3_Gaydamaka.doc Випробування на знос деталей роликопідшипників важких режимів експлуатації. 1. Способи та обладнання Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 1 19 Гайдамака А.В. Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, м. Харків, Україна ВИПРОБУВАННЯ НА ЗНОС ДЕТАЛЕЙ РОЛИКОПІДШИПНИКІВ ВАЖКИХ РЕЖИМІВ ЕКСПЛУАТАЦІЇ. 1. СПОСОБИ ТА ОБЛАДНАННЯ Актуальність проблеми Для роликопідшипників важких режимів експлуатації характерні значні радіальні Fr ≥ 0,1 Cr (Cr – динамічна вантажність) та осьові Fa ≤ Fr сили, частоти обертання n ≤ 0,3 nгран (nгран – гранична ка- таложна частота), прискорення вузла a ≤ 50 g (g – прискорення вільного падіння), висока забрудненість середовища, та інші фактори [1]. До цієї групи підшипників відносять циліндричні, сферичні, конічні однорядні та дворядні конічні роликопідшипники буксових вузлів колісних пар залізничних вагонів та локомотивів. Найбільш масові − циліндричні роликопідшипники букс колісних пар вагонів мають недос- татню надійність [2], особливо, за критерієм зносостійкості (рис. 1). Рис. 1 – Розподіл пошкоджень роликопідшипників типу 2726: 1 – втомні пошкодження кілець та роликів; 2 – корозійні пошкодження кілець та роликів; 3 – тріщини кілець та роликів; 4 – знос та порушення розчеканки латунного сепаратора; 5 – знос торців роликів та бортів кілець; 6 – інші пошкодження Дослідні дворядні конічні роликопідшипники, які встановлюють останнім часом у буксових вуз- лах колісних пар вантажних вагонів Укрзалізниці виявились також далекі від досконалих через підвищене нагрівання в експлуатації в порівнянні навіть з типовими однорядними циліндричними. Аналогічні проблеми виникають і в російських залізничних вагонах [3], що обладнані дворядними конічними роликопідшипниками (рис. 2). Рис. 2 – Середні значення рівней нагрівання за показниками КТСМ-01 буксових вузлів пасажирських вагонів російських залізниць на парних та непарних вісях з типовими однорядними циліндричними та дослідними двохрядними конічними роликопідшипниками Зменшення тепловиділення та підвищення зносостійкості роликопідшипників буксових вузлів колісних пар залізничних вагонів та локомотивів можливе шляхом вдосконалення конструкції їх деталей на основі дослідження працездатності. Основним видом дослідження працездатності підшипників ко- чення є стендові випробування [4]. Однак застарілі методи та обладнання для стендових випробувань буксових роликопідшипників, що використовують залізничники майже півстоліття без суттєвих змін [5], не дозволяють вирішити в повній мірі проблему вдосконалення їх конструкції як в Росії, так і в Україні. В цих умовах створення вітчизняних ефективних методів та обладнання для випробування на знос дета- лей буксових роликопідшипників колісних пар вагонів та локомотивів є актульним і назрілим для безпе- ки руху на залізничному транспорті. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Випробування на знос деталей роликопідшипників важких режимів експлуатації. 1. Способи та обладнання Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 1 20 Аналіз досліджень Випробування на знос деталей машин, згідно з [6 - 9], виконують поетапно: лабораторне випро- бування матеріалів, стендові випробування вузла, експлуатаційні випробування вузла в машині. Випро- бування підшипників кочення виконують на стендах та безпосередньо у вузлах машин з метою визна- чення їх ресуру шляхом реєстрації втомних контактних пошкоджень на робочих поверхнях кілець та тіл кочення [4]. Для роликопідшипників букс колісних пар вагонів та локомотивів проводять стендові, полігонні пробігові та експлуатаційні поїздні випробування з визначення γ-процентної наробки до появи перших ознак втомного викришування поверхонь кочення. Досліджен-ня зносу інших поверхонь будь- яких деталей роликопідшипників букс колісних пар вагонів та локомотивів за допомогою ресурсних стендових, пробігових чи експлуатаційних випробувань значно утруднюються. З урахуванням вищезазначеного постає протиріччя: є потреба окрім випробування поверхонь тертя кочення кілець та роликів у випробуваннях поверхонь тертя ковзання деталей підшипників, але немає способів випробування на знос будь-яких робочих поверхонь деталей підшипників, їх теоретично- го обґрунтування та відповідного обладнання. Мета статті Метою статті є презентація розроблених способів випробування на знос будь-яких робочих по- верхонь деталей роликопідшипників важких режимів експлуатації, наприклад букс колісних пар вагонів і локомотивів, та обладнання для реалізації нових способів. Основний матеріал На рис. 3 - 10 показані характерні види зносу деталей циліндричних роликопідшипників типу 2726, що встановлені в буксах колісних пар пасажирських та вантажних вагонів. Рис. 3 – Задири та тріщини неробочого борта зовнішнього кільця Рис. 4 – Задири робочого борта зовнішнього кільця Рис. 5 – Задири торця ролика Рис. 6 – Знос базуючих поверхонь бортів зовнішнього кільця Рис. 7 – Знос кілець сепаратора Рис. 7 – Втомні викришування бігової доріжки зовнішнього кільця Рис. 8 – Втомне відлущування циліндричної поверхні ролика PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Випробування на знос деталей роликопідшипників важких режимів експлуатації. 1. Способи та обладнання Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 1 21 Рис. 9 – Симетрична форма зносу перемичок сепаратора Рис. 10 – Несиметрична форма зносу перемичок сепаратора Відповідно до зносу поверхонь деталей циліндричних роликопідшипників букс колісних пар вагонів пропонуються способи випробування деталей в складі трибоспряжень: “торець ролика – борт кільця”, “кільця сепаратора – борта базуючого кільця”, “бігова доріжка кільця – поверхня кочення ролика”, “пе- ремичка сепаратора – поверхня кочення ролика”. Спосіб випробування на знос трибоспряження “торець ролика – борт кільця” [10] полягає в тому, що з підшипника вилучають один ролик, закріплюють його в кулачки, що обертаються, вирізають з будь- якого кільця два фрагменти борта довжиною не більш діаметра ролика і до спряження торця ролика з фрагментами борта, що зафіксовані від обертання пружнім елементом, прикладають навантаження через технологічний підшипник, спостерігають за роботою спряження, а по завершен-ню випробувань вимірюють знос (рис. 10). Величину навантаження (статичного чи динамічного) та частоту обертання ролика вибирають з урахуванням умов експлуатації підшипника на основі критерія подоби фізичного (натурного) моделювання. Переваги запропонованого способу випробування на знос трибоспряження “торець ролика – борт кільця” полягають в тому, що є можливість оперативно у форсованому режимі отримувати достовірну інформацію про зношування дослідних деталей без впливу сепаратора та решти роликів, вдо- сконалювати конструкцію деталей дослідного трибоспряження і вибирати необхідні добавки/присадки до мастильного матеріалу для збільшення зносостійкості деталей. Рис. 10 – Схема випробування на знос трибоспряження “торець ролика – борт кільця”: 1 – ролик; 2, 3 – фрагменти борта кільця; 4 – фіксатор; 5 – пружній елемент; 6 – технологічний підшипник Рис. 11 – Схема випробування на знос трибоспряження “кільця сепаратора – борта базуючого кільця”: 1 – базуюче зовнішнє кільце; 2 – сепаратор; 3 – технологічний підшипник; 4 – пружній элемент Спосіб випробування на знос трибоспряження “кільця сепаратора – борта базуючого кільця” [11] полягає в тому, що підшипник розбирають, залишаючи базуюче кільце та сепаратор, сепаратор пов’язують з валом, що обертається, до базуючого кільця через технологічний підшипник приклада-ють навантаження, колове переміщення базуючого кільця обмежують пружнім елементом, спостерігають за роботою спряження, а по завершенню випробувань вимірюють знос (рис. 11). Величину навантаження (статичного чи динамічного) та частоту обертання сепаратора вибирають з урахуванням умов експлуатації підшипника на основі критерія подоби фізичного (натурного) моделювання. Переваги запропонованого способу випробування на знос трибоспряження “кільця сепаратора – борта базуючого кільця” полягають в тому, що є можливість оперативно у форсованому режимі отриму- вати достовірну інформацію про зношування дослідних деталей без впливу тіл кочення та внутрішнього кільця, вибирати оптимальну геометрію поверхонь тертя сепаратора, що краще утримують мастило для збільшення зносостійкості деталей. Спосіб випробування на знос трибоспряження “бігова доріжка кільця – поверхня кочення ролика” [12] полягає в тому, що підшипник розбирають, залишаючи одне кільце і одне тіло кочення, що оберта- PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Випробування на знос деталей роликопідшипників важких режимів експлуатації. 1. Способи та обладнання Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 1 22 ються, до них через силовий технологічний підшипник прикладають радіальне наванта-ження, колове переміщення ролика щодо кільця обмежують опорним технологічним підшипником, а колове переміщення ролика щодо власної осі регулюють зверху гальмівною колодкою, спостерігають за робо- тою спряження, а по завершенню випробувань вимірюють знос (рис. 12). Величину радіального наван- таження, гальмівної сили та частоту обертання внутрішнього кільця вибирають з урахуванням умов експлуатації підшипника на основі критерія подоби фізичного (натурного) моделювання. Переваги запропонованого способу випробування на знос трибоспряження “бігова доріжка кільця – поверхня кочення ролика” в тому, що є можливість оперативно у форсованому режимі отриму- вати достовірну інформацію про зношування дослідного спряження, моделювати різні режими кінематики дослідного спряження (кочення, кочення з проковзуванням, ковзання) без впливу решти роликів та сепаратора, вдосконалювати конструкцію деталей дослідного трибоспряження . Рис. 12 – Схема випробування на знос трибоспряження “бігова доріжка кільця – поверхня кочення ролика”: 1 – внутрішнє кільце; 2 – ролик; 3, 4 – технологічні підшипники; 5 – гальмівна колодка Рис. 13 – Схема випробування на знос трибоспряження “перемичка сепаратора кругової робочої форми – поверхня кочення ролика”: 1 – ролик; 2 – перемичка сепаратора; 3, 4, 5, 6 – технологічні підшипники; 7, 8 – пружні елементи Рис. 14 – Схема випробування на знос трибоспряження “перемичка сепаратора площінної робочої форми – поверхня кочення ролика”: 1 – ролик; 2 – перемичка сепаратора; 3, 4, 5, 6 – технологічні підшипники; 7, 8 – пружні елементи Спосіб випробування на знос трибоспряження “перемичка сепаратора – поверхня кочення роли- ка” [13] полягає в тому, що з підшипника вилучають одне тіло кочення, вирізають з сепаратора одну пе- ремичку і к дослідному спряженню через силовий технологічний підшипник прикладають навантажен- ня, обмежують вертикальне та горизонтальне переміщення ролика разом з перемичками опорними технологічними підшипниками, а вертикальні переміщення перемички додатково обмежують пружніми елементами, спостерігають за роботою спряження, а по завершенню випробувань вимірюють знос (рис. 13, рис. 14). Величини сил взаємодії ролика з перемичкою та частоту обертання ролика вибирають з урахуванням умов експлуатації підшипника на основі критерія подоби фізичного (натурного) моделю- вання. Переваги запропонованого способу випробування на знос трибоспряження “перемичка сепара- тора – поверхня кочення ролика” в тому, що є можливість оперативно у форсованому режимі отримувати достовірну інформацію про зношування дослідного спряження з перемичками будь-якої форми без впли- ву конструкції сепаратора та кілець підшипника, оперативно вибирати найкращу геометрію канавок та отворів на поверхні перемички для збільшення запасу мастила, зменшення тертя та зносу деталей. Діючі стенди для дослідження і випробування на знос трибоспряжень “кільця сепаратора – ба- зуюче кільце” та “торець ролика – борт кільця” циліндричних роликопідшипників колісних пар вагонів показано на рис. 15 та рис. 16. Рис. 15 – Стенд для випробування спряження “кільця сепаратора – базуюче кільце” Рис. 16 – Стенд для випробування спряження “торець ролика – борт кільця” PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Випробування на знос деталей роликопідшипників важких режимів експлуатації. 1. Способи та обладнання Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 1 23 Для вибору режиму модельних випробувань на знос та перевірки отриманих результатів засто- совуються спосіб випробування роликопідшипника на знос (рис. 17) і стенд, що моделює умови експлуатації деталей роликопідшипників букс колісних пар вагонів та локомотивів (рис. 18). Рис. 17 – Схема випробування роликопідшипників на знос: 1 – приводний вал; 2, 3 – внутрішнє та зовнішнє кільця; 4 – сепаратор; 5 – ролик; 6 – корпус; 7, 9 – механізми динамічного навантаження кілець; 8 – технологічний підшипник Рис. 18 – Стенд з приладами для вимірювання динамічних процесів взаємодії деталей роликопідшипників букс колісних пар вагонів та локомотивів Спосіб випробування роликопідшипників на знос полягає в тому, що після початку обертання вала до кілець прикладають статичні радіальну та осьову сили (можливо з ексцентриситетом), а потім динамічні, здійснюють спостереження за роботою дослідного підшипника, а по завершенню випробу- вання вимірюють знос деталей [14]. Величини статичних та динамічних радіальної та осьової сил, екс- центриситети їх прикладання, частоту обертання вибирають за умовами експлуатації підшипника. Конструкція стенда [15] дозволяє моделювати швидкісний режим (60…200 км/г) залізничного потяга та режими радіального (10…50 кН) і осьового (1…30 кН) навантаженнь будь-яких ролико- підшипників букс колісних пар вагонів (пасажирських та вантажних) і локомотивів. Можливість випро- бування великогабаритних роликопідшипників різних типорозмірів важких режимів експлуатації досягається за рахунок змінності деталей вузла навантаження. Стенд дозволяє проводити наступні роботи: - досліджувати закономірності руху та силову взаємодію деталей підшипника при різних видах навантаження (статичному і динамічному, центральному і нецентральному, тільки радіальному, тільки осьовому, радіальному і осьовому); - визначати момент опору обертанню підшипника при різних видах навантаження (статичному і динамічному, центральному і нецентральному, тільки радіальному, тільки осьовому, радіальному і осьо- вому) спеціально розробленими пристроями [16, 17]; - проводити ресурсні випробування на контактну втому поверхонь кочення під дією радіального навантаження та випробування підшипника на знос при різних видах навантаження (статичному і дина- мічному, центральному і нецентральному, тільки радіальному, тільки осьовому, радіальному і осьовому). Висновки 1. Сучасні роликопідшипники букс колісних пар вагонів та локомотивів потребують підвищення працездатності за критерієм тепловиділення і зносостійкості. 2. Відсутність способів та обладнання для випробування на знос будь-яких робочих поверхонь кілець, роликів та сепаратора роликопідшипників важких режимів експлуатації стримують роботи з вдо- сконалення їх конструкцій. 3. Запропоновані способи та обладнання для випробування на знос деталей роликопідшипників потребують теоретичного обґрунтування вибору форсованих режимів випробування. Література PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Випробування на знос деталей роликопідшипників важких режимів експлуатації. 1. Способи та обладнання Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 1 24 1. Комиссар А.Г. Опоры качения в тяжелых режимах эксплуатации: Справочник. − М.: Машино- строение, 1987. − 384 с. 2. Мельничук В.А., Донченко А.В., Мартынов И.Э. К вопросу повышения надёжности буксовых узлов с подшипниками качения // Залізнич. транспорт України. – 2002. – № 5. – С. 34-37. 3. Регеда В.В. Проблемы теплового контроля букс в современных условиях // Зб. наук. праць УкрДАЗТ. – 2007. – Вип. 86. – С. 61-67. 4. Спришевский А.И. Подшипники качения. − М.: Машиностроение, 1969. − 285 с. 5. Волков Н.Н., Родзевич Н.В. Подшипники качения колесных пар вагонов и локомотивов. – М.: Машиностроение. – 1972. – 168 с. 6. Хрущов М.М. Основные положення к методам испытания на изнашивание / Тр. Всес. конф. по трению и изнашиванию в машинах. Т. 1. – М.: Изд-во АН СССР, 1938. – С. 110-122. 7. Зайцев А.К. Методы лабораторного испытания материалов на износ (методы и машины) // Трение и знос в машинах. – Т.1. – М.: Изд-во АН СССР, 1939. – С. 310-327. 8. Гриб В.В., Лазарев Г.Е. Лабораторные испытания материалов на трени и знос. – М.: Наука, 1968. – 141 с. 9. Крагельский И.В. Трение и знос. – М.: Машиностроение, 1968. – 480 с. 10. Пат. №43151 України, МПК G 01 N 3/56. Спосіб випробування трибоспряження “кільце се- паратора – базуюче кільце” підшипників на знос / А.В.Гайдамака (Україна). – № u200900061; Заяв. 05.01.2009; Надр. 10.08.2009, Бюл. № 15. – 2 с. 11. Пат. №43152 України, МПК G 01 N 3/56. Спосіб випробування трибоспряження “тіло кочен- ня – перемичка сепаратора” підшипників на знос / А.В.Гайдамака (Україна). – № u200900063; Заяв. 05.01.2009; Надр. 10.08.2009, Бюл. № 15. – 2 с. 12. Пат. №43153 України, МПК G 01 N 3/56. Спосіб випробування трибоспряження “торець ро- лика – борт кільця” підшипників на знос / А.В.Гайдамака (Україна). – № u200900066; Заяв. 05.01.2009; Надр. 10.08.2009, Бюл. № 15. – 2 с. 13. Пат. №43154 України, МПК G 01 N 3/56. Спосіб випробування трибоспряження “кільце – тіло кочення” підшипників на знос / А.В.Гайдамака (Україна). – № u200900069; Заяв. 05.01.2009; Надр. 10.08.2009, Бюл. № 15. – 2 с. 14. А.с. 1298611 СССР, МКИ G 01 N 3/56. Способ испытания подшипников на износ / В.Г. Андриевский, А.В. Гайдамака, А.Е. Божко, А.И. Федоров, В.И. Белых (СССР). – № 3978959/25–28; Заяв. 18.11.85; Опубл. 23.03.87, Бюл. № 11. – 2 с. 15. А.с. 1444631 СССР, МКИ G 01 М 13/04. Стенд для моделирования силового нагружения буксового роликоподшипника / В.Г. Андриевский, А.В.Гайдамака (СССР). – № 4162430/27–11; Заяв. 15.12.86; Опубл. 15.12.88, Бюл. № 46. – 4 с. 16. А.с. 1250886 СССР, МКИ G 01 М 13/04. Устройство для измерения момента сопротивления вращению крупногабаритного тяжелонагруженного подшипника / В.Г. Андриевский, А.В. Гайдамака (СССР). – № 3835664/25–27; Заяв. 04.01.85; Опубл. 15.08.86, Бюл. № 30. – 2 с. 17. А.с. 1532831 СССР, МКИ G 01 М 13/04. Устройство для измерения момента сопротивления вращению крупногабаритного тяжелонагруженного подшипника качения / В.Г. Андриевский, А.В. Гай- дамака, Б.А. Лагутин (СССР). – № 4251844/31–27; Заяв. 28.05.87; Опубл. 30.12.89, Бюл. № 48. – 2 с. Надійшла 22.10.2010 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com