ВЛИЯНИЕ ТРЕНИЯ НА НАГРУЖЕННОСТЬ деталей привода путевых машин

 

Зелинский В.В., Малясов В.В., Силин Л.В. (МИ ВлГУ, г. Муром, РФ)

 

The results of the friction influence on the load in railway equipment.

 

Опыт эксплуатации и ремонта путевых машин ВПР-02 и ВПР-1200, применяемых для выправки, подбивки и рихтовки железнодорожного полотна, показал, что преждевременные отказы в виде усталостных повреждений наблюдаются у деталей привода ходовых колес, воспринимающих сосредоточенные нагрузки и испытывающих высокие переменные и изгибные напряжения (зубчатые колеса, шлицевые соединения), а также у деталей с явно выраженным циклическим изменением напряжений по знакопеременному асимметричному циклу, передающих высокие крутящие моменты (валы промежуточных опор).

Традиционно повышение надежности и долговечности деталей стремятся обеспечить путем их упрочнения. Однако, как следует из основных направлений повышения надежности, для ее увеличения прежде всего должен быть обеспечен надлежащий запас прочности по напряжениям. При этом требуемый уровень запаса прочности может быть обеспечен и путем уменьшения действующих (рабочих) напряжений за счет снижения вредных сопротивлений при осуществлении работ.

Низкая долговечность из-за усталостных поломок (зубчатые колеса, валы) и повреждений поверхности (зубчатые колеса, шлицевые соединения), не соответствующая нормативам по техническим условиям, указывает на природу разрушений, основанную на малоцикловой усталости. Исходя из этого, с высокой степенью вероятности можно предполагать, что причиной отказов являются систематически повторяющиеся «пиковые» нагрузки кратковременного действия. То есть нагрузки такого уровня, который для данной конкретной (частной) ситуации обусловливает «перегрузку». Известно [1, 2], что у низколегированных и углеродистых сталей (в рассматриваемом случае - валы) циклически повторяющиеся напряжения, составляющие 0,7…0,8 разрушающего напряжения (предела выносливости), а у высоколегированных сталей (в рассматриваемом случае – зубчатые колеса) – составляющие 0,4…0,6 разрушающего напряжения, уже приводят к резкому расширению явлений сдвига внутри зерен материала с переходом на соседние зерна. При этом сдвиги интенсивно разрастаются, превращаясь в усталостную трещину при ограниченном числе циклов, которое может составлять не более 25% от общего ресурса детали. Порог трещинообразования снижается с укрупнением зерна.

Изучение всего многообразия условий нагружения деталей привода ходовых колес нагрузками различного происхождения показало, что наиболее опасным по малоцикловому разрушению является пуск при передвижении машины в условиях приподнятого участка пути (рабочий режим) специальными роликовыми захватами (РЗ). РЗ в количестве четырех штук закреплены на раме машины между второй и третьей колесными парами четырехосной платформы и могут поднимать путь на высоту до 100 мм. Передвижение машины в рабочем режиме представляет собой циклически повторяющиеся пуск (разгон) – движение с постоянной скоростью - торможение (замедление). Кратковременные «пиковые» нагрузки на детали привода ходовых колес  в период пуска,  возникают из-за преодоления сопротивления от трения во всех трущихся сопряжениях, а также преодоления сопротивления от сил инерции, приводимых в движение масс.

Анализ сил сопротивления в механизме привода ходовых колес показал, что при пуске преодолевается общая сила сопротивления , структура которой может быть представлена выражением

,                                (1)

где:  - сила сопротивления в ходовых колесах машины,  - сила сопротивления в РЗ,  - сила сопротивления инерционной нагрузке от приводимых в движении масс.

Представление сил сопротивления в аналитической форме и их детальный анализ показал, что наиболее значимой, изменяющейся в широком диапазоне и зависимой от технологии выполняемых работ является сила сопротивления в роликовых захватах . Было установлено, что вертикальная нагрузка в РЗ, определяющая уровень  через коэффициент трения, оказывает аналогичное влияние и на величину .

Использование основных теоретических положений механики машин и механизмов позволило получить аналитическое выражение для  в следующем виде

                         ,                                        (2)

где  - полная вертикальная нагрузка на РЗ от подвешенного участка пути,  угол отклонения рельса от горизонтали при подъеме,  - угол наклона нижней поверхности головки рельса,  - средний диаметр опорного пояса ролика в РЗ,  - коэффициент трения скольжения между роликом и рельсом,  - коэффициент трения в подшипниках качения оси роликов,  - диаметр цапфы оси роликов.

С учетом уравнения упругой линии, удельного веса рельса и шпал, геометрических размеров РЗ было получено выражение для определения полной вертикальной нагрузки  на роликовые захваты в виде

,                                            (3)

где:  - высота подъема пути,  - собственный вес одной шпалы с подкладками, крепежными скобами и болтами, l – длина поднимаемого участка пути, z – количество шпал в поднимаемом участке пути,  - погонный вес рельса,  - постоянный коэффициент, учитывающий модуль упругости рельсовой стали, момент инерции сечения рельса, длину поднимаемого участка пути и расстояние между роликовыми захватами вдоль рельса.

Анализ выражений (1), (2) и (3) показывает, что переменными факторами, оказывающими наибольшее влияние на , являются высота подъема пути  и коэффициент трения скольжения , влияющими однонаправленно. Расчеты применительно к рельсу Р65 с креплением на бетонных шпалах и путевой машине ВПР-02 позволили произвести оценку высоты подъема пути  на изменение относительных значений  составляющих ,  и  при пуске  в зависимости от величины коэффициента трения в РЗ (рисунок).

Рисунок - Влияние высоты подъема пути на относительные силы сопротивления: в роликовых захватах (1 – при 0,05; 2 – 0,1; 3 – 0,2; 4 – 0,3; 5 – 0,4; 6 – 0,5), в ходовых колесах машины  (7 – при всех значениях  ), от сил инерции  (8 – при всех )

 

 

Анализ результатов показал, что при пуске общая сила сопротивлений передвижению (пропорциональная нагрузке в деталях привода) и относительная доля сопротивлений РЗ в общей сумме сопротивлений в значительной мере определяются величиной коэффициента трения в контакте роликов РЗ с рельсом. При страгивании , поэтому относительная величина  достигает 60…70%. Оценка показала, что наиболее значимым из переменных технологических факторов является . Наиболее предпочтительно его поддержание при всех  в области , так как в этом случае доля  в общей сумме сопротивлений не превышает  сопротивлений в ходовых колесах и от сил инерции, минимизированных и заложенных на этапе конструирования и изготовления машины. Целенаправленно влиять фактором  на  не представляется возможным, так как его уровень определяется степенью «изношенности» (просадки) железнодорожного полотна. Поэтому роль фактора  в уровне  и  является важнейшей. Оценка также показала, что конструкторское и технологическое уменьшение  в РЗ может снизить нагрузки в деталях привода примерно в 2 раза.

Приведенные результаты позволили определить один из путей  повышения долговечности деталей привода ходовых колес путевых машин типа ВПР за счет обеспечения либо правильной  организации условий смазки контакта «сухого» трения между роликами РЗ и рельсом, либо рационализацией условий взаимодействия тел в контакте как на предприятиях по изготовлению, так и по ремонту путевых машин.

Литература

1.     Орлов П.И. Основы конструирования: Справочно-методическое пособие. В 2-х кн. Кн.1/Под ред. П.Н. Усачева. – Изд. 3-е, испр. – М.: Машиностроение, 1988. – 560 с.

2.     Серенсен С.В., Когаев В.П., Шнейдерович Р.М. Несущая способность и расчет деталей машин на прочность. Руководство и справочное пособие. Изд. 3-е/под ред. С.В. Серенсена. М.: Машиностроение, 1975. – 488 с.