Розвиток методів розрахунку та випробувань буксових підшипникових вузлів вантажних вагонів з урахуванням особливостей їх експлуатації

Припустимо, що кожен буксовий підшипниковий вузол вантажного вагона має певний граничний ресурс, який обчислюється в одиницях пробігу. Оскільки всі буксові вузли однакові, то цей ресурс повинен знаходитися у певному інтервалі, який невідомий заздалегідь.

Час виникнення відмови залежить лише від швидкості витрачання ресурсу, яка є випадковою величиною, тому що на вагон діють випадкові навантаження. Але, якщо середнє напрацювання конструкції до відмови буде суттєво більшим за оборот вагона, можна припустити, що при інтегральне середнє буде сходитися за ймовірністю до деякої константи

Для визначення величини u П. А. Устичем запропоновано використати припущення, що вантажний вагон може послідовно знаходитися в трьох станах: простій, якому відповідає швидкість витрачання ресурсу (в нашому випадку і час перебування в цьому стані також дорівнює 0), порожній пробіг (відповідно і ) і пробіг в навантаженому стані (відповідно і ). Але стосовно буксових вузлів необхідно враховувати, що на швидкість витрачання ресурсу буде впливати тривалість та величина дії осьових сил, які будуть діяти як в порожньому, так і навантаженому режимі. Відомо, що осьові сили, які діють постійно, виникають під час руху вагона в кривих ділянках колії, довжина яких на мережі залізниць складає близько 30 % від загальної довжини.

Тоді можна припустити, що вагон 30 % свого часу руху як в порожньому, так і навантаженому стані знаходиться в кривих ділянках колії. Графік витрачання ресурсу матиме наступний вигляд (рис. 22), де - це час руху в навантаженому стані на прямій ділянці колії (0,7t₂), а - відповідно в кривих ділянках колії (0,3t₂).

Аналогічно для порожнього режиму руху ці величини матимуть значення (0,7t3) і 0,7t2. Приймаємо, що швидкість витрачання ресурсу в навантаженому режимі при русі на прямій ділянці колії (тобто без дії осьових сил) дорівнює одиниці.

Для урахування різниці в режимах завантаження під час експлуатації буксових вузлів введемо поняття "коефіцієнт інтенсивності витрачання ресурсу" K_ін, що є співвідношенням середніх температур нагріву підшипників при різних режимах навантаження, які були отримані при проведенні стендових випробувань

Тоді швидкість витрачання ресурсу при сумісній дії радіальних і осьових сил у навантаженому режимі , а в порожньому режимі - відповідно. А при дії тільки радіальних сил в порожньому режимі . Доведено, що 1 км пробігу експериментальних буксових вузлів вагонів у дослідному маршруті еквівалентний 1,88 км пробігу букс за нормальних умов експлуатації.

На підставі цього був доопрацьований метод визначення показників надійності буксових вузлів за результатами прискорених експлуатаційних випробувань, де був передбачений мінімальний пробіг вагонів, обладнаних дослідними буксовими підшипниковими вузлами, 400 тис. км.

Випробуванням підлягали піввагони, обладнані трьома типами дворядних конічних підшипників, контрольними циліндричними підшипниками виробництва АТ ХАРП, а також циліндричними роликовими підшипниками виробництва німецької фірми “FAG”.

Вибіркова сукупність буксових підшипникових вузлів, обладнаних дворядними конічними підшипниками, складала 72 одиниці.

Під час експлуатаційних випробувань через несправності підшипників виробництва німецької фірми “FAG”, що викликали нагрів букс, були виключені 5 колісних пар з 12, які починали випробування. Середній пробіг вказаних колісних пар складав 172,5 тис. км. В результаті проведених комісійних оглядів встановлено, що всі підшипники з відчеплених колісних пар мали спрацювання типу "ялинка" на бортах кілець, глибоку точкову корозію, сліди торкання внутрішньої частини борту підшипника з сепаратором. Всі підшипники були непридатні до подальшої експлуатації.

Аналогічні пошкодження були виявлені на всіх колісних парах, що обладнані циліндричними підшипниками німецького виробництва. Поява точкової корозії зумовлена підвищеною гігроскопічністю мастила, яке використовувалося в цих підшипниках. Спрацювання типу "ялинка", що утворилося, аналогічно такому ж спрацюванню на підшипниках вітчизняного виробництва. Таким чином, підтверджено, що циліндричні роликопідшипники не можуть забезпечити експлуатацію колісних пар без виникнення пошкоджень навіть в період між деповськими ремонтами.

Під час проведення випробувань вагонів, які обладнано конічними підшипниками, не зареєстровано випадків нагріву букс, що викликали відчеплення вагона від потяга. Остаточним оглядом з повним розбиранням підшипників після пробігу 370 тис. км встановлено, що технічний стан конічних касетних підшипників задовільний. На підшипниках не виявлено пошкоджень, які могли б перешкоджати подальшій експлуатації.

За результатами першого етапу випробувань склалася ситуація, за якої не трапилося ні однієї відмови буксових вузлів з конічними підшипниками. Але це не означає, що останні мають 100-відсоткову ймовірність безвідмовної роботи. Це свідчить лише про те, що або недостатня кількість підшипників, або недостатня тривалість випробувань.

Виконані дослідження свідчать, що при 24 підшипниках максимум інформації буде одержаний тоді, якщо ми приймемо довірчу імовірність 0,94. Тоді нижня межа імовірності безвідмовної роботи складе 0,889, а верхня межа, відповідно, 1.

Другий етап випробувань розпочався у 2007 р. і подовжується по теперішній час. На залізницях України в дослідній експлуатації знаходяться 950 вагонів, які обладнані конічними підшипниками (тобто 7600 підшипників). Протягом року не було зареєстровано ні однієї відмови.

У сьомому розділі визначена економічна доцільність впровадження в буксах вантажних вагонів дворядних конічних підшипників. Для вирішення цього завдання була розроблена модель визначення вартості життєвого циклу буксових вузлів з урахуванням впливу основних діючих експлуатаційних чинників, а також відповідний комплекс програм для ЕОМ.

Модель визначення економічного ефекту має такий вигляд

(51)

де R_без, R_над, R_тх - відповідно скорочення експлуатаційних витрат залізничного транспорту через зменшення кількості відчеплень вагонів, збільшення надійності та зменшення витрат на тягу поїздів.

Загальна економія експлуатаційних витрат на 1 вагон при зменшенні моменту тертя в підшипниках на 5 % за рік складатиме не менше 3400 грн в цінах 2005 р., в тому числі за рахунок підвищення надійності та збільшення періодичності проведення ремонтів БВ до 10 років - 2057 грн. Підвищення надійності БВ дозволяє скоротити експлуатаційні витрати на 1 вагон на 1276 грн, зменшення кількості відчеплень вагонів через перегрів букс - відповідно на 67 грн. При цьому термін окупності капітальних вкладень у переобладнання нових вагонів складе 2,9 роки, а в модернізацію вагонів, що вже експлуатуються - 3,3 року.

ВИСНОВКИ

Виконані дослідження присвячені розв'язанню актуальної наукової проблеми - розвитку методів розрахунку та випробувань буксових підшипникових вузлів вантажних вагонів. За результатами проведеної роботи можна зробити такі висновки:

1.На підставі проведеного аналізу еволюції розвитку конструкцій букс показано, що на даний час не існує єдиного підходу для вибору типу підшипникових вузлів для рухомого складу. Вибір типу та розмірів підшипників на залізницях різних країн світу залежить від конструктивних особливостей ходових частин, характеру та величини навантажень, що діють на буксові підшипникові вузли. В той же час має місце тенденція до створення конструкцій буксових підшипникових вузлів, які б забезпечували максимальний безремонтний пробіг та забезпечували сприйняття всіх видів навантаження в режимі тертя кочення.

Проаналізовано схему передачі навантаження в буксовому вузлі вантажних вагонів з циліндричними підшипниками. Встановлено, що перспективним шляхом вдосконалення роликових букс є використання підшипників, які сприйматимуть радіальні і осьові сили тертям кочення.

2.Запропоновано обґрунтування процедури розв'язання науково-прикладної проблеми розвитку методів розрахунку та випробувань буксових підшипникових вузлів з урахуванням експлуатаційних навантажень, яка узагальнює визначення параметрів перспективних підшипникових вузлів вантажних вагонів.

3.Проведено обстеження технічного стану буксових підшипникових вузлів вантажних вагонів з циліндричними роликовими підшипниками. Встановлено, що фактичний 90-відсотковий ресурс циліндричних підшипників складає 4,5 роки.

4.Розроблено модель буксового підшипникового вузла з дворядним конічним підшипником з використанням об'ємних тривимірних скінчено-елементних схем. Проведено дослідження розподілення навантаження між тілами кочення буксового конічного підшипника. Доведено, що в буксових підшипникових вузлах навантаження сприймається 9-ма роликами в зоні навантаження, причому верхній ролик сприймає лише 14 % від загального навантаження, а наступний ролик - 16 %.

5.Проведено дослідження напружено-деформованого стану елементів буксових підшипникових вузлів. Встановлено, що контактні напруження збільшуються лінійно в залежності від зростання величини діючого осьового навантаження (в зоні контакту з зовнішнім кільцем від мінімальних 711 МПа до максимальних 1055 МПа). Аналогічна картина має місце в зоні контакту з внутрішнім кільцем (від мінімальних 450 МПа до максимальних 1010 МПа). Поява осьових сил викликає перерозподіл напружень у підшипнику. Але навіть при найбільш несприятливому режимі завантаження максимальні напруження не перевищують напружень, що допускаються (3500 МПа).

6.Доопрацьовано наукові методи дослідження енергетичних характеристик буксових підшипників. Проведені температурні випробування показали, що тепловий режим дворядних конічних підшипників при дії радіальних навантажень не поступається циліндричним підшипникам. У поєднанні з осьовим навантаженням сталі температури нагріву дворядного конічного підшипника істотно нижче, ніж у типових підшипників. Особливо характерно переваги конічних підшипників виявилися в діапазоні високих швидкостей.

7.Набули подальшого розвитку методи визначення динамічних характеристик вантажних вагонів, на підставі яких проведено динамічні випробування піввагонів, обладнаних дворядними конічними підшипниками і циліндричними підшипниками, що виготовлені різними виробниками. Встановлено, що вантажні вагони, обладнані дослідними конічними підшипниками, задовольняють вимоги нормативних документів щодо динамічних якостей при швидкостях руху до 33,3 м/с (120 км/год).

8.Запропоновано метод визначення показників надійності буксових підшипників з урахуванням діючих на підшипник експлуатаційних навантажень. Визначено, що при найбільш несприятливих умовах навантажень 90-відсотковий ресурс дворядних конічних підшипників складає не менше 0,973 млн км пробігу. Створено модель, що дозволяє прогнозувати розподілення напрацювання до відмови дворядних конічних підшипників.

Запропоновано імовірнісні моделі, які дозволяють прогнозувати розподілення напрацювання до відмови буксових підшипників, які відрізняються тим, що враховують як неоднорідність статистичної вибірки, так і вплив на процес виникнення відмов різних за походженням чинників.

9.Доопрацьовано метод перерахунку результатів скорочених експлуатаційних випробувань у дослідному маршруті Укрзалізниці Роковата-Ужгород на реальні умови експлуатації з урахуванням фактичного навантаження на підшипники. Встановлено, що 1 км пробігу вагонів, обладнаних дослідними буксовими вузлами у дослідному маршруті еквівалентний 1,88 км в реальній експлуатації.

10.Проведено порівняльні експлуатаційні випробування дворядних конічних підшипників і циліндричних підшипників, виготовлених різними виробниками, в буксах вантажних вагонів. Випробування підтвердили, що циліндричні роликові підшипники не забезпечують необхідного рівня надійності в експлуатації. В той же час в ході випробувань при досягненні пробігу 350 тис. км не було зареєстровано жодної відмови буксових вузлів з конічними підшипниками.

Визначено показники надійності конічних буксових підшипників. Нижня межа ймовірності безвідмовної роботи складатиме 0,889, а верхня - 1.

11.Розроблено модель визначення вартості життєвого циклу буксових вузлів з урахуванням основних діючих експлуатаційних чинників. За допомогою одержаної моделі можна оцінювати вплив різних експлуатаційних характеристик підшипників на вартість життєвого циклу. Показано, що серед інших чинників найбільший вплив на економічний ефект досягається за підвищення надійності та збільшення періодичності проведення ремонтів БВ до 10 років. Економічний ефект від впровадження конічних підшипників касетного типу складе не менше 3400 грн на рік на кожен вагон робочого парку. Термін окупності капітальних вкладень не перевищить 2,9 року.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Мартинов І. Е. До питання удосконалення конструкції конічних підшипників транспортних засобів / І. Е. Мартинов// Зб. наук. праць Київського університету економіки і технологій транспорт. Серія: Транспортні системи і технології. - Вип. 5. - К., 2004. - С. 45-48.

Мартинов І. Е. Дослідження напруженого стану конічних роликопідшипників / І. Е. Мартинов // Зб. наук. праць. - Харків: УкрДАЗТ, 2007. - Вип. 81. - С. 83-86.

Мартинов І. Е. Питання розрахунку довговічності буксових роликопідшипників / І. Е. Мартинов // Зб. наук. праць. - Харків: УкрДАЗТ, 2000. - Вип. 44. - С. 76-79.

Мартинов І. Е. Планування випробувань високонадійних вузлів вагонів / І. Е. Мартинов // Зб. наук. праць Київського університету економіки і технологій транспорту. Серія: Транспортні системи і технології. - Вип. 7. - К., 2005. - С. 79-83.

Тартаковський Е. Д., Мартинов І. Е., Устич П. А. До питання створення моделі відмов буксових роликопідшипників / І. Е. Мартинов // Зб. наук. праць. - Харків: УкрДАЗТ, 2008. - Вип. 96. - С. 154-158.

Мартинов І. Е. До питання визначення показників надійності буксових підшипників вантажних вагонів / Е. Д. Тартаковський, І. Е. Мартинов // Зб. наук. праць. - Харків: УкрДАЗТ, 2008. - Вип. 99. - С. 81-87.

Мартинов І. Е. Визначення довговічності конічних підшипників для рухомого складу / І. Е. Мартинов // Зб. наук. праць. - Харків, 2007. - Вип. 86. - С. 56-61

Мартынов И. Э. К вопросу повышения надежности буксовых узлов с подшипниками качения / В. А. Мельничук, А. В. Донченко, И. Э. Мартынов // Залізничний транспорт України. - 2002. - №5. - С. 34-37.

К вопросу внедрения вагонных букс с коническими роликоподшипниками / А. Д. Лашко, В. В. Мархай, И. Э. Мартынов та ін. // Залізничний транспорт України. - 2006. - №2. - С. 17-19.

Мартынов И. Э. К проблеме совершенствования подшипникового узла вагонов / А. П. Горбенко, А. В. Донченко, И. Э. Мартынов // Залізничний транспорт України. - 1999. - №6. - С. 39-42.

Мартынов И. Э. К вопросу выбора подшипника для букс грузовых вагонов / В. В. Головко, И. Э. Мартынов, А. В. Труфанова // Коммунальное хозяйство городов. Научно-технический сборник. - Вып. 43. - Серия: Технические науки. - К.: Техніка, 2002. - С. 236-240.

До питання підвищення ефективності роботи ходових частин вантажних вагонів / А. В. Донченко, І. Е. Мартинов, Ю. О. Холод та ін. // Зб. наук. праць. - Харків: УкрДАЗТ, 2003. - Вип. 54. - С. 11-16.

Мартинов І. Е. Визначення показників надійності вагонних букс за результатами випробувань / І. Е. Мартинов // Зб. наук. праць. - Харків: УкрДАЗТ, 2005. - Вип. 68. - С. 191-198.

Мартинов І. Е. До питання оцінки ефективності удосконалювання букс вантажних вагонів / І. Е. Мартинов, Ю. Є Калабухин // Зб. наук. праць Київського університету економіки і технологій транспорту. Серія: Транспортні системи і технології. - Вип. 1-2. - К., 2003. - С. 54-59.

Мартынов И. Э. Буксовые узлы отечественных вагонов: история и перспективы / И. Э. Мартынов // Залізничний транспорт України. - 2002. - №6. - С. 34-37.

Мартынов И. Э. К вопросу обеспечения безопасности движения поездов / И. Э. Мартынов // Зб. наук. праць Київського університету економіки і технологій транспорту. Серія: Транспортні системи і технології. - К., 2003. - Вип. 3. - С. 62-66.

Мартинов І. Е. Економічне оцінювання використання модернізованих буксових вузлів вантажних вагонів / Ю. Є. Калабухін, І. Е. Мартинов // Зб. наук. праць. - Харків: УкрДАЗТ, 2000. - Вип. 42. - С. 26-30

Мартинов І. Е. До питання оптимізації підшипників букс вантажного рухомого складу / І. Е. Мартинов // Зб. наук. праць. - Харків: УкрДАЗТ, 2004. - Вип. 64. - С. 147-153.

Мартинов І. Е. До питання оцінки показників надійності торцевого кріплення букс вантажних вагонів / І. Е. Мартинов // Зб. наук. праць. - Харків: УкрДАЗТ, 2001. - Вип. 46. - С. 76-79.

Мартинов І. Е. Технічний стан буксових роликопідшипників вантажних вагонів / І. Е. Мартинов // Зб. наук. праць. - Харків: УкрДАЗТ, 2000. - Вип. 41. - С. 38-42.

Мартинов І. Е. До питання підвищення надійності роботи роликових букс / І. Е. Мартинов, А. В. Труфанова, М. К. Косован // Зб. наук. праць. - Харків: УкрДАЗТ, 2006. - Вип. 79. - С. 103-108.

Мартинов І. Е. Дослідження впливу напруженого стану напівбукси на безпеку руху поїздів / І. Е. Мартинов, А. В. Труфанова, Д. О. Шамшей // Зб. наук. праць. - Харків: УкрДАЗТ, 2007. - Вип. 81. - С. 149-152.

Мартынов И. Э. Анализ опыта эксплуатации цилиндрических роликоподшипников букс грузовых вагонов / И. Э. Мартынов // Вісник Східноукраїнського державного університету. - Луганськ, 2000. - №5 (27). - С. 157-159.

Мартынов И. Э. Оценка эффективности совершенствования под-шипников транспортных средств / И. Э. Мартынов // Автомобильный транспорт. Сб. науч. трудов. - Харьков, 2002. - Вып. 9. - С. 51-54.

Мартинов І. Э. Результати температурних випробувань дослідних буксових вузлів вантажних вагонів / І. Е. Мартынов // Восточно-украинский журнал передовых технологий. - Харьков: 2004. - №7 (1). - С. 66-69.

Мартынов И. Э. Сравнительные испытания подшипников для букс грузовых вагонов / И. Э. Мартынов // Вісник Національного технічного університету ХПІ. Тематичний випуск: Нові рішення в сучасних технологіях. Збірник наукових праць. - Харків, 2002. - №6. - Т. 1. - С. 50-56.

Оцінювання ходових якостей вагонів з дослідними роликопідшипниками / А. В. Донченко, В. В. Ільчишин, І. Е. Мартинов та ін. // Зб. наук. праць. - Харків: УкрДАЗТ, 2004. - Вип. 57. - С. 14-20.

Пути повышения безопасности движения в вагонном хозяйстве // А. Ф. Гаврилюк, В. Н. Самсонкин, И. Э. Мартынов и др. // Восточно-украинский журнал передовых технологий. - Харьков, 2003. - №5. - С. 30-32.

Результати динамічних випробувань вагонів з дослідними роликопідшипниками / А. В. Донченко А. В., В. В. Ільчишин, І. Е. Мартинов та ін. // Зб. наук. праць Київського університету економіки і технологій транспорту. Серія: Транспортні системи і технології. - Вип. 4. - К., 2003. - С. 106-110.

Результаты стендовых испытаний конических роликоподшипников / В. Ф. Головко, И. Э. Мартынов, В. В. Карпенко и др. // Автомобильный транспорт. Сб. науч. трудов. - Харьков: ХНАДУ. - 2002. - Вып. 10. - С. 47-50.

Мартинов І. Е. Моделювання роботи буксових роликопідшипників / І. Е. Мартинов, А. В. Труфанова, Д. О. Шамшей // Зб. наук. праць. - Харків: УкрДАЗТ, 2006. - Вип. 76. - С. 200-204.

Додатково матеріали дисертаційної роботи викладено в роботах:

Мартынов И. Э. Моделирование работы вагонных букс с роликовыми подшипниками / И. Э. Мартынов // Безопасность движения поездов: труды VII науч.-практ. конф., 26-27 октября 2006 г. - М., 2006 г. - С. VI-15 - VI-16.