1.4.3. Подшипники

Перевод подвижного состава на подшипники качения основывался на том, что подшипники скольжения якобы устарели. Однако опыт эксплуатации отечественного подвижного состава показывает, что повреждаемость буксовых узлов с подшипниками качения не стала меньше. Число отказов возросло в 1,5 – 2 раза; многие из них стали для железнодорожников новыми. При этом большая часть отказов приходится на начальный период работы. Они происходят от конструктивной сложности буксовых узлов, изменившихся условий эксплуатации, отклонений в технологии сборки, разборки буксовых узлов в депо и на заводах, от квалификации обслуживающего персонала. Часто отказы приводят к изломам шеек осей [11].

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.

Рис. 1. 36. Общий вид бук-сы вагона с подшипника-ми скольжения: 1- корпус со смотровой крышкой; 2- подшипник; 3- вкладыш; 4-пылевая шайба; 5-смазоч-ное устройство

Рис. 1. 37. Общий вид подшипника скольжения: 1-стальной кор-пус; 2-баббитовый слой

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.

Рис. 1. 38. Кривая Штрибека [9]:

R–шероховатость поверхности; F_N-нормальная сила; d-зазор между трущимися деталями; а-диапазон сухого трения; b-смешанное трение, средний износ; с-гидродинамическое тре-ние, износа нет

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).

Рис. 1.39. Роликовый подшипник качения: 1, 3 – соответственно наружное и внутреннее кольцо; 2 – роли-ки; 4 – сепаратор; 5 – упорное кольцо

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);

Рис. 1.40. Посадки подшипников [8,10]

- 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 допускается не 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 L_na определяется условиями эксплуатации:

L_na = 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:

L_na = 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).

Рис. 1.41. Типовая вагон-ная букса с подшипни-ками качения

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 ≈ 5^о) для установки с помощью разрезной закрепительной втулки с конической наружной и цилиндрической внутренней поверхностями (рис. 1.42).

Рис. 1.42. Установка подшип-ников на оси с помощью конической втулки

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

Рис. 1.43. Буксовый узел трехэле-ментной тележки с кассетным подшипником: 1 — уплотнительный кожух с упругими сальниками; 2 — упорное кольцо; 3 — стопорная шайба; 4 — крепительные болты; 5 — передняя крепительная крышка; 6 — внутреннее кольцо; 7 — наружное кольцо; 8 — сепаратор; 9 — среднее дистанционное кольцо; 10 — комплект конических роликов; 11 — задняя крепительная крышка.

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 пар разборка 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.