ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ВАЛА ПРИВОДА ПУТЕВЫХ МАШИН ТИПА ВПР

 

Зелинский В.В., Лодыгина Н.Д., Безруков Д.В. (МИ ВлГУ, г.Муром, РФ)

 

The computational estimation of ways of a reliability augmentation traveling railway machines parts is set up in the article.

 

Анализ причин отказов путевых машин типа ВПР, применяемых для выправки, подбивки и рихтовки железнодорожного полотна, показал низкую надежность деталей привода ходовых колес машин. Наиболее часто происходит усталостная поломка вала промежуточной опоры (ПО) в месте напрессовки подшипников качения. Практика замены отказавших валов (вновь изготовленными дубликатами) в процессе ремонта на специализированном предприятии положительных результатов не дала. Поэтому перед ремонтным предприятием встала задача отыскания возможности повышения усталостной прочности изготовленного дубликата вала ПО доступными средствами. При этом исключался вариант, связанный с увеличением диаметра вала в месте поломки и требующий изменения конструкции всего узла ПО (что не входит в перечень допустимых ремонтных воздействий).

В соответствии с основными направлениями повышения надежности при усталостных разрушениях следует повышать коэффициент запаса выносливости  до обеспечения условия

,                                                                     (1)

где  – минимальный допускаемый коэффициент запаса выносливости, установленный на основе сопоставления расчетных и опытных результатов.

Из общих подходов к определению коэффициента запаса выносливости  следует, что он может быть увеличен по отношению к исходному (заводскому) исполнению вала без изменения его конструкции двумя вариантами:

1.    упрочнением вала в опасном сечении;

2.    уменьшением уровня вредных сопротивлений в общем балансе нагрузочных воздействий.

Для оценки обоих вариантов прежде всего был проведен расчетный анализ всех сил в механизме привода ходовых колес при максимальной полезной нагрузке во всем спектре технологических операций, выполняемых путевой машиной. Было выявлено, что из всего многообразия условий нагружения вала ПО наиболее опасным  по малоцикловому усталостному разрушению является циклически повторяющийся пуск-останов путевой машины в режиме подбивки шпал с приподнятым участком пути специальными роликовыми захватами (РЗ). Расчеты показали, что наиболее значимой и изменяющейся в широком диапазоне является сила сопротивления от трения в роликовых захватах , составляющая в момент пуска в общем балансе вредных сопротивлений 60…70%. [1].

Использование теоретических положений механики позволило получить аналитическое выражение для  в виде

,                               (2)

где  – полная вертикальная нагрузка на РЗ от приподнятого участка пути (учитывающая собственный вес шпал, рельсов с крепежными деталями и на­грузку от упругой деформации рельсов), отнесенная к единице линейной де­формации;  – величина упругой деформации (высота подъема участка пути);  – угол наклона приподнятого участка;  – угол наклона нижней поверхности головки рельса;  – коэффициент трения скольжения между роликами РЗ и рельсом;   – безразмерный коэффициент, учитывающий геометрию роликов и трение качения в подшипниках.

Из выражения (2) следует, что важнейшим фактором, оказывающим влияние на величину , является коэффициент трения скольжения  между роликами РЗ и рельсом.

Определение расчетного значения коэффициента запаса выносливости с использованием формулы (2) при  (что соответствует условиям пуска) применительно к исходному (заводскому) исполнению вала (Æ60 мм, сталь 40Х, упрочнение азотированием) и его сопоставление с условиями отказов вала позволило установить минимальное допускаемое значение .

Оценка уровня коэффициента запаса выносливости для дубликата вала ПО из осевой стали (ГОСТ 4008-89) без упрочнения (применяемый ремонтный вариант) применительно к условиям циклически повторяющихся пусков () позволила получить следующее:

1.     Используемая для дубликата осевая сталь по характеристикам сопротивления усталости не уступает стали 40Х.

2.     Обеспечение требуемого уровня коэффициента выносливости () при использовании осевой стали без упрочнения возможно лишь для диаметра вала в опасном сечении от 80 мм и более (на рисунке 1 диаметру 80 мм соответствует точка И).

Учитывая изложенное и исходя из условия “неизменности” конструкции ПО оценивалась возможность повышения выносливости вала по варианту 1, т.е. использованием дубликата вала из осевой стали, подвергнутого поверхностному упрочнению накатыванием. Накатывание валов давно зарекомендовало себя в практике ремонта как эффективное средство повышения усталостной прочности. [2,3].

Расчетные значения коэффициентов выносливости применительно к условиям пуска () для диаметра 60 мм с учетом упрочнения (в допустимых на практике пределах) представлены на рисунке 1 отрезком 2–3. Его расположение ниже горизонтали  показывает, что ни один из применяемых и проверенных на практике способов упрочнения (азотирование, накатывание и др.) не обеспечит валу с опасным сечением диаметром 60 мм требуемой выносливости. Лишь для диаметров от 65 мм и при значительном упрочнении () можно получить желаемый результат (отрезки вг и де). Из отмеченного следует, что применение только упрочнения для дубликата вала (Æ60 мм) из осевой стали надежность узла ПО не повысит.

 

Рисунок 1 – Влияние коэффициента трения  и упрочнения  на:

- коэффициент запаса выносливости вала из стали 40Х диаметром 60 мм (заштрихованная область – заводской вариант);

- коэффициент запаса выносливости вала из осевой стали с упрочнение накатыванием (вг - Æ65 мм, де - Æ70 мм) и без упрочнения (точка И - Æ80 мм)

 

Поэтому оценивалась возможность повышения выносливости вала по варианту 2: за счет уменьшения уровня вредных сопротивлений в режиме пуска машины с приподнятым участком пути. Проводилось расчетное определение уровней крутящих  и изгибающих  моментов при варьировании величиной силы сопротивления от трения в роликовых захватах  по уравнению (2) при предположении, что коэффициент трения скольжения  при пуске может быть снижен от 0,3 до 0,1. Расчеты показали, что при таком уменьшении  величины  и   уменьшаются в 1,52 раза и соответственно повышается коэффициент запаса выносливости . Влияние  на  с учетом упрочнения, характеризуемом коэффициентом , для валов различного диаметра представлено на рисунке 1. Заштрихованная область соответствует значениям  для вала с диаметром опасного сечения 60 мм при упрочнении азотированием (заводское исполнения вала).

Оценка возможности повышения выносливости вала ПО путем снижения вредных сопротивлений показала следующее:

1.     Снижение коэффициента трения скольжения в роликовых захватах при пуске в 2 раза (до ) позволит существенно повысить надежность вала ПО в заводской комплектации.

2.     Реально возможным способом повышения выносливости вала без изменения конструкции ПО является упрочнение вала накатыванием совместно с уменьшением коэффициента трения скольжения между роликами РЗ и рельсом при пуске путевой машины с приподнятым участком пути.

Обеспечение снижения трения в контакте роликов РЗ с рельсом как при ремонте, так и при создании путевых машин можно достичь организацией смазки контактирующих поверхностей с использованием твердых самосмазывающихся материалов.

Работа выполнялась в рамках хоздоговорной НИР – заказчик «Горьковская железная дорога» – филиал ОАО «Российские железные дороги».

 

Литература

1.    Зелинский В.В., Малясов В.В., Силин Л.В. Влияние трения на нагруженность деталей привода путевых машин // Новые материалы и технологии в машиностроении. Сб. науч. трудов / Под ред. Е.А. Памфилова.– Выпуск 3.– Брянск: БГИТА, 2004, с.33–36.

2.    Смелянский В.М. Механика упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием. – М.: Машиностроение, 2002. – 300с.

3.    Папшев Д.Д. Отделочно-упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием. – М.: Машиностроение, 1978. – 152с.