5.1. Аналіз пошкоджуваності буксових вузлів з роликовими підшипниками
Однією з основних закономірностей пошкоджуваності буксових вузлів є чітка залежність росту числа відмов в 1,5...2 рази в осінньо-зимовий період часу. Ця закономірність відмов буксових вузлів зв'язується із впливом температури навколишнього повітря, змінами в стані верхньої будови колії й відповідним ростом діючих силових факторів.
Інша закономірність полягає в тому, що в перші 2...3 місяця експлуатації буксових вузлів після ревізії число відмов також значно вище, ніж у наступний період. Це поясняється тим, що в перший період виявляються відмови, пов'язані з недостатньо якісно виконаним підбором і монтажем буксових вузлів, а також взаємним прироблянням всіх основних складальних одиниць буксового вузла.
Одним з дефектів буксових вузлів є ослаблення й руйнування торцевого кріплення підшипників. Причиною цієї несправності є тверда передача осьових навантажень торцями роликів на приставний борт і на торцеве кріплення. При цьому передача осьових навантажень відбувається в невластивому для підшипника кочення режимі тертя ковзання торця ролика по приставному борті, часто в умовах, коли змащення не забезпечує надійного поділу тертьових поверхонь. Такий дефект може з'явитися також у результаті порушень технології виготовлення різьбової частини осі, монтажу буксових вузлів і ремонту колісних пар.
Це приводить на початку до ослаблення затягування гайки через зношення і деформації різьблення. Подальша робота ослабленого торцевого кріплення сполучена з більшими напругами в западині під першим витком різьблення, утворенням тріщини в основі різьблення й зрізом першого витка.
Такий вид пошкоджень має тенденцію до подальшого росту у зв'язку зі збільшенням швидкості руху й підвищення використання вантажопідйомності вагона.
Тому для збільшення міцності й надійності торцевого кріплення у варіанті з торцевою гайкою доцільно перейти на виготовлення різьблення на торці шийки з додатковим пластичним деформуванням, накочуванням різьблення роликом і нанесенням на різьблення ущільнюючого герметика «Ступор».
Варіант торцевого кріплення підшипників за допомогою шайби більше працездатний, але й у цьому варіанті відбувається деформація й зріз різьблення болтів або обрив болтів.
Усталостні раковини на доріжках кочення зовнішніх і внутрішніх кілець і роликів утворяться в результаті досягнення межі контактно-усталостної міцності металу доріжок кочення. Цей процес інтенсифікується через незадовільну якість металу і його макроструктури додатковими силовими факторами, що з'являються при неминучих перекосах буксових вузлів у вертикальній і горизонтальній площинах. Найбільш характерними зонами зародження раковин є зони в робочих бортів. Така закономірність є наслідком концентрації напруг через перекоси роликів між бортами й через перерозподіл осьових навантажень у додаткове вертикальне складове навантаження, максимальна величина якої зосереджена в робочому борті. З метою запобігання цих дефектів підшипники виготовляються з «бомбінірованими» роликами, що дозволяє їм самовствновлюватись при перекосах букс і знижувати концентрацію напруг по перерізах кінців роликів, а виходить, і різко зменшити частоту появи раковин.
Тріщини й розриви внутрішніх кілець з'являються в експлуатації переважно в початковій стадії при невеликих пробігах. Причинами появи цього дефекту можуть стати погана якість металу, порушення термообробки, що створюють у кільцях підвищені внутрішні напруження, порушення технології монтажу, допущені при посадці внутрішніх кілець на шейки осей.
При виготовленні кілець у процесі шліфування відбувається локальне нагрівання тонких поверхневих шарів до температур, що відповідають стану повзучості металу. При наступному охолодженні в зовнішньому шарі виникають напруги, що розтягують, а в низьколежачих шарах - напруги стиску. У результаті цих явищ у поверхневих волокнах залишкові розтягуючи напруги можуть досягати значень 400... 1000 Мпа.
Ці напруги підсумуються з технологічними розтягуючими напругами виникаючими від посадки внутрішніх кілець на шейки осі, і з напругами від дії робочих навантажень, що приводить до появи тріщин і розривів. Крім того, необхідно враховувати, що підшипникова сталь має підвищену крихкість через наскрізну прокалюваємість й дуже чутлива к різним концентраторам напруг.
Радикальним засобом попередження утворення тріщин і розривів внутрішніх кілець є перехід до виготовлення кілець зі сталі з регламентованої прогартовуваємості ШХ4, коли поверхневий шар одержує твердість порядку 60...63 HRC, а внутрішні волокна всього близько 30 HRC.
Відколи борта внутрішнього кільця заднього підшипника спостерігаються найбільше часто в колісних пар із кріпленням редуктора привода вагонного генератора до корпуса букси.
У цьому випадку істотно зростають динамічні сили від необресореної маси редуктора й буксового вузла, особливо в зимову пору року.
Відкол борта відбувається, як правило, по кроку розташування роликів. Цей дефект є наслідком усталостних тріщин, що виникають під дією динамічних сил у зоні технологічної викружки в основи борта із-за грубих рисок, що залишаються після токарської обробки, і термічних тріщин.
Термічні тріщини в бортах виникали від сильного нагрівання при терті неправильно підібраного сепаратора об борт кільця.
Частоту відколу борта внутрішнього кільця можна істотно зменшити, застосовуючи для його виготовлення сталь регламентованої прогартовуваємості ШХ4.
Ослаблення натягу посадки (проворот) внутрішнього кільця на шейку осі відбувається через неправильний підбор і визначення величини посадкового натягу внутрішніх кілець, а також через недотримання температурного режиму монтуємих деталей.
Натяг на посадку внутрішніх кілець відповідно до діючої інструкції повинен становити від 30 до 65 мкм. Однак через неточність вимірів на існуючих вимірювальних пристроях або недоліку технологічної дисципліни іноді зустрічаються відхилення.
При вимірах розрізняють два види натягу — обмірюваний Δи й ефективний Δэ[21]. Обмірюваний натяг визначається як різниця діаметрів шейки й кільця, тобто
(5.1)
Ефективний натяг дорівнює обмірюваному за винятком величини зменшення натягу внаслідок зминання гребінців Δz на посадкових поверхнях і деформацій стиску шейки при посадці внутрішнього кільця.
У реальній практиці роботи при визначенні натягів шейки осі й внутрішніх кілець можуть мати різну температуру через нагрівання при обмивці. У результаті після посадки кілець на шейку й наступному вирівнюванняю температур ефективний натяг може змінитися відповідно до вираження
(5.2)
де ΔН — зменшення або збільшення натягу внаслідок різниці температур монтуемих деталей, обумовлене вираженням
(5.3)
Підставивши (5.3) в (5.2) і прийнявши Δz = 0, яка після першої посадки за рахунок деформації гребінців буде мати це значення, одержимо
(5.4)
Дорівняємо це вираження нулю й одержимо вираження
(5.5)
Підставивши конструктивні значення Δи = 0,03...0,065 мм й dш - 130 мм, одержимо, що при різниці температур кільця й шейки в 18°С відбудеться або повне ослаблення натягу посадки, або його подвоєння.
Тому з метою недопущення цих явищ необхідно забезпечити вирівнювання температур шийок осей і підшипників щодо температури навколишнього повітря після їхньої обмивки в мийних машинах або обточування елементів колісних пар.
Вимір шийок осей після обмивки в мийних машинах можна робити через 12 годин або через 2 ч після обточування, а вимір підшипників - через 8 ч після обмивки.
Несправності торців роликів і бортів кілець поясняються тим, що осьова сила, що діє на підшипник, сприймається цими робочими поверхнями в невластивому для підшипника кочення режимі тертя ковзання пари торець ролика - борт кільця. Застосовуване змащення ЛЗ-ЦНИИ не створює досить міцної масляної плівки на тертьових поверхнях, не забезпечує повною мірою рідинній режим тертя й, хоча й містить у своєму составі антизадирні присадки, не виключає появу зношень, рисок і задиров на торцях роликів й упорних поверхонь бортів.
Огляди роликових підшипників показали, що зношення цих поверхонь різко інтенсифікуються при наявності не перпендикулярності упорних поверхонь бортів до доріжки кочення кільця.
У процесі експлуатації встановлено, що зі збільшенням наробітку вихідна форма борта внаслідок зношування тертьових поверхонь перетерплює значні зміни. Причому зношування супроводжується збільшенням площі контакту, що сприймає осьове навантаження.
У бортів кілець і роликів зміна початкової геометрії супроводжується зниженням твердості з HRC 61...63 до HRC 54...60.
Установлено, що слід зношування на робочому борті зовнішнього кільця має різний характер - він більше широкий у зоні сприйняття радіального навантаження. У цій же зоні можуть з'являтися й тріщини борта.
Зношування торців роликів носить також нерівномірний характер: з боку борта внутрішнього кільця він східчастий, обчислювальний іноді десятками мкм, а з боку робочого борта зовнішнього кільця - тороідальний. Отже, осьове навантаження сприймається головним чином роликами, що несуть радіальне навантаження, а контакт роликів з бортом внутрішнього кільця відбувається при більш високих швидкостях відносного проковзування.
Всі ці зношення супроводжуються підвищеними температурами буксового вузла, що в сполученні з іншими несприятливими факторами може привести до зменшення осьового зазору й навіть до заклинювання роликів між бортами зовнішнього кільця.
Зменшення осьового зазору в підшипнику можна визначити з наступного співвідношення
(5.6)
де l1 - ширина доріжки кочення зовнішнього кільця;
l2— довжина ролика;
Δtl й Δt2 — нагрівання в експлуатації відповідно зовнішнього кільця й роликів.
Дослідження показують, що різниця температур зовнішнього кільця й роликів може досягати 60 °С, а це приведе до зменшення осьового зазору приблизно на 40 мкм, а з урахуванням дії інших факторів і до повного зникнення осьового зазору в підшипнику. Тому величину осьового зазору прийняли в межах 70... 150 мкм.
Особливу групу дефектів підшипників становлять корозійні пошкодження у вигляді корозійних раковин, поверхневої й точкової корозії на роликах і доріжках кочення кілець. Причинами їхньої появи є влучення води в підшипник у процесі тривалого відстою рухомого состава й при обмивці колісних пар без виконання повної ревізії букс.
Змащення ЛЗ-ЦНИИ володіє підвищеної гигроскопічністю й у своєму составі мають луги й кислоти. Все це в сукупності створює агресивне середовище, що викликає корозію несучих і посадкових поверхонь підшипника.