Читайте также: |
|
В этой связи хочется разобраться - стоило ли отказываться от отработанных и практически хорошо работающих узлов на подшипниках скольжения. Об этом приходится вспоминать, поскольку, как нам представляется, причины перевода на подшипники качения в те времена и на кассетные – сейчас, в общем-то, родственны. Тогда мы еще слабо себе представляли, что такое реклама и многие научные публикации воспринимались нами честно, без подвоха. Сейчас же мы уже знаем, как может работать реклама, и какой она может быть, для того, чтобы продать свой продукт.
На сегодня теория трения разработана недостаточно. Однако все сошлись на том, что:
1) существуют трение скольжение, которое возникает при смещении соприкасающихся тел без промежуточных тел между ними; трение качения, когда между телами при их относительном перемещении находятся промежуточные тела вращения, и трение верчения, при котором к вращательному перемещению одного из тел добавляется еще его относительное линейное перемещение;
2) в машиностроении используют трение скольжения и качения и соответствующие им подшипники;
3) трение скольжения может быть сухим, когда между трущимися парами отсутствует смазка и гидродинамическим, - при наличии смазки (см. рис. 1.35);
Рис. 1.35. Разновидности трения скольжения: I – смазки нет, сухое трение;
II – часть поверхности смазывается, полусухое трение; III – толщина смазочного
слоя равна высоте микронеровностей, полужидкостное трение: IV – слой смазки превышает высоту микронеровностей, жидкостное трение
4) в подшипниках скольжения встречаются три вида трения: жидкостное, полужидкостное и полусухое [8].
При жидкостном трении поверхности оси и подшипника разделены сплошной масляной пленкой; непосредственного трения между металлическими поверхностями нет. Коэффициент жидкостного трения малый (ƒ ≈ 0,001), потери на трение и тепловыделение в подшипнике небольшие, износ практически отсутствует. Поэтому жидкостное трение рассматривается, как наиболее благоприятное для работы подшипников скольжения.
Обязательным условием жидкостного трения является наличие смазки в зоне трения. В вагонах, в нижней части корпуса букс есть специальный резервуар для жидкой смазки (рис. 1.36). В него опускаются специальные фитили смазочной подушки, которая прижимается к нижней части поверхности шейки. По капиллярам шерстяных фитилей смазка поднимается и смачивает подушкой-польстером нижнюю поверхность шейки оси (рис. 1.34, 1.36, 1.37). Вращаясь, смоченная смазкой шейка оси, за счет вязкости увлекает ее под подшипник. Из-за несжимаемости жидкости и при постоянном поступлении ее под подшипник между подшипником и осью образуется масляный слой, который приподнимает его над поверхностью оси. Это состояние будет поддерживаться до тех пор, пока слой смазки не исчезнет, т.е. пока шейка вращается и она смочена смазкой. При исчезновении этих условий смазка будет выдавливаться из-под подшипника и жидкостное трение будет последовательно превращаться сначала в полужидкостное, а затем и в полусухое.
|
|
На вагоне, простоявшем более 20 минут, смазка полностью вытекает из-под подшипников и в последующем между шейкой оси и подшипником скольжения устанавливается сухое трение. Для начала движения такого вагона нужно преодолеть состояние покоя, сухое трение в подшипниковом узле, направить смазку под подшипник и удерживать ее там до образования масляного слоя. На все это требуются большие усилия и время.
При полужидкостном трении коэффициент трения составляет ƒ = 0,01…0,03; он больше, чем при жидкостном; возрастают и тепловыделения от трения. Переход от жидкостного трения к полужидкостному, характеризуется резким увеличением коэффициента трения (см. рис. 1.38).
При полусухом трении смазка находится на металлических поверхностях только в виде адсорбированной пленки. Коэффициент трения увеличивается до ƒ = 0,1…0,2; еще больше выделяется тепла. Появляется угроза воспламенения смазки, если она есть в корпусе буксы.
|
Подшипники скольжения могут нести большие нагрузки при высокой частоте вращения, обладают высокой демпфирующей способностью в расчете на цикловые и ударные нагрузки, они просты, их долговечность не зависит от частоты вращения, бесшумны, дешевы в производстве и эксплуатации.
Широкому применению подшипников качения способствовала реклама их преимуществ перед подшипниками скольжения: уменьшение удельного сопротивления движению; снижение в 7 – 10 раз сопротивления троганию с места; более надежные условия работы подшипникового узла; уменьшение эксплуатационных затрат.
Однако не все ожидания от применения подшипников качения в вагонах оправдались:
- затраты на преодоление сил покоя и усилий на выход подшипников качения на оптимальный режим достижения минимального трения действительно оказались меньше. Однако, отдельно стоящие вагоны на подшипниках качения из-за малых сил покоя под воздействием внешних воздействий (ветровая нагрузка, гравитационные силы, другие несанкционированные внешние воздействия и пр.) могли самопроизвольно приходить в движение. Для недопущения этого потребовалось вновь устанавливать на вагоны стояночные тормоза и обеспечивать их переходными площадками. Это дополнительные, непредвиденные затраты;
- уменьшились случаи грения и возгорания букс, если сборка букс производилась в заводских условиях (как сейчас у букс с кассетными подшипниками), но проявились случаи разрушения подшипников, если они ремонтировались и собирались в условиях ремонтного производства небольших предприятий;
- подшипники качения хорошо работают в стационарных условиях. Поведение же колесной пары во время движения к стационарным, устойчивым никак не относится. Поэтому в буксах с подшипниками качения существует проблема компромисса между сложной динамикой внешнего поведения колесной пары и нагружения и необходимостью жесткого закрепления подшипников в буксе;
- подшипниковые узлы качения дороже аналогичных, скольжения (примерно в 10 раз), больше и эксплуатационные затраты на их содержание (необходимость оборудования качественно иной оснастки; для его обслуживания требуется персонал, повышенной квалификации; затраты на переоборудование ходовых частей под подшипники качения, ликвидация существовавшей ремонтной сети предприятий на сети железных дорог и т.д.);
- кроме того, подшипники качения имеют: большое рассеивание по срокам службы; высокую стоимость; большие радиальные размеры и массу; издают больший шум во время работы; сложности в установке и монтаже подшипниковых узлов, повышенную чувствительность к неточностям установки, металлический контакт между телами качения и кольцами, у них отсутствует демпфирование колебаний нагрузки; долговечность подшипников качения резко падает с увеличением нагрузки и зависит от частоты вращения подшипника (у подшипников скольжения она не зависит от них); ограниченный ресурс при больших скоростях. Энергетические потери в подшипниках качения определяются гистерезисными явлениями при деформации материала в зоне контакта тел качения и беговых дорожек; проскальзыванием роликов и скольжением их от сдвигов и перекосов колец подшипника; скольжением сепаратора по бортам колец; сопротивлением смазки; условиями внешней среды и др.
Как видно, подшипники качения работают в более сложных, динамичных условиях железных дорог. Они требуют к себе внимательного и уважительного отношения.
Перевод вагонного парка страны на подшипники качения стоил около $10 млрд., но нет данных о том, получен ли был от этого экономический эффект. Однако опосредовано, по резко возросшей цене готовых вагонов (см. [1]) можно заключить, что положительным его не назовешь. С точки зрения развития науки все эти затраты оправданы, а с позиций экономики – вряд ли. Нам представляется, что сегодня подшипники качения в вагоностроении подобны автомату Калашникова в армии и ЕГЭ в школе – отказываться от них тяжелее, чем терпеть.
Подшипники качения обычно состоят из двух колец, обойм, сепаратора и тел качения (рис. 1. 39. Подшипник смазывается консистентной смазкой. Для защиты от загрязнений они защищаются различными уплотнениями.
В подшипниках качения происходит передача внешнего усилия с одного кольца на другое через элементы качения. В зависимости от основного направления нагрузки подшипники бывают радиальными и осевыми (упорными). Они являются готовыми к установке компонентами машин.
Установка колец в буксах является важной операцией. Подшипники не должны проскальзывать в месте посадки. Этому способствует выбор посадок и допусков с тем, чтобы нагрузочная способность подшипника использовалась в полной мере. Для подшипников качения применяют свободную, переходную или с натягом посадки (рис.1.40).
|
Подшипники качения устанавливают на валу по системе отверстия, а в корпусе – по системе вала.
При назначении посадок необходимо учитывать:
- тип подшипника;
- окружную скорость;
- величину и характер нагрузки на подшипник (постоянная или переменная по величине и направлению, спокойная или ударная);
|
- жесткость вала и корпуса;
- характер температурных деформаций системы (увеличение или умень-шение плотности посадки при рабочих температурах);
- способ крепления подшипника (с затяжкой или без нее);
- удобство установки и демонтажа.
Как правило, посадки должны быть тем плотнее, чем тяжелее условия работы, диапазон ее колебаний, скорость изменения и степень динамичности нагрузки.
Посадки с натягом предупреждают проворачивание обойм на посадочных поверхностях, смятие, разбивание и фрикционную коррозию поверхностей. Проворачивание обойм происходит в результате уменьшения трения между обоймой и посадочной поверхностью. Это случается из-за вибраций, сминаний микронеровностей посадочных поверхностей под нагрузкой, а также от расширения корпусов при нагреве.
Большие натяги усложняют установку и демонтаж подшипников, увеличивают напряжения в обоймах, могут вызвать защемление тел качения и перегрев подшипника.
Целесообразнее подвергать тяжело нагруженные обоймы осевой затяжке, которая не приводит к перенапряжению подшипников и облегчает их установку. Поэтому тогда, когда есть возможность, следует использовать затяжку тяжело нагруженных обойм; во всех других случаях - целесообразны посадки с натягами.
Большое значение при установке имеет шероховатость и точность обработки посадочных поверхностей. Сминание микронеровностей, остающихся при обработке, вызывает быструю потерю первоначальных натягов и увеличение зазоров. Посадочные поверхности для подшипников классов Н, П, В обрабатывают на валах до параметров шероховатости Ra = 0,08 ÷ 0,32 мкм, в корпусах – до Ra = 0,16 ÷ 0,63 мкм. Для подшипников более высокой точности параметров шероховатости ниже.
Овальность и конусность для подшипников класса Н, П, В допускаетсяне более 0,5. Несоосность посадочных поверхностей в парных установках не более 0,01 – 0,02 мм.
Для правильного выбора посадки крайне важно знать условия нагрузки колец:
- при совпадении направлении вращения и нагрузки кольцо должно быть плотно посажено;
- при неподвижном кольце относительно нагрузки оно может быть установлено с плотной подвижной посадкой или посадкой с натягом.
Вследствие малой толщины колец изменения формы посадочных мест передаются на дорожки качения. Отсюда следует, что сопряженные части должны быть, как можно лучше обработаны.
Нагрузочная способность подшипника качения зависит от статической и динамической грузоподъемности (см. стандарты ISO 76 и 281), а долговечность Lna определяется условиями эксплуатации:
Lna = a1 a2 a3 L10,
где a1 – вероятностный коэффициент; a2 – коэффициент, учитывающий особенности конструкции подшипника; a3 – коэффициент, учитывающий условия эксплуатации подшипника (смазка и рабочая температура); L10 – номинальная долговечность, достигшая или превысившая 90% ресурса идентичных подшипников из одной большой партии.
Поскольку коэффициенты a2 и a3 в общем случае не являются независимыми, они часто объединяются в обобщенный коэффициент трения а23:
Lna = a1 a23 L10.
Многочисленные систематические исследования и практический опыт дали возможность оценивать влияние материалов и условий эксплуатации на достижимый срок службы подшипников качения. Продуценты подшипников дают диаграммы и компьютерные программы вычислений коэффициентов a2 a3 и a23.
Все выше приведенное показывает, насколько многогранны требования для нормальной работы подшипников качения. С этой точки зрения они несопоставимо больше тех, которые предлагаются для подшипников скольжения.
В начале в вагоностроении использовались цилиндрические, конические и сферические ролики. Однако затем наибольшее распространение получили подшипники качения с цилиндрическими роликами, так как:
- долговечность таких подшипников в 6 – 8 раз выше, чем сферических;
- коэффициент трения качения цилиндрических роликов в 3 – 5 раз ниже, чем сферических;
- вагонные подшипники используются в основном для небольших окружных скоростей (в пределах 7 – 10 об/с);
- по стоимости они наиболее дешевые из всех других подшипников качения.
Однако подшипники с цилиндрическими роликами хуже воспринимают осевые нагрузки.
В практике вагоностроения в корпус буксы обычно размещают два подшипника качения. Они одинаковы для грузовых и пассажирских вагонов. Это радиальные однорядные подшипники с короткими цилиндрическими роликами размером 130×250×80 мм (рис. 1.41).
|
Особенности элементов подшипника таковы, что ролики имеют форму цилиндра. Ею хорошо воспринимается радиальная нагрузка, а осевая — торцами роликов.
Наружные кольца одинаковые для переднего и заднего подшипника. Они плотно входят в корпуса букс, Их внутренняя поверхность образует дорожку качения для роликов.
Внутреннее кольцо переднего подшипника выполняется без бортов, а заднего, - со стороны колеса с бортом. Первый, - не воспринимает осевую нагрузку, а второй, - воспринимает, но только со стороны борта.
Внутреннее кольцо устанавливается на шейку оси с натягом, а наружное вставляется в корпус буксы — свободно. Вращение шейки оси вместе с внутренним кольцом подшипника вызывает вращение роликов и их перекатывание по дорожкам качения. Свободное перемещение роликов обеспечивается наличием радиального и осевого зазоров.
Сепаратор (лат. sēparāre отделять – часть подшипника качения, удерживать тела качения на одинаковом расстоянии друг от друга) представляет собой кольцо из латуни или пластмассы с окнами для роликов.
Цилиндрические подшипники, применяемые в вагонах, выполняются разъемными: наружное кольцо, сепаратор, ролики образуют отдельный блок. Он свободно снимается и надевается на внутреннее кольцо. Такая конструкция упрощает технологию монтажа и демонтажа буксового узла.
При монтаже все усилия прикладываются только к внутренней обойме, если она установлена с натягом. Воздействовать на другую обойму нельзя, так как в этом случае могут быть повреждены тела качения и беговые дорожки.
Неразборные подшипники качения укрепляются на шейке оси на втулочной посадке, а разборные - на тепловой и прессовой.
Промышленность выпускает подшипники с коническим внутренним отверстием (конусность 1:12, центральный угол конуса α ≈ 5о) для установки с помощью разрезной закрепительной втулки с конической наружной и цилиндрической внутренней поверхностями (рис. 1.42).
|
Подшипник укрепляется втулкой за счет натяга между внутренней поверхностью подшипника и осью.
При таком закреплении:
- ухудшается центровка оси из-за наличия дополнительной посадочной поверхности;
- возможна перетяжка подшипника, которая уменьшает зазор между телами качения и кольцами/обоймами, что может быть причиной их заклинивания;
- положение подшипника на оси/валу при затяжке изменяется из-за упругой деформации обоймы, а при последующих затяжках – сминаются опорные поверхности;
- подшипники не способны на восприятие осевых сил, направленные в сторону бóльшего диаметра конуса; это приводит защемлению тел качения;
- происходит увеличение усилия запрессовки и напряженного состояния оси из-за наличия двух сопрягающихся пар;
- приводит к различным деформациям внутреннего кольца по ширине от напрессовочных усилий, увеличению контактных напряжений и изменениям поверхности качения из-за переменной жесткости внутренних колец;
- увеличивается стоимость подшипника из-за наличия втулки и из-за необходимости создавать коническую форму поверхности внутреннего кольца.
Для разборных подшипников (рис.1.39) используют тепловую посадку внутреннего кольца. При монтаже его нагревают до температуры 100 - 120 °С и свободно надеваются на шейку. После остывания внутреннее кольцо и шейка плотно обхватывают друг друга. Горячая посадка наиболее целесообразна для подшипников с цилиндрическими роликами.
Наружное кольцо подшипника устанавливается свободно в корпус буксы. От осевого перемещения оно удерживается со стороны колеса корпусом буксы, а с внешней, – передней крепительной крышкой.
Прессовая посадка применяется для установки внутренних колец конических подшипников кассетного типа в тележках вагонов нового поколения. Сущность такого буксового узла состоит в том, что он выполняется из нескольких частей: адаптера; полимерной износостойкой вставки на адаптер и кассетного подшипника. Полимерная износостойкая вставка взаимодействует с опорной поверхностью боковой рамы тележки и предохраняет адаптер от чрезмерных износов. Адаптер выполняет роль верхней части обычного корпуса буксы, т. е. перераспределяет нагрузки от боковой рамы тележки на подшипники и имеет приливы для ограничения продольных, поперечных и угловых смещений колесной пары относительно рамы тележки (рис.1.43).
Подшипниковый кассетный узел состоит из двухрядного подшипника с коническими роликами, единого наружного кольца, выполняющего роль корпуса буксы, и двух внутренних. Положение подшипника на шейке оси фиксируется передней и задней крепительными крышками, а также тремя упорными кольцами, передним, средним дистанционным и задним. Задняя крепительная крышка за счет натяга имеет тугую посадку на шейке оси, а передняя - крепится к торцу оси болтами.
Кассетные подшипники напрессовываются на шейки осей в холодном состоянии. Они имеют встроенные уплотнения, заправлены смазкой и отрегулированы по зазорам на заводе-изготовителе; в процессе эксплуатации добавление смазки не производится. Все наружные поверхности подшипников имеют антикоррозионное покрытие (фосфатирование).
Гарантийный срок эксплуатации подшипников кассетного типа в подшипниковых узлах вагонов при соблюдении правил, транспортирования, хранения, монтажа и эксплуатации составляет не менее 8 лет с момента монтажа
|
и истекает при первом демонтаже подшипника или после пробега 1 млн. 200 тыс. км. На ремонтных предприятиях ОАО "РЖД" при проведении обыкновенного и полного освидетельствования колесных парразборка и ремонт таких подшипников не допускается. Разборка и ремонт подшипников осуществляется только в специальных сервисных центрах продуцентов подшипников.
ОАО ВНИИЖТ, Волжский подшипниковый завод и НПК Уралвагонзавод установили, что в условиях России в кассетных подшипниках лучше работают не конические, а цилиндрические ролики. У них: более низкая температура нагрева (30 – 40 оС) и в 1,5 раза больше долговечность. Начата их опытная эксплуатация.
1.4.4. Смазка
Смазочные материалы обеспечивают:
- разделение поверхностей перемещающихся друг относительно друга деталей;
- уменьшают силу трения и износ деталей;
- способствуют охлаждению и герметизации взаимодействующих деталей;
- замедлению коррозии и снижению уровня шума.
Смазочные материалы могут быть в твердом, пластичном, жидком или газообразном виде.
Для улучшения технических характеристик смазочных материалов в них добавляют различные присадки, изменяющие их физические (вязкость, реологию) и химические (замедление окисления и коррозии) свойства, а также свойства трущихся пар (уменьшают коэффициент трения, предохраняют поверхности трения от изнашивания, защищают их от заедания и задиров).
На сегодня существует целая индустрия, связанная со смазочными материалами, известны и применяются разнообразные специальные и универсальные материалы.
В буксах с подшипниками скольжения 1 (рис.1.34) использовалась жидкая смазка на основе мазута (тюрк. mazut отбросы – густая маслянистая жидкость коричнево-черного цвета остается после атмосферной перегонки нефти плотностью 890 – 1000 кг/м2, низшей теплотой сгорания около 40 МДж/кг). Для нее в буксе было предусмотрено специальное корыто, в которое опускались фитили смазочной подушки, польстера. Уровень смазки в буксе постоянно поддерживался путем добавления ее на остановочных пунктах. Для сохранения условий жидкостного трения, независящего от внешней температуры, приходилось весной и осенью производить замену смазки на соответствующую летним и зимним температурам. При соблюдении технологии использования эта смазка обеспечивала условия жидкостного трения в подшипниковом узле.
В корпусах 2…6 (рис.1.34) букс с подшипниками качения применяется консистентная смазка, для которой не нужен специальный смазочный узел. Смазкой определенного состава и количества заполняется свободное пространство в корпусе буксы. Заметим, что при небольших окружных скоростях (до 400 об/мин) эти смазки (консистентные) ведут себя неплохо. При больших скоростях (более 1700 об/мин., 300 км/ч) они создают повышенное сопротивление перекатыванию роликов, которое в целом превышает жидкостное трение подшипников скольжения. Поэтому и сейчас в высокооборотных системах используются подшипники скольжения.
В буксовых узлах с роликовыми подшипниками используется технический вазелин (греч. èlaion оливковое масло – однородная смесь минерального масла и твердых углеводородов (парафина, церезина, петролатума); вязкий продукт, плотность 870 – 885 кг/м3, t пл 37 – 52 оС), специальная железнодорожная антифрикционная смазка ЛЗ-ЦНИИ (ГОСТ 19791-74) или ЛЗ-ЦНИИ (у) (ТУ 0254-013-00114820-99), представляющая собой по своему составу однородное маловязкое нефтяное масло, загущенное натриево-кальциевым мылом кислот касторового масла и содержащее антиокислительную и противоюзную присадки. Эта смазка желтого цвета со светлыми или темными оттенками с температурой каплепадения не ниже 125 – 130 оС. Она обладает хорошими противоизносовыми и противозадирными качествами. Однако эта смазка склонна к термоупрочнению, т.е. значительно увеличивает свою вязкость при низких температурах, что приводит к дополнительным энергетическим затратам при трогании поезда с места и во время движения; в смеси с некоторыми химическими веществами образует агрессивные среды, приводящие к коррозии подшипников, а также у нее недостаточные консервационные свойства.
У смазки ЛЗ-ЦНИИ слабая водостойкость. Она подвергается обводнению – увеличению допустимой массовой доли воды в составе смазывающего материала. Вода проникает в буксу через неплотности в уплотнениях, как в обычных условиях, так и при обмывке в моечных машинах. Установлено, что в смазке содержит до 5% воды. Обводненность можно установить визуально по изменению ее цвета (она вместо темно-желтого цвета становится белой), по выбросам ее из буксы через лабиринтное уплотнение, неплотности смотровых и крепительных крышек.
Вода присутствует в смазке в виде кристаллогидратов, газовых гидратов и в эмульсионном (свободном капельном виде). Особенно опасная свободная вода, которая при отрицательных температурах застывает, образуя кристаллы льда. В осенний и весенний периоды, когда температура окружающей среды колеблется от «плюса» днем до «минуса» ночью и при высокой относительной влажности, влага выделяется в жидкую фазу. Вода в смазке может привести к образованию контактно - усталостных трещин в зонах контакта ролика с кольцом во время длительных стоянок подвижного состава.
Отмеченные выше недостатки смазки ЛЗ-ЦНИИ были устранены в гидрофобной литиевой смазке БУКСОЛ, разработанной ОАО ВНИИЖТ и Кусковским заводом консистентных смазок. Благодаря специальным присадкам эта смазка обладает повышенными антифрикционными и защитными свойствами. Она предназначена для работы при изменении температурного режима окружающей среды в пределах ± 60 оС (допускается ее использование при температуре до + 120 оС).
Пластичные (густые) смазки более легки в обслуживании, меньше расходуются, удобны в применении в труднодоступных местах, куда закладываются при сборке, заполняют и герметизируют зазоры. Их недостаток в том, что в конструкции требуется предусматривать специальные полости. Эту полость первоначально заполняют на 2/3 объёма при n £ 1500 об/мин или на 1/2 объёма при n > 1500 об/мин. В дальнейшем обычно через каждые шесть месяцев производят ревизию букс, добавляют свежую смазку, а через год или при очередном деповском ремонте её меняют с предварительной разборкой и промывкой буксового узла.
Новый взгляд на смазки подшипников буксовых узлов дают концерны SKF (Швеция), Вгепсо (США) и другие разрабатывающие и производящие кассетные роликовые подшипники для работы на железных дорогах России в пассажирских вагонах со скоростью движения до 200 км/ч и в грузовых с увеличенными осевыми нагрузками (до 27 тс/ось). Кассетный буксовый узел представляет собой готовую к установке конструкцию, отрегулированную на заводе-изготовителе, заправленную смазкой и снабженную внутренними уплотнениями. Он имеет меньшие размеры и массу (55 кг), чем типовой буксовый узел (105 кг), а также требует в 2 раза меньшее количество смазки на заправку узла и достаточно высокую гарантию (см.п. 1.4.4).
Здесь следует отметить, что в этой области, как ни в какой, присутствуют и охраняются секреты состава, технологий и организации производства смазок.
Дата добавления: 2015-07-11; просмотров: 323 | Нарушение авторских прав
<== предыдущая страница | | | следующая страница ==> |
ISBN 5-7641-0116-6 4 страница | | | ISBN 5-7641-0116-6 6 страница |