[01-2019] Полимерные материалы для повышения ресурса зубчатых колес тягового привода

[Admin]

Полимерные материалы для повышения ресурса зубчатых колес тягового привода

В.Е. КОНОНОВ, профессор кафедры «Тяговый подвижной состав» РОАТ МИИТ,
Н.Ю ВАСИЛЕВСКАЯ, экономист

Повышение ресурса упругих самоустанавливающихся зубчатых колес (УСЗК) имеет важное значение для опорно-осевого тягового привода. Внедренные на тепловозах с 1974 г., УСЗК обеспечивают снижение повреждаемости тяговых двигателей (наиболее дорогостоящих в изготовлении и ремонте) в 1,5 — 1,7 раза. Это происходит благодаря снижению динамических нагрузок вследствие упругой связи между венцом и ступицей и более равномерному распределению передаваемой нагрузки подлине зубьев.

Снижение удельной нагрузки на зубья передачи уменьшает их износ, тем самым отодвигая наступление высокочастотной вибрации от пересопряжения изношенных зубьев. Исследованиями установлено, что предельный износ зубьев у упругой тяговой передачи наступает при пробеге в 1,5 — 2 раза большем, чем у жесткой передачи.

Ресурс УСЗК по допустимому износу составляет около 3 млн км, однако на заводах УСЗК меняют уже при пробеге 1,5 — 1,7 млн км из-за предельного износа отверстий в венце и боковых фланцах (тарелках) — базовых элементах УСЗК (рис. 1).

Исследованиями ВНИИЖТа установлено, что при износе отверстий более 2 мм (по диаметру в тангенциальном направлении) в упругой передаче наступают недопустимые вибрации. Эта величина износа (2 мм) является предельной, при которой венец или боковые фланцы заменяют, при этом требуется расформирование колесной пары. Зависимость величины износа отверстий в венце и боковых фланцах от пробега показана на рис. 2.

Износ отверстий происходит от вибрационных микроперемещений упругих элементов с металлической арматурой. Это касается как серийных (рис. 3,а), так и УСЗК с призматическими элементами производства Воронежского ТРЗ (рис. 3,6).

В статьях, опубликованных в журналах «Локомотив» № 1 за 2014 г. и № 6 за 2015 г. нами вносились предложения по исключению износа в сопряжениях упругих элементов с венцом и боковыми фланцами. Предлагалось перейти на варианты конструкции упругой связи между венцом и ступицей с резиновыми элементами без наружной арматуры. Были представлены два варианта.

Первый вариант (рис. 4,а) — с амортизаторами диаметром 70 мм, свулканизированными на втулке (трубе) диаметром 44 мм (все 16 амортизаторов одного типа, рис. 4,6. Этот вариант предусматривался для модернизации УСЗК, изготавливаемых Воронежским ТРЗ. При этом необходимо было несколько изменить конфигурацию боковых фланцев (тарелок) и диска зубчатого венца путем утолщения в районе посадки упругих элементов (рис. 4,в). Поставляемые на завод заготовки позволяют получить измененную конфигурацию этих элементов.

Второй вариант предусматривал установку в УСЗК Луганского завода 16 амортизаторов диаметром 62 мм (одного типа), свулканизированных на втулке диаметром 42 мм. На среднюю часть амортизатора с небольшим натягом надета металлическая втулка, а по концам — концевые стаканы с буртами. При сборке УСЗК амортизаторы с надетой средней втулкой устанавливаются по плотной посадке в отверстия венца, а стаканы предварительно запрессовываются в отверстия боковых фланцев. Венец с амортизаторами краном устанавливается концами амортизаторов в стаканы прифлинцован-ного к ступице неподвижного фланца, затем второй фланец надевается на вторые концы амортизаторов и закрепляется болтами.

Таким образом, в этой конструкции отсутствует подвижный металлический контакт упругих элементов с венцом и боковыми фланцами. 60 УСЗК с такими элементами (названными комбинированными), изготовленные Даугавпилсским ТРЗ, прошли длительную эксплуатационную проверку с поездами массой 4000 — 4500 т; переборок УСЗК в депо до завода не требовалось [1 ].

Правда, при заводском ремонте для проведения дефектоскопии отверстий в венце и фланцах запрессованные втулки и стаканы приходится удалять из отверстий, после чего они повторно не могут использоваться, а заменяются на новые.

Альтернативой стальной арматуре упругих элементов могут стать полимерные материалы. В свое время на кафедре «Локомотивы» РГОТУПСа (сейчас «Тяговый подвижной состав» РОАТ МИИТ) проводилась эксплуатационная проверка комбинированных упругих элементов со стаканами, изготовленными из полиуретана ПФЛ100 сначала в локомотивном депо Сольвычегодск Северной дороги (рис. 5), а затем в депо Узловая Московской дороги. В депо Узловая упругими элементами было оборудовано б УСЗК со стаканами из различных материалов (полиуретана, капрона и алюминия).

После пробега более 430 тыс. км комиссионным обследованием было установлено, что все резиновые амортизаторы находились в
хорошем состоянии, износ резины под алюминиевыми стаканами не превышал 0,4 мм по диаметру, а под капроновыми и полиуретановыми практически отсутствовал. На наружной поверхности полиуретановых стаканов имел место кольцевой намин глубиной до 0,5 мм, а капроновые — выработку 0,4 — 0,7 мм, стаканы из алюминия имели на наружной стороне гладкую полированную поверхность с незначительным износом 0,1 — 0,2 мм [1]. Вид комбинированного элемента с полиуретановыми стаканами после 430 тыс. км пробега представлен на рис. 6.

Положительный опыт проведенных испытаний позволяет утверждать, что полимерные материалы с успехом могут заменить стальные при изготовлении арматуры упругих элементов. В настоящее время промышленность выпускает много различных полимерных материалов, обладающих высокой прочностью, износостойкостью, которые могут быть использованы в качестве конструкционного материала.

Набирает популярность новый полимер — сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ). Этот полимер наряду с высокой механической прочностью обладает ударопрочностью, стойкостью к растрескиванию при высоких температурах под напряжением, стабильностью размеров, низким коэффициентом трения и высокой износостойкостью [2, 3].

Полимер с такими свойствами может быть использован как для изготовления стаканов и средних втулок комбинированных упругих элементов (рис. 7), так и полукорпусов призматических упругих элементов УСЗК (рис. 8). Для изготовления арматуры комбинированных упругих элементов (стаканов и средних втулок) при модернизации УСЗК необходимо использовать литье на термопластавтоматах как наиболее производительное и дешевое.

Втулки и стаканы комбинированных упругих элементов для опытных УСЗК были изготовлены на термопластавтомате из капрона и капролона (рис. 9). Для изготовления полукорпусов призматических упругих элементов предлагаем эскиз четырехместной пресс-формы (рис. 10).

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРЕДЛОЖЕННЫХ ВАРИАНТОВ МОДЕРНИЗАЦИИ УСЗК

Вариант с установкой в УСЗК 16 амортизаторов одного типа диаметром 70 мм (см. рис. 4) требует изменения конфигурации венца и тарелок (см. рис. 4,в). При их изготовлении не нужно существенно изменять технологию обработки и делать их из тех же заготовок, которые поставляются заводу. Боковые фланцы (тарелки) можно изготавливать из низкосортной дешевой стали (СТ 5-20) взамен дорогостоящей стали 40, термообработка не требуется.

На изготовление двух фланцев Воронежского ТРЗ затрачивается около 280 кг дорогостоящей стали 40, а масса двух заготовок для полукорпусов упругого элемента (тоже из стали 40) составляет 7 кг. Таким образом, только на одно УСЗК затрачивается дополнительно свыше 390 кг довольно дорогой стали. Переход на упругие элементы без наружной арматуры исключает эти потери. Кроме того, изготовление полукорпусов из стали трудоемко, требует проведения многих операций (штамповка, фрезерование, обточка, сверление, слесарная обработка).

Амортизаторы, свулканизированные на отрезках обычной водопроводной трубы, при изготовлении значительно дешевле и не требуют дорогой конструкционной стали.

По нашему мнению, вариант модернизации УСЗК с использованием упругих элементов без наружной арматуры является наиболее разумным и менее затратным. Он обеспечит надежную и долговечную работу УСЗК на протяжении пробега более 3 млн км и снизит нагрузку заводов на их изготовление.

Вариант модернизации УСЗК Луганского завода с комбинированными упругими элементами, арматура которых (втулки и стаканы) изготавливается из полимерных материалов (лучше из СВМПЭ) обеспечивает также безизносную упругую связь упругих элементов с венцом и боковыми фланцами. Этот вариант модернизации может быть использован как для новых УСЗК, так и бывших в эксплуатации с незначительным износом (не более 1 мм по диаметру отверстий и является единственным безальтернативным вариантом спасения УСЗК от преждевременной замены.

Вариант модернизации УСЗК комбинированными упругими элементами снизит массу и стоимость тягового привода. Так, в расчете на секцию тепловоза отпадает необходимость изготовления 240 металлических втулок арматуры упругих элементов, 336 стопорных пружинных колец, 96 бонок и 96 заклепок. Повышение технического ресурса резиновых элементов исключит надобность ремонта тяговых редукторов в депо, а при заводских ремонтах нужно заменять лишь упругие элементы.

Вариант с заменой полукорпусов из стали 40 для призматических амортизаторов на полукорпуса из сверхвысокомолекулярного полиэтилена удешевит производство упругих элементов, исключит износ отверстий в венце и фланцах, что позволит заменить сталь 40 на более дешевую для изготовления боковых фланцев.

Работоспособность полукорпусов упругих элементов из полимерных материалов следует проверить эксплуатационными испытаниями. Право выбора вариантов модернизации — за заводами-изготовителями УСЗК, а также ответственными за техническую политику специалистов ЦТ ОАО «РЖД». Вопрос модернизации УСЗК для повышения их ресурса давно назрел.

Библиография

1. В.Е. Кононов, В.И. Михайлов, Л.Е. Степанова «Тяговые передачи с резиновыми амортизаторами», Смоленск: Издательство «Свиток», 2013 г. — 124 с.
2. Ю.А. Житенёв «Новое поколение полимеров для транспорта», журнал «Локомотив», № 9,2006 г.

3. И.Г. Горячева «Применение новых материалов в узлах трения», журнал «Железнодорожный транспорт», № 10,2014 г.