного текста, включает 41 рисунок и 18 таблиц. Кроме этого имеются библиографический список из 116 наименований и два приложения. Общий объем работы составляет 166 с.
