Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ изнашивания бандажей колес локомотивов 13
1.1 Краткий обзор публикаций по проблеме изнашивания бандажей колес локомотивов 13
1.2 Состояние и динамика износа бандажей колес в условиях эксплуатации 19
1.3 Постановка задач диссертационной работы 27
2 Причины и факторы изнашивания бандажей колес локомотивов 29
2.1 Характерные неисправности буксовых поводков 29
2.2 Анализ работоспособности элементов буксового поводка 36
2.3 Специфика работы резиновых деталей в конструкциях экипажной части локомотивов 37
2.4 Параметры технологического изнашивания бандажей 39
2.5 Выводы 43
3. Комплексная математическая модель многозвенной механической системы «тележка – буксовые поводки –буксовые узлы – гребни колесной пары – рельсовая колея» 45
3.1 Задачи моделирования комплексной математической модели многозвенной механической системы «тележка – буксовые поводки – буксовые узлы – гребни колесной пары – рельсовая колея» 45
3.2 Исследования кинематики движения колесных пар 52
3.2.1 Детализация, систематизация, обобщение и адаптация свойств циклоиды 55
3.3 Анализ механизма движения и взаимодействия железнодорожного колеса с рельсом 56
3.4 Метод определения скорости взаимодействия колеса с рельсом
3.4.1 Скорость взаимодействия колеса с рельсом 60
3.4.2 Кинематические параметры точки Б, расположенной на гребне бандажа 61
3.5 Выводы 64
4 Конструкторское и технологическое совершенствование буксового поводка 65
4.1 Методы повышения работоспособности буксовых поводков 65
4.2 Выбор и обоснование физическо-механических свойств материала шарниров 69
4.3 Метод обоснования выбора материала шарнира
4.3.1 Перемещения и деформации в цилиндрической системе координат 73
4.3.2 Тензор напряжений 75
4.3.3 Постановка задачи теории вязкоупругости в напряжениях и деформациях 77
4.3.4 Решение краевых задач вязкоупругости (в напряжениях и деформациях) с учетом статических и динамических воздействий
4.4 Расчет полиамидной втулки буксового поводка при различных силовых воздействиях на ее внутреннюю поверхность 84
4.5 Выводы 89
5 Экспериментальные исследования шарниров буксовых поводков 91
5.1 Эксплуатационные исследования шарниров буксовых поводков 91
5.2 Результаты поездных испытаний тепловоза 3ТЭ10МК 95
5.3 Лабораторно-стендовые испытания модернизированного буксового поводка 107
5.4 Результаты лабораторно-стендовых испытаний модернизированного буксового поводка 109
5.5 Выводы 110
6 Технология и функционально-стоимостный анализ эффективности модернизации буксовых поводков 112
6.1 Технология модернизации буксового поводка 112
6.2 Функционально-стоимостный анализ эффективности модернизации буксового поводка 112 6.2.1 Экономическая эффективность внедрения модернизированного буксового поводка 115
6.2.2 Экономическая эффективность от снижения стоимости ремонта одного
БП в процессе деповского ремонта в объемах ТР-3 и СР 116
6.3 Выводы 117
Заключение 118
Список сокращений и условных обозначений 120
Список литературы
- Состояние и динамика износа бандажей колес в условиях эксплуатации
- Специфика работы резиновых деталей в конструкциях экипажной части локомотивов
- Анализ механизма движения и взаимодействия железнодорожного колеса с рельсом
- Перемещения и деформации в цилиндрической системе координат
Введение к работе
Актуальность темы исследования. На полигоне железных дорог ОАО «РЖД» в течение двух десятилетий отмечается повышенная интенсивность изнашивания гребней колесных пар тягового подвижного состава (ТПС). Анализ опубликованных результатов исследований свидетельствует, что задачи изнашивания гребней колес ТПС с челюстными тележками успешно решались в течение многих десятилетий, а ресурс бандажей превышал 800 тыс. км пробега.
На современных локомотивах преимущественное распространение получили тележки поводкового типа, которые имеют 4-х поводковую связь с буксами колесно-моторных блоков (КМБ).
Теоретическими исследованиями и эксплуатационной практикой доказано, что в процессе эксплуатации нормативные параметры длины буксовых поводков (БП) (320±0,2 мм) не сохраняются. Основной причиной нарушения длины поводков является разрушение резиновых элементов, чем обеспечивается ненормированное продольное перемещение буксовых узлов тепловозов в пределах (320±14 мм). В то же время, долговечность шарниров и оценка влияния их состояния на изнашивание бандажей колесных пар ТПС до настоящего времени остается мало изученными.
Степень разработанности проблемы. В решения многочисленных задач изнашивания гребней и бандажей колесных пар подвижного состава, а также рельсовой колеи, внесли неоценимый вклад известные отечественные и зарубежные ученые и изыскатели. Однако, отдельные научные обоснования явления изнашивания гребней и бандажей колесных пар ТПС имеют весьма противоречивые толкования. В публикациях К.И. Домбров-ского, В.Б. Медель, С.М. Андриевского, А.И. Беляева, Л.П. Мелентьева, авторы предполагают, что изнашивание гребней колес имеет некоторую комплексную зависимость с предполагаемыми конструктивными решениями элементов оборудования экипажной части обобщенного подвижного
состава. Целенаправленный факторный анализ впервые был выполнен в работе А.Н. Теплякова. По результатам анализа установлено, что из ряда факторов главенствующим, определяющим изнашивание бандажей колес, является низкая долговечность обрезиненных шарниров буксовых поводков. Однако в этой работе не предложены решения, способствующие повышению долговечности шарниров буксовых поводков.
Целью диссертационной работы является повышение ресурса бандажей колесных пар локомотивов путем замены резины в поводковых шарнирах конструкционным материалом, который обеспечивает их долговечность и нормативную длину поводков в процессе эксплуатации.
Для достижения цели в диссертационной работе поставлены задачи:
-
изучить и систематизировать результаты опубликованных теоретических и экспериментальных исследований в области ресурса бандажей колес определяемого состоянием и типом тележек локомотивов;
-
систематизировать характерные неисправности буксовых поводков и их обрезиненных шарниров в условиях эксплуатации;
-
разработать комплексную математическую модель (КММ) многозвенной механической системы «тележка – буксовые поводки – буксовые узлы – гребни колесной пары – рельсовая колея», которая определяет трехмерное положение оси колесной пары в поводковой тележке локомотива в зависимости от линейных параметров буксовых поводков;
4. предложить метод оптимального расчета параметров шарниров
буксового поводка на основе композиционного материала, физико-
механические свойства которого соответствуют условиям работы по пере
даче тяговых и тормозных усилий от КМБ к поводковой раме тележки;
5. выполнить экспериментальные исследования шарниров буксовых
поводков из резины и конструкционного материала;
6. разработать технологические средства (приспособление, инстру
мент, инструкция) для формирования шарниров буксовых поводков на ос-
2
нове композиционного материала и выполнить функционально-стоимостный анализ (ФСА) эффективности замены резиновых элементов в шарнирах буксовых поводков на композиционный материал. Научная новизна работы заключается в следующем:
-
разработана комплексная математическая модель многозвенной механической системы «тележка – буксовые поводки – буксовые узлы – гребни колесной пары – рельсовая колея», на основе которой выполнено трехмерное положение оси колесной пары в поводковой тележке локомотива и гребней колесной пары относительно рельсов в зависимости от состояния шарниров;
-
предложен метод оптимального расчета параметров шарниров буксового поводка на основе композиционных материалов, используя теорию краевых задач вязкоупругости в напряжениях и деформациях с учетом реализуемых тяговых и тормозных силовых составляющих КМБ локомотивов.
Практическая значимость работы:
1. разработаны конструкторские и технологические решения шар
нирных соединений, которые сохраняют нормативные геометрические па
раметры (320±0,2 мм) 8-ми шарниров (4-х БП) каждого КМБ в межре
монтный период, исключая перекос КП в раме тележки, что обеспечивает
повышение ресурса колесных пар локомотивов;
2. на основе метода оптимального расчета параметров шарниров БП
получен теоретический и практический опыт:
– обоснования и выбора физико-механических свойств композиционного материала для работы в тяжело нагруженных шарнирах экипажной части;
– создания технологического процесса замены обрезиненных шарниров с меньшей себестоимостью в период текущих и средних деповских ремонтов.
3. предложен метод интегрального алгоритма коррекции ресурса бандажей, учитывающий характер их неисправностей (износ гребня, прокат, ползун, температурные раковины), количество обточек и глубину резания металла.
Объектом исследования являются шарниры буксовых поводков КМБ локомотива.
Предметом исследования являются средства и методы повышения работоспособности и долговечности буксовых поводков КМБ локомотивов.
Методы исследования. В процессе решения задач использованы методы: планирования экспериментов и математической статистики; ориентированной оценки пределов критических повреждений элементов буксовых поводков, определяющих механику взаимодействия колес с рельсами; математического и имитационного моделирования многозвенной механической системы «тележка – буксовые поводки – буксовые узлы – гребни колесной пары – рельсовая колея».
Математическая модель взаимодействия колес с рельсами выполнена на классических законах теоретической механики. Расчет параметров буксового поводка и полиамидных шарниров выполнен в постановке конечно-элементной осесимметричной модели с решением трехмерной динамической нелинейной задачи. Для расчета конечно-элементной модели буксового поводка использовались элементы анализа «Static Structural» и «Explicit Dynamics» программы «Ansys 14.5. Workbench».
Основные положения и результаты работы, выносимые на защиту:
1. комплексная математическая модель многозвенной механической системы «тележка – буксовые поводки – буксовые узлы – гребни колесной пары – рельсовая колея», дополненная специализированной математической подсистемой кинематики движения железнодорожного колеса, кото-4
рая позволяет идентифицировать положение буксовых узлов в поводковой тележке и характер взаимодействия профиля бандажа с рельсом, учитывая состояние шарниров;
2. метод оптимального расчета параметров шарниров буксовых поводков на основе композиционных материалов с использованием теории краевых задач вязкоупругости в напряжениях и деформациях с учетом реализуемых силовых составляющих КМБ локомотивов.
Достоверность научных положений и результатов обоснована теоретически и подтверждена экспериментальными исследованиями:
-
имитационного моделирования положения оси КП в тележке и рельсовой колее, в сопоставлении с экспериментальными данными опытных поездок, учитывая параметрическое состояние шарниров БП и других элементов экипажной части;
-
компьютерного моделирования деформации шарниров на основе композиционного материала с опытными данными, полученными при исследованиях на стенде, а также научно-обоснованной корректностью математических методов решаемых задач.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены: на международных научно-практических конференциях ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки, г. Хабаровск, ДВГУПС, 2007–2009 гг.; на всероссийских научно-практических конференциях с международным участием «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке», г. Хабаровск, ДВГУПС, 2011, 2013 гг.; на пятой международной научно-практической конференции, посвященной 40-летию начала строительства Байкало-Амурской магистрали «Транспортная инфраструктура Сибирского региона», г. Иркутск, 2014 г.; на девятой научно-практической конференции «Безопасность движения поездов», г. Москва, 2008 г.; на краевых конкурсах молодых учёных и аспирантов, г. Хабаровск,
ТОГУ, 2009, 2010, 2012 гг.; на расширенном заседание кафедры «Локомотивы» Дальневосточного государственного университета путей сообщения, г. Хабаровск, 2014 г.; на расширенном заседание кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство» Петербургского государственного университета путей сообщения, г. Санкт-Петербург, 2015 г.
Личный вклад соискателя. Автору принадлежит выполнение работ по математическому и компьютерному моделированию, проектированию и созданию лабораторных, опытно-эксплуатационных приспособлений и участие в выполнении экспериментов.
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 23 печатных работах, в том числе 4 статьях в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ. Получен патент № 146946 РФ, В61F5/26.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, шести глав, заключения с выводами, списка сокращений и условных обозначений, списка используемой литературы из 130 наименований и приложения. Текст диссертации изложен на 142 страницах, содержит 45 рисунков, 15 таблиц и 5 приложений.
Состояние и динамика износа бандажей колес в условиях эксплуатации
В решения многочисленных задач, определяемых проблемами взаимодействия колес подвижного состава и пути, неоценимый вклад внесли известные отечественные и зарубежные ученые и исследователи: В.Г. Альбрехт, С.М. Андриевский, С.В. Алехин, В.М. Богданов, А.И. Беляев, Н.Ф. Блидченко, Е.П. Блохин, А.А. Воробьев, М.Ф. Вериго, А.В. Горский, М.П. Гребенюк, А.Л. Голубенко, Т.К. Голутвина, К.И. Домбровский, В.Н. Иванов, И.П. Исаев, Н.Г. Кабенин, Л.И. Карамзин, В.А. Кислик, А.Я. Коган, Д.А. Курасов, С.М. Куценко, В.А. Лазарян, Т.В. Ларин, А.Л. Лисицын, Ю.М. Лужнов, М.М. Машнев, Н.Н. Меншутин, B.C. Наговицын, О.А. Некрасов, Н.А. Панькин, В.О. Певзнер, Ю.С. Ромен, А.Н. Савоськин, А.Н. Трофимов, Д.К. Чернов, В.Н. Шестаков, Н.П. Щапов, В.Ф. Яковлев, Д. Калкер, Н. Kraus, Т. Madejski, R. Muller, J. Scholten, Г. Захс, Ф. Фредерих и ряд других.
Возникавшие эксплуатационные проблемы с неисправностями колес подвижного состава и рельсов уже были в поле зрения первого министра путей сообщения П.П. Мельникова [1]. Известно также, что первые колесотокарные станки понадобились и были смонтированы в Царском Селе уже в 1844 г., на которых выполнялась обточка чугунных вагонных и паровозных колес. Колеса подвижного состава и рельсы приобретались в Бельгии, Голландии и Великобритании. В 1824 г., в России было начато строительство Александровского чугунолитейного завода (г. Петербург) и спустя годы завод был основным поставщиком колес для отечественных паровозов и вагонов. Одновременно на заводе велась большая работа по освоению технологии изготовления рельсов [2].
С первых десятилетий становления ж.-д. транспорта и эксплуатационной работы было организовано изучение долговечности колес подвижного состава и рельсов с анализом причин дефектов в различных климатических условиях России. В отчетах о их работоспособности выдвигались предположения, что появление дефектов обусловлено большими напряжениями на рабочих поверхностях. Предположения были положены в основу программ формирования требований на изготовление бандажей для паровозных колес «из лучшего железа» [3]. Такая общая формулировка свидетельствует о том, что ни в России, ни за рубежом не было еще достаточно опыта и знаний, чтобы обосновать требования (технические условия) металлургам на металл, пригодный для железнодорожных колес и рельсов. С целью разработки технических условий была создана особая Комиссия, которую возглавил видный ученый и представитель государственной власти, - В.И. Верховский [4]. В рабочих совещаниях Комиссии постоянно принимал участие виднейший металлург, почетный председатель Русского металлургического общества, профессор Д.К. Чернов.
По результатам обширных исследований работоспособности колес, изготовленных из металла с различными свойствами, работавших на различных железных дорогах Комиссия установила, что изготовлять бандажи необходимо из стали средней твердости. Повышенная твердость, по заключению Комиссии, резко уменьшала общий пробег подвижного состава между ремонтами бандажей.
Исследования Комиссии положили начало изучению, систематизации и установлению зависимостей между износом бандажей и их естественной твердостью, обусловленной химическим составом стали [5, 6].
Недолговечная работа бандажей колес подвижного состава того периода, приносившая большие финансовые убытки, наблюдалась на железных дорогах многих стран мира. Эти обстоятельства вызвали необходимость созыва в 1900 г., в Париже Международного конгресса по вопросу координации технологий изготовления более качественных бандажей. Очередное обсуждение качества бандажей проходило уже в России на XXIV «Совещательном съезде инженеров службы подвижного состава и тяги русских железных дорог» (1902 г.), где повторно обращалось внимание государственных, научных и организационно-практических структур на низкое качество бандажей и необходимость дальнейших исследований в плане повышения нормативных пределов прочности.
Решением этих задач стала практическая технология «отжига стали», предложенная профессорами А.Л. Бабошиным и А.Н. Митинским [7]. Следует отметить первые аналитические подходы Г. Юбелакера [8] и К.Ю. Цеглинского [9] к обоснованию «радиального давления колес на рельсы». Дальнейшее развитие гипотезы силового взаимодействия колес с рельсами получено в опубликованных работах [10, 11]. В этот же период были изданы работы зарубежных авторов, которые с позиции своих предположений дополняли их научно графо-аналитическими методами оценки взаимодействия подвижного состава и пути [8, 12]. Однако в этих публикациях рассмотрены весьма примерные и предполагаемые статические схемы взаимодействия колес с рельсами. Более правдоподобные объяснения причин, вызывающих неравномерное и интенсивное изнашивание бандажей паровозных ведущих колес, приведены в работах: В.Н. Иванова [13], С.В. Алехина [14], К.И. Домбровского [15], С.М. Андриевского [16]. В этих исследованиях систематизированы зависимости изнашивания бандажей от величины продольного и поперечного проскальзывания ведущих сочлененных колес паровозов, а также от конструкторских решений и соотношений параметров оборудования их экипажей. Профессор В.Н. Иванов впервые разработал методы кинематического моделирования экипажной части паровозов [13]. Аналитическими расчетами обосновано, что интенсивность изнашивания бандажей зависит, в первую очередь, от продольных зазоров между челюстями рамы паровоза и буксовыми узлами, зазоров в буксовых подшипниках, а также от зазоров в движущем дышловом механизме. Установлено, что зазоры в подшипниках букс и в дышловом механизме паровозов в сумме не должны превышать 1 мм. Результатами многолетней эксплуатационной практики доказано, что при увеличении зазоров, например до 2 мм, износ бандажей сочлененных ведущих колесных пар возрастает в 7,5 раз. Теоретические исследования В.Н. Иванова имеют сходимость с результатами экспериментальных данных полученных С.В. Алехиным [14], К.И. Домбровским [15], Т.В. Лариным [17]. Результаты этих аналитических и экспериментальных исследований были положены в основу нормативных документов (Правила ремонта паровозов) и методологии управления износом бандажей колес. Так, при обнаружении интенсивного износа гребня бандажа хотя бы одной ведущей КП, производилась регулировка положения буксовых узлов в челюстях рамы паровоза, чем и приостанавливался износ [13, 17]. Технология и методы регулировки положения КП в раме паровоза неукоснительно соблюдались. Например, на пассажирском паровозе с колесной формулой (2-4-2), серии П-36, буксы осей паровоза имели конические роликовые подшипники. Если при проверке оказывалось, что разность в размерах от контрольных упоров буксы и рамы правой и левой стороны больше 0,6 мм, то это был достоверный диагностический сигнал о критическом положении ведущей колесной пары, что она имеет недопустимый перекос, который следует устранить с доведением разницы в размерах не более 0,3 мм. Контрольные замеры положения колесных пар паровоза выполнялись ежемесячно [18].
Специфика работы резиновых деталей в конструкциях экипажной части локомотивов
Создатели и эксплуатационники ТПС оказались в неожиданном, но типичном на сети дорог состоянии-обобщенного интенсивного износа колес. Апогей явления физического и технологического износа бандажей колес локомотивов пришелся на 19951998 гг. Проблема взаимодействия колеса и рельса до настоящего времени волнует в равной степени работников многих инфраструктур железнодорожного хозяйства, но больше всего локомотивного, вагонного и путевого. Следует заметить, что разные интересы и разный уровень понимания и знания аспектов комплексной проблемы «колесо рельс» приводят к недоразумениям и неоправданным взаимным обвинениям в «научной недобросовестности» и принятых тех или иных «сомнительных» технических решений. Об этом свидетельствует дискуссия по проблеме «колесо рельс» проведенная на страницах отраслевой газеты «Гудок» в 2003 году. Научному сообществу необходимо было дать достоверные пояснения возникшему явлению. Однако, не смотря на имеющееся огромное количество научно-технической литературы по проблеме «колесо рельс» анализ показывает, что подходы исследователей к ней выражены некоторой спецификой их разноплановых целей и решаемых задач. Так, в работах: [25, 26, 4651, 55, 80] – основное внимание уделено изучению процессов взаимодействия рельсовой колеи и колес вагонов; [27–29] – приведены результаты экспериментальных исследований напряженного состояния колес и рельсов, методом и средствами фотоупругости; [57, 64] отмечены предположения о возможных влияниях конструктивных решений экипажной части на изнашивание гребней колес подвижного состава. Систематизированные многочисленные эксплуатационные данные износа колес тягового подвижного состава в соответствии с рисунками 1.1–1.6, а также характерные неисправности узлов и соединений экипажной части в соответствии с рисунками 2.1–2.8, целенаправленный инженерно-логический анализ в соответствии с рисунком 1.7, позволяют конкретизировать слабые конструкции оборудования экипажной части, оказывающие непосредственное влияние на изнашивание гребней колес в первую очередь. Из общего перечня причин и факторов заслуживают научного внимания буксовые поводки как непосредственные связи бесчелюстной рамы тележки с буксовыми узлами КМБ. Находясь на стадии только очевидных неисправностей этих конструкций в соответствии с рисунками 2.1–2.8 необходимо определить математические обоснования и закономерности, описывающие процессы взаимодействия элементов системы.
Эксплуатационной практикой неоднократно доказано, что достоинства аналога не подтверждаются при работе в условиях железных дорог сети. Механический перенос конструктивных решений на новые условия эксплуатации и технологии изготовления неприемлем. Эта ситуация неминуемо приводит к необходимости обоснованного физического и математического моделирования при решении проблемных и нетривиальных задач. Моделирование позволяет существенно снизить затраты труда и материалов, сэкономить финансовые средства и ускорить устранение общесетевой проблемы.
Раскрытие механизма взаимодействия или изнашивания позволяет анализировать влияние факторов, подбирать более стойкие материалы и определять область их применения. В этой связи необходимо: разработать методику расчета соединений рамы тележки с буксовыми узлами, которые по своим возможностям будут лишены недостатков предыдущих; выявить основные зависимости между критериями долговечности шарниров и параметрами, характеризующими конструкцию, технологию, режимы и условия эксплуатации локомотивов. Однако на данный момент не разработана методика расчета буксовых поводков на долговечность работы в структуре экипажной части, а имеются лишь отдельные примерные виды расчетов обрезиненных шарниров. Подходы к разработке методики на основе фундаментальных положений теории состоят в том, чтобы необходимо сохранить допустимую меру преемственности ранее принятых параметров модельных решений узлов.
В основу комплексной математической модели кинематики звеньев «КМБ -рама тележки» положен метод замкнутых векторных контуров, предложенный профессором В.А. Зиновьевым [81, 82]. Метод замкнутых контуров позволяет установить численные зависимости между переменными параметрами буксовых поводков и положением оси колесной пары, в бесчелюстной раме тепловоза по обобщенным координатам, в горизонтальной и вертикальной плоскости. Одновременно с положением оси колесной пары позиционируются гребни колесной пары по отношению к рельсовой колее. Для решения поставленной задачи выполнено уточнение идеализированного положения звеньев элементов экипажной части в соответствии с рисунком 3.1, при несвободном движении КМБ в прямых участках рельсовой колеи. Положение оси и перемещение буксовых узлов в горизонтальной продольной плоскости зависит от относительных параметров длины поводков.
Анализ механизма движения и взаимодействия железнодорожного колеса с рельсом
В рассматриваемом типовом конструкторском решении имеет место ряд факторов, усугубляющих работоспособность соединения. Во-первых, между валиком и корпусом поводка (ушком) расположены две детали: - стальная втулка, запрессованная в головку корпуса поводка с неконтролируемым натягом; - резиновая втулка, с разбросом твердости ±25 %, которая расположена между металлической втулкой и валиком, с примерным поджатием на 4850 %.
Систематизированные исследования [127] показывают, что прочность проушины быстро падает с увеличением диаметра отверстия. Если отношение диаметра отверстия к ширине (d /D) приближается к единице, то такое соединение представляет собой гибкую ленту и по выражению (4.4) наибольшая прочность получается при отношении — = 0,43. На прочность и долговечность подобных соединений заметное влияние оказывает форма головки. Прямоугольная форма головки уменьшает коэффициент концентрации по сравнению с полукруглой головкой. Влияние формы зависит от относительной высоты головки H/D: для больших значений H / D форма оказывает малое влияние на величину коэффициента концентрации; для средних значений H / D форма оказывает достаточно заметное влияние на коэффициент концентрации; при малых значениях H/D форма головки не установлена.
Выборочное сравнение коэффициента концентрации при различных формах головок соединения, по результатам исследований [128], приведены на рисунке 4.2. Kt=2,8 Kt=2,48 Kt=3,52 К=4,00 Как было отмечено ранее повышение работоспособности и долговечности головки поводка может быть достигнуто за счет полезных напряжений, введением в конструкцию дополнительной втулки с натягом. В работе [129] установлено, что при условии, когда болт (валик) неподвижен, то выносливость ушков увеличивается. В то же время в работе [130] приведено обоснование, что несколько большая выносливость получается при тугой посадке втулки, в сравнении с тугой посадкой болта. А определяющим фактором максимальных касательных напряжений на краях отверстия в поперечном сечении диаметра головки поводка, особенно при отсутствии натяга между втулкой и корпусом поводка, является характер нагрузки.
При нулевой нагрузке со стороны валика натяг сам по себе вызывает определенные касательные напряжения, но при увеличении нагрузки, устанавливается равновесие до определенного возрастания напряжений. Таким образом, весь эффект натяга заключается в увеличении среднего напряжения и уменьшении амплитуды напряжений в критическом сечении. Так как полезный эффект второго больше, то вред первого перекрывается, и выносливость возрастает. Радиальное давление, вызываемое натягом, исключает относительное движение в критических сечениях поперечного диаметра отверстия, препятствуя возникновению разрушений.
В силу того, что обрезиненные шарнирные соединения буксовых поводков имеют весьма низкую работоспособность и долговечность, то возникла необходимость исследовать и обосновать замену резины на конструкционные материалы, которые должны обладать следующими свойствами: - соединение «металлическая втулка - конструкционный материал -валик» должно обеспечивать равную прочность элементов при продолжительных периодах его эксплуатации; - обладать физическими, механическими и технологическими свойствами, которые позволяют снизить коэффициент концентрации напряжения и сохранять эти свойства при знакопеременной эксплуатационной нагрузке.
С использованием опыта первичных мероприятий в процессе создания долговечных узлов и деталей машин [101, 102] решались задачи: - изучение комплекса и достоверности условий и причин, определяющих несоответствие типовых изделий; - обоснование выбора перспективных материалов; - предварительный расчет конструкционных материалов на прочность и работоспособность; - целенаправленный мониторинг состояния опытных конструкторских решений в эксплуатационных условиях с анализом их влияния на динамику изменения состояния изделий; - разработка научно-обоснованных технологических предложений по изготовлению узлов и элементов буксовых поводков; - принятие и согласование организационных и технологических решений по обучению и сопровождению процесса модернизации буксовых поводков с заменой обрезиненных шарниров на конструкционный материал при деповских видах ремонта локомотивов; - корректировка документации, программы испытаний и сопровождение опытных и контрольных объектов в реальных условиях эксплуатации локомотивов. Типичное состояние узлов сопряжения рамы тележки с буксами, в соответствии с рисунками 2.12.6, обеспечивает нестабильную работу КМБ, повышает уровень динамических составляющих, воздействующих на элементы конструкций экипажной части локомотива и рельсовую колею. Приведенная систематизация неисправностей обрезиненных шарниров буксовых поводков четко ставит на свои места причины и следствия, приводящие к такому состоянию сопряжения, позволяет обратить внимание, прежде всего, на материал и наметить методы и средства повышения долговечности соединений в условиях эксплуатации.
Одним из путей повышения долговечности работы шарниров буксового поводка является использование износостойкого материала в паре трения «металл валика – конструкционный материал шарнира». Преимущество такой пары заключается в способности конструкционного материала в течение продолжительного эксплуатационного периода сохранять стабильные нормативные параметры конструкций. Однако в практике эксплуатации машин известно много примеров, когда положительно зарекомендовавшие себя конструктивные решения, приемлемые для одних условий и режимов работы, оказывались совершенно непригодными для других. Из ряда условий на первый план выходят антифрикционные характеристики материалов.
Выбор материала для применения в шарнирах пары «металл валика – конструкционный материал», выполнен на основе анализа физико-механических свойств, с учетом условий работы и эксплуатационных требований, предъявляемых к узлам экипажной части. В процессе анализа учитывалась стоимость материалов, их доступность, а также опыт применения в машиностроении и локомотивостроении.
Перемещения и деформации в цилиндрической системе координат
Анализ результатов регистрации продольных перемещений буксовых узлов показывает, что движение КП носит неустойчивый характер, а изменение линейных параметров становится стохастическим в интервале ±12 мм в прямых и кривых участках рельсовой колеи.
Данные непрерывных измерений и регистрации позволяют оценивать длительность процесса взаимодействия гребней бандажей КП с боковыми поверхностями головок рельсов на прямых и в кривых участках колеи.
Анализ полученных данных из таблицы 5.7 показывает, что максимальные (амплитудные) значения изменения длины БП превышают альбомные допуски в 40,6 раз (от 2 до 12 мм). Среднеэксплуатационная длина БП и соотношения их длины, определяющие перекос осей, составляет: - от 320 до 322 мм – 6 % от всего времени движения локомотива; - от 323 до 326 мм – 61 % от всего времени движения локомотива; - от 326,1 до 328 мм – 24 % от всего времени движения локомотива; - от 328,1 до 330 мм – 7 % от всего времени движения локомотива; - от 330,1 до 332 мм – 2 % от всего времени движения локомотива. Необходимо отметить, что различное техническое состояние обрезиненных шарниров, их продольная жесткость обеспечивают различные значения деформации и нестабильность геометрических параметров буксовых поводков. По совокупности факторов происходит перекос осей колесных пар в раме тележки. В момент реализации тягового усилия перекосы колесных пар обеспечивают изменение сил сцепления колес с рельсами. Анализ показывает, что кривые участки пути увеличивают износ бандажа на 13 %, а перекос КП по отношению к продольной оси рамы тележки локомотива, равный 2 мм, увеличивают износ бандажа на 14,5 %. При увеличении перекоса КП увеличивается угол набегания, что ведет к повышению интенсивности изнашивания гребней в 78 раз.
Методика исследований. Объектом испытаний является модернизированный БП. Выполняются непосредственные измерения, регистрация и архивирование изменения параметров длины БП с обрезиненными и модернизированными шарнирами в реальных лабораторных условиях.
Устройство стенда для определения деформаций модернизированных буксовых поводков в условиях лаборатории ДВГУПС. Стенд представлен в качестве универсальной машины Р-100 в соответствии с рисунками 5.6 и Д.1. Основные элементы исполнительной машины: подвижные траверсы 1; масляная станция 2 с механическим силоизмерителем 3 и кнопками управления 4; МИРС 5; ноутбук 6. Стенд позволяет определить зависимость изменения значений параметров длины БП деформации шарниров 7, от прикладываемых статических нагрузок на хвостовики его валиков.
Проведение эксперимента. Значения параметров длины БП по деформации шарниров определяют при радиальном их сжатии. Усилия, воздействующие на большой и малый валики, изменялись дискретно от 0 до 30000 Н. Замеры радиальных перемещений деформации резины и конструкционного материала втулок шарниров оценивали датчиком линейных перемещений 8 точность измерения, которого составляет 0,01 мм. Результаты измерений от датчика поступают в МИРС 5, где масштабируются, архивируются в базе протокольных данных по испытаниям. Характер деформирования шарниров визуализирован на дисплее МИРСа и на мониторе ноутбука 6. Задатчиком нагрузок служит гидравлическая станция 2. Величина нагрузки индицируется по шкале силоизмерителя 3, (шкала отградуирована в единицах нагрузки).
Результаты проведения лабораторно – стендовых испытаний буксового поводка по определению радиальных перемещений (сжимаемости) полиамидных втулок шарниров, представлены в таблице 5.8 и на рисунке 5.7.
Технология модернизации БП является «Ноу-хау» [111] для ремонтного производства, которым предусмотрено: 1. полное выполнение нормативных требований руководства по ремонту локомотивов [112, 113]; 2. конструктурско-технологические соотношения, которые обеспечивают долговечную работу БП в межремонтный период без разрушения; 3. в процессе замены резины на полиамид: - подготовка технологического оборудования, оснастки и инструментов для демонтажа, разборки, дефектации и сборки БП; - инструкция по модернизации БП и обучение рабочего персонала; - технологический процесс формирования полиамидных шарниров с учетом механических операций; - сопровождение технологического процесса. 6.2 Функционально-стоимостный анализ эффективности модернизации буксового поводка Проблема интенсивного износа ведущих КП ТПС в течение двух десятилетий сопровождается дополнительными затратами труда различной природы и капитала по многим инфраструктурам. Обеспечение безопасности движения поездов в свою очередь требует дополнительных трудовых, организационно-штатных и эксплуатационных расходов. Структура затрат формируется из нескольких технических и технологических составляющих: 1. простой локомотивов на неплановых ремонтах (ТО-4) из-за неисправностей колесных пар, требующих восстановления профиля бандажа или переподкатки КМБ. Функционально-стоимостный анализ затрат, приведенных к усредненному значению на 10000 обточек КП состоит из следующих пунктов: