Расчет подшипниковых узлов транспортных средств. Учебно-методическое пособие

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА (МИИТ)»

Кафедра «Вагоны и вагонное хозяйство»

В.Г. ВОРОТНИКОВ, С.В. КАЛЕТИН, М.В. КОЗЛОВ

РАСЧЕТ ПОДШИПНИКОВЫХ УЗЛОВ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

Учебно-методическое пособие

для студентов специальности «Подвижной состав железных дорог» специализации «Вагоны»

Москва – 2018 - 1 -

УДК 621.822.6

В –75

Воротников В.Г., Калетин С.В., Козлов М.В. Расчет подшипниковых узлов транспортных средств: Учебно-методическое пособие. – М.: РУТ (МИИТ), 2018.

–69 с.

Вучебно-методическом пособии изложена методика расчета оценки технических и эксплуатационных характеристик конструкций буксовых узлов вагонов с радиальными подшипниками качения с короткими цилиндрическими роликами и радиально-упорными двухрядными подшипниками с коническими роликами с учетом воздействия сил, образующихся при движении вагонов железнодорожного транспорта.

Рецензент: доктор технических наук, профессор кафедры «Электропоезда и локомотивы» РУТ (МИИТ) Воробьев А. А.

© РУТ (МИИТ), 2018

- 2 -

СОДЕРЖАНИЕ

Введение……………………………………………………….5

1 Конструкции буксовых узлов вагонов…………………….7

1.1 Технические основы конструирования буксового узла вагона……………………………..….7

1.2Общая характеристика подшипников качения буксовых узлов железнодорожных транспортных средств………………………………………………….9

1.3Буксовый узел с однорядными радиальными подшипниками с короткими цилиндрическими роликами……………………………………………...15

1.4Буксовый узел с радиально упорными коническими подшипниками………………………..……….….….19

1.5Геометрические размеры подшипников качения

буксовых узлов вагонов………………………...……23

2 Оценка эксплуатационных показателей конструкций буксовых узлов вагона…………………………………....28

2.1Расчет сил нагружения буксового узла……………...28

2.2Распределение нагрузки в буксовом узле между телами качения подшипника………………………..35

2.3Расчет контактных напряжений и деформаций тел качения подшипника………………………………...44

-3 -

2.4Расчет касательных напряжений в зоне контактных поверхностей элементов подшипника…………..…49

2.5Расчет кинематических параметров подшипников качения………………………………………………..52

2.6Расчет допустимой осевой силы для конструкций подшипников буксового узла вагона…………….…54

2.7Расчет сил сопротивления движению вагона в буксовом узле………………………………………...60

2.8Расчет подшипника на усталостное разрушение

поверхностей качения……………………………..…63

Список литературы…………………………..……..………..67

- 4 -

ВВЕДЕНИЕ

Архитектоника подшипникового узла представляет собой уникальное техническое устройство, разработанное с учетом физических показателей взаимодействия поверхностей кинематических и неподвижных элементов при их относительных перемещениях под действием внешних сил.

К основным элементам подшипниковых узлов относятся подшипники, совершенствование конструкций которых является актуальной задачей в области повышения эффективности использования транспортных средств. В зависимости от требований к опорам трения кинематических модулей машин подшипники делятся на два типа: скольжения и качения.

Подшипники скольжения преимущественно применяют в опорах трения при высоких частотах вращения кинематических модулей машин и воспринимающих относительно небольшие нагрузки. Простота конструкции, бесшумность работы, высокая демпфирующая способность при восприятии циклических и ударных нагрузок являются важными их техническими характеристиками подшипников скольжения.

Преимущество подшипников качения состоит в возможности распределения сосредоточенной нагрузки между телами качения и уменьшении момента сопротивления вращению кинематических модулей, особенно в пусковые периоды. Вместе с тем подшипники качения имеют существенные недостатки, которыми ограничивается область их применения:

- 5 -

–повышенная чувствительность к неточности установки в узлах трения и предельным отклонениям номинальных размеров элементов конструкции;

–повышение момента сопротивления при работе кинематических модулей на высоких частотах вращения;

–сложность монтажа подшипников в узлах трения. Решение задачи по оснащению вагонов буксовыми

узлами с подшипниками качения являлось одним из ключевых направлений при проведении мероприятий по технической реконструкции железнодорожного транспорта.

Замена букс с подшипниками скольжения на буксы с подшипниками качения вагонов позволили сократить трудовые ресурсы железных дорог по техническому содержанию вагонов, увеличить длину безостановочного проследования поездов и увеличить скорость их движения.

Удельное сопротивление движению грузовых вагонов, оснащенных буксовыми узлами с подшипниками качения, в момент начала движения с места уменьшились в 6 – 8 раз. Сокращение удельного сопротивления при движении поездов обеспечило снижение затрат на потребление энергоресурсов.

В тоже время повысились требования к надежности и долговечности буксовых узлов вагонов с подшипниками качения, в соответствии с которыми формируются требования по разработке концептуально новых конструкций подшипников, методов расчета, проектирования, применения новых материалов и прогрессивных технологий для изготовления.

- 6 -

1 КОНСТРУКЦИЯ БУКСОВЫХ УЗЛОВ ВАГОНОВ

1.1 Технические основы конструирования буксового узла вагона

Конструкция буксового узла вагона разрабатывается с учетом условий возможного закрепления подшипников на шейке оси колесной пары, долговечности, климатических условий окружающей среды, частоты вращения, технологичности сборки разборки и изготовления. Размеры, требования к точности сопрягаемых поверхностей, система уплотнений буксовых узлов устанавливают с учетом технических характеристик и условий эксплуатации вагонов.

Конструкция буксового узла должна обеспечивать надлежащую жесткость и прочность, предотвращать нагрев и тепловое влияние на работоспособность подшипников.

Жесткость и прочность буксового узла может быть достигнута за счет механических свойств подшипников качения, поверхность сопряжения которых с деталями крепления должна противостоять нагрузкам без остаточных деформаций.

Тип и технические характеристики подшипников качения устанавливается в соответствии эксплуатационных показателей транспортных средств:

-осевой нагрузки вагона;

-7 -

-величины воспринимаемых нагрузок, их направлением;

-характера и причин образования нагрузок (постоянная, переменная кратковременная, ударная).

Подшипники качения в значительной степени удовлетворяют требованиям их применения в транспортных средствах при умеренных частотах вращения и действии больших радиальных и относительно небольших осевых нагрузок.

По конструктивным признакам они представляют собой сложную механическую систему сопоставимую с планетарным механизмом.

Если в буксовых узлах предусматривается применение типовых подшипников качения, то подбор и расчет осуществляется по методике, соответствующей международным стандартам [12; 13].

При разработке конструкции буксового узла для вагонов особое внимание уделяется расчету технических параметров подшипников с применением методов расчета динамики систем твердых тел, теории упругости, теории теплопередачи, метрологии, металловедения, материаловедения, химии смазочных материалов, машиноведения и деталей машин.

- 8 -

1.2 Общая характеристика подшипников качения

буксовых узлов железнодорожных транспортных средств

Внастоящее время разработано большое количество конструкций подшипников качения, отличающихся по техническим характеристикам геометрическими размерами

иформой тел качения.

Вбуксовых узлах подвижного состава железнодорожного транспорта нашли применение радиальные подшипники с короткими цилиндрическими роликами, радиальные роликовые двухрядные сферические подшипники, радиально-упорные двухрядные подшипники с коническими роликами и шариковые радиальные однорядные подшипники.

Конструкция радиальных подшипников с короткими цилиндрическими роликами (рисунок 1.1) соответствует условиям для восприятия радиальных нагрузок и по техническим возможностям обладают большой радиальной грузоподъемностью.

Подшипники с цилиндрическими роликами очень чувствительны к смещению и перекосу наружных колец относительно внутренних колец, что приводит к возникновению концентрации напряжения у краев роликов

ина бортах колец. Даже небольшие перекосы колец приводят к образованию контактных давлений и к

сушественному снижению долговечности подшипника.

- 9 -

Допустимая осевая нагрузка определяется из условия скольжения торцевых поверхностей роликов относительно бортов или приставных колец:

-продолжительность действия осевоц нагрузки;

-частота вращения подвижного кольца подшипника;

-условия смазки подшипника;

-гирметичность буксового узла.

Рисунок 1.1 Конструкция радиального подшипника с короткими цилиндрическими роликами

Основным направлением повышения грузоподъемности подшипника является увеличение эффекивной длины и числа роликов и оптимизация соотношения радиусов торцевых контактных поверхностей буртов колец.

Радиальные подшипники с короткими цилиндрическими роликами могут быть различными по конструкции в зависимости от наличия и расположения бортов на наружных и внутренних кольцах.

- 10 -