Расчет буксовых подшипников на прочность и долговечность

Назначение букс. Буксы предназначены для передачи вертикальных и горизонтальных сил (сил тяги и торможения, поперечных сил от набегания колеса на рельсы) между рамой тележки и колесной парой.

В настоящее время на тяговом подвижном составе применяют бесчелюстные буксы, которые  связаны с рамой тележки с помощью резинометаллических поводков, которые исключают механическое трение, не требуют постоянной смазки и смягчают удары и толчки при движении по неровностям пути.

1.1. Конструктивные особенности букс

В соответствии с возложенными функциями буксовый узел включает в себя следующие основные элементы:

– подшипниковый узел, обеспечивающий механическую связь невращающих конструкций тележки с вращающейся колесной парой. В него входят подшипники и несущий корпус буксы. На корпусе буксы предусмотрены посадочные места для элементов, через которые осуществляется связь с рамой тележки;

– упругий элемент вертикальной связи через, который тележка опирается на буксу (пружины, листовые рессоры, резинометаллические амортизаторы;

– устройства продольного и поперечного соединений буксы с рамой тележки (балансиры, валики, поводки и т. п.).

Особое значение у бесчелюстных букс занимают поводки, с помощью которых она соединяется с рамой тележки. Поводок состоит из корпуса, валика и размещенного между ними резинового амортизатора (рис. 14.1).

Особенности конструкции бесчелюстной буксы. Корпус буксы литой, соединяется с рамой с помощью двух поводков, которые крепятся клиновым соединением. Потолок корпуса буксы выполнен в виде свода переменного сечения с увеличенной толщиной в верхней части, что приводит не только к более равномерному распределению нагрузки между роликами, но и к увеличению числа роликов, находящихся в рабочей зоне. В передней части буксы установлен осевой упор качения. Упорный подшипник постоянно прижат к оси пружиной усилием 2 кН. Между упором и крышкой установлен амортизатор (две металлические пластины толщиной 2 мм с резиновым элементом). В корпусах буксы средних колесных пар амортизатор не ставится, что обеспечивает им осевой разбег 14 мм. Чтобы отличить колесные пары на буксах средних ставится метка СР, а на крайних – КР.

Конструкция поводка. Поводок служит для передачи силы тяги от корпуса буксы к тележке и силы торможения от рамы тележки к корпусу буксы. Поводок состоит (рис. 14.1) из корпуса, стальной втулки, сайлент-блока, амортизатора и шайбы.

 

Рис..1. Буксовый поводок: 1 – наружная
шайба; 2 – амортизатор; 3 – корпус; 4 –
стальная втулка; 5 – сайлент-блок; 6 – ось

Перед монтажом сайлент-блока его смазывают смесью, состоящей из 30 % касторового масла и 70 % этилового спирта. Для прочной вулканизации поводок помещают в темное место и выдерживают в течение 20 суток. Ось по концам обработана под клин, что обеспечивает ихбеззазорную посадку в пазы буксы и рамы тележки. При движении по неровностям пути возникают вертикальные перемещения буксы, вызывающие возникновение в поводке напряжения скручивания. В результате этого на буксу действует дополнительная нагрузка, увеличивающая жесткость рессорного подвешивания.

 

1.2. Выбор роликовых подшипников

Роликовые подшипники изготавливают из высокопрочных хромистых сталей ШХ – 15СГ при твердости после термообработки НС = 62–65.

Выбор и расчет буксовых подшипников следует произво­дить в следующем порядке:

Намечается тип и количество подшипников на шейке оси.    Рекомендуется применять подшипники с короткими цилиндрическими роликами, как обладающие наибольшей радиальной грузоподъемностью и  рядом технико-экономических преимуществ в сравнении с другими ти­пами подшипников.

Требуемая расчетная долговечность подшипников L  должна составлять на менее 3 млн.км про­бега.

Приближенный расчет локомотивных роликовых подшипников строится исходя из срока службы до появления усталостного износа (выкрашивания) металла на поверхности роликов и беговых дорожек.

Срок службы подшипников h (расчетная долговечность) определяется путем решения эмпирического уравнения:

(1.1)

где С – коэффициент работоспособности подшипника;

  Q_экв – приведенная радиальная нагрузка на подшипник, Н;

  n_ср – средняя частота вращения подшипника, об/мин;

  h – срок службы подшипника, ч.

В свою очередь радиальная нагрузка на подшипник определяется из выражения

,   (14.2)

где R – радиальная нагрузка на подшипник, с учетом нагрузки, приходящейся на шейку, и силы тяги, реализуемой одним колесом, определяется как

                    (14.3)

 

где Р_СТ – статическая нагрузка на шейку, Н;

F_КК – сила тяги, отнесенная к колесу, Н;

m – коэффициент приведения осевой нагрузки к радиальной. Для цилиндрических подшипников, смонтированных в буксе с осевым упором m =0, для сферических подшипников – 3,0, для конических роликовых – 1,3;

Y_о – осевая нагрузка, Н, принимается равной 0,45 Р_СТ;

  K_к – коэффициент вращения (при условии вращения внутреннего кольца подшипника на оси принимается равным 1);

К_т - коэффициент температуры (принять равным 1)

К_Б – коэффициент безопасности, учитывающий влияние динамических усилий, для локомотивных букс он равен 1,5–3;  

средняя частота вращения подшипника рассчитывается следующим образом:

, об/мин          (14.4)

где n₁ – частота вращения при движении по расчетному подъему;

        n₂ – частота вращения при движении с конструкционной скоростью.

Частоты n₁  и n₂ пересчитывается при известной линейной скорости движения локомотива:

(1.1)

 (1.2)

где  и  – расчетная и конструкционная скорости движения локомотива

  соответственно, км/ч

 

 

Определяется статическая радиальная сила, действую­щая на один подшипник:

 

,

где  – вес, передаваемый одним колесом на рельсы

 - вес деталей, не передающих нагрузку на подшипник (внутренние кольца подшипников, лабиринтные кольца, торцевые гайки и т.д.)

 - число подшипников в буксе

Определяется необходимая динамическая грузоподъем­ность подшипника С по формуле:

,

По ранее намеченному типу подшипников, внутреннему диаметру подшипника (посадочному диаметру внутреннего кольца), который принимается равным расчетному диаметру шейки оси, и най­денной динамической грузоподъемности С, или близкой к ней, в со­ответствующих типу подшипников таблицах справочника-каталога подбирается номер (условное обозначение) подшипника и его габа­ритные размеры. Подбор подшипников следует начи­нать с легкой серии.

Расчет долговечности после выбора типового подшипника ведется по формуле:

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. По каким признакам классифицируются буксы?

2. В чем отличительная особенность бесчелюстных букс?

3. Какую роль в экипажной части играет поводок?

4. Как рассчитывается срок службы подшипника?