Методика контроля величины натяга бандажа, обеспечивающая надежность соединения "бандаж-обод" колесного центра локомотива

ТРАНСПОРТ

УДК 629.4.027.118

А.П. Буйносов, К.А. Стаценко, Е.В. Бган Уральский государственный университет путей сообщения

МЕТОДИКА КОНТРОЛЯ ВЕЛИЧИНЫ НАТЯГА БАНДАЖА, ОБЕСПЕЧИВАЮЩАЯ НАДЕЖНОСТЬ СОЕДИНЕНИЯ «БАНДАЖ-ОБОД» КОЛЕСНОГО ЦЕНТРА ЛОКОМОТИВА

Аннотация. В статье разработана методика оценки количественной величины натяга бандажа на ободе колесного центра ультразвуковым способом.

Ключевые слова: локомотив, колесная пара, бандаж, обод, ослабление посадки, натяг.

A.P. Buinosov, K.A. Statsenko, E.V. Bgan

Ural State University of Railway Transport

CONTROL TECHNIQUE OF THE INTERFERENCE TYRE FIT DIMENSION PROVIDING RELIABILITY OF THE TYRE-RIM ASSEMBLY OF THE LOCOMOTIVE WHEEL CENTER

Abstract. The article deals with developing a new technique of evaluating the dimension of interference tyre fit on the rim of the wheel center using an ultrasonic method.

Index Terms: locomotive, set of wheels, tyre, rim, weakening of fitting, interference fit.

Введение

Для обеспечения безопасности движения поездов следует поддерживать высокую прочность посадки бандажа на ободе колёсного центра локомотива. Известно, что прочность этого соединения зависит от ряда факторов, среди которых величина натяга, чистота и способ обработки посадочных поверхностей, механические свойства материала бандажа и колёсного центра, температурный режим и ряд других [1; 2]. Основным фактором является натяг, который равен разности диаметров посадочных поверхностей. Величина натяга определяет контактное давления и напряжённое состояние элементов соединения.

В настоящее время величина натяга бандажа на ободе колёсного центра контролируется с помощью стандартных измерительных приспособлений (бандажного штангенциркуля и бандажного нутромера), как разница диаметров посадочных поверхностей. Основным недостатком такого метода является ограниченная возможность его применения, поскольку таким образом можно осуществлять контроль лишь у несформированной колесной пары. В то же время величина натяга бандажа на ободе колесного центра не остается постоянной в процессе эксплуатации (из-за уменьшения толщины бандажа, фреттинг-кор-розии и т.д.) и нуждается в периодическом контроле.

Коллегия ОАО «Российские железные дороги» в феврале 2011 г. поставила задачи разработки и внедрения новых систем технического обслуживания и ремонта ло-

комотивов на основе показателей фактического состояния и прогнозирования остаточного ресурса узлов и оборудования с использованием современных диагностических устройств и методов неразрушающего контроля.

1 Исследование усложняющих факторов для осуществления контроля прочности посадки бандажа

Для решения указанных задач на кафедре «Электрическая тяга» Уральского государственного университета путей сообщения разработана методика определения величины натяга бандажа на ободе колесного центра после формирования колесной пары в эксплуатации.

Использовалась зависимость величины и формы ультразвуковых импульсов, отраженных от границы «бандаж-обод» от контактного напряжения. Возможность применения этого эффекта начиная с 50-х гг XX века признается учеными разных стран. Однако усложняющие факторы, такие как овальность, конусность, сложная форма и неодинаковая толщина бандажей, не позволяли решить эту задачу. Только в настоящее время с развитием современной электронной техники такая возможность появилась [3].

Значительную трудность для осуществления контроля прочности посадки по величине и форме импульсов, отраженных от границы «бандаж-обод», представляет отклонение от идеальной формы контактных поверхностей. Согласно действующей инструкции МПС России № ЦТ/329, допускается овальность посадочной поверхности не более 0,2 мм и конусность не более 0,1 мм. Для уменьшения «эффекта» конусности исследовались сигналы, отраженные от середины контактной поверхности бандажа с ободом колесного центра.

При рассмотрении геометрии ультразвукового поля дискового излучателя было установлено, что в ближней зоне волна распространяется без расхождения, протяженность которой определяется по формуле Ьб = а2 / X.

В нашем случае радиус пьезоэлемента а = 6 мм. При частоте V = 2,5 МГц в стали длина волны X = 2,3 мм и

Ьб «15 мм (рисунок 1). Учитывая, что в дальней зоне половинный угол раскрытия q составляет:

0 = штат

т.е. 0 « 14 °С. При толщине бандажа l = 90 мм получим, что падающая на границу бандаж обод ультразвуковая волна имеет вид овала с площадью Б:

S « [а + (I - Le) • tgef •п.

-

Le

/

Вид А

Рисунок 1 - Схема ультразвукового поля, создаваемого пьезоэлементом

a

А

Представляет интерес оценка погрешности, которая получается, если предположить, что интенсивность ультразвуковой волны падает только вследствие ее расхождения. Тогда интенсивность 3 обратно пропорциональна площади поперечного сечения волны:

32 / 31 = & / & .

Средние координаты первого Уср1 и второго донного У . сигналов: У . = 94,4 мм, У . = 185,7 мм.

ср.2 ср.1 ' ' ср.2 '

Подставив в формулу (2) 11 = 2 Уср1, 12 = 2Уср2, получим площадь поперечного сечения и Б2 УЗК в месте регистрации донных сигналов при условии, что их поле имеет вид усеченного конуса при = 7120 мм2 и Б2 = 26300 мм2.

Среднее значение амплитуды первого донного импульса составляет Nсp1 = 95,5 пикселей. Переведем это значение в дБ.

= 20 1д N / N0).

Для дефектоскопа УД3-103 N^52,6, тогда Nc 1 дБ = 5,18дБ + ДЭ (ДЭ - значение ослабления на экране, дЭР=Я24 дБ).д

Среднее значение второго донного сигнала

Мср 2 ~43,0 пикселя. Переведем это значение в децибелы.

Чр.1 дБ = -1,75дБ + Дэ,

тогда

АД = А^ = ^р.1 дБ - ^ср.2 дБ , или АД = 6,93 дБ.

Определим фактическое отношение интенсивностей УЗК при регистрации первого и второго донных импульсов. Так как N = 10 • ^ 3/ 30 , то:

32 / З1 = 10АД 7 10 .

32 / 31 = 0,203, из [4] теоретическое отношение

(32 / 3)т = 0,271.

Разница между фактической и теоретической интен-сивностями составляет 25%. Это обусловлено поглощением и рассеянием волны в бандаже, упрощением ультразвукового поля при расчетах.

Вследствие не параллельности отражающих поверхностей, при каждой регистрации сигнала пьезоэлемент (ПЭП) оказывается все дальше отстоящим от центральной оси ультразвукового поля, где интенсивность волны меньше.

Кроме того, при каждом отражении от поверхности бандажа происходит частичная трансформация продольной волны в поперечную и поверхностную [5]. Эти волны распространяются с другими скоростями и в других направлениях, чем продольная [6], что приводит к уменьшению амплитуды главного участка регистрируемого импульса. Наконец, амплитуда и форма донного импульса зависят от коэффициента отражения границы «бандаж-обод» [7].

Из-за сложности картины распространения ультразвука информацию о состоянии контакта «бандаж-обод» могут нести только первый и второй донный импульсы. Учитывая данное обстоятельство, эмпирически было выбрано оптимальное положение ПЭП на поверхности бандажа так, чтобы амплитуды донных импульсов были максимальны. При всех измерениях ПЭП устанавливался на поверхности катания таким образом, чтобы расстояние между точкой входа центрального луча и боковой гранью бандажа со стороны опорного буртика составляло 63 мм. Это расстояние фиксировалось с помощью поводка, закрепленного на корпусе пьезопреобразователя [4].

Другой существенной проблемой в применении ме-

тода является допускаемая при изготовлении бандажа и колесного центра овальность посадочных поверхностей. По этой причине в отдельных участках контактирующих поверхностей механические напряжения превышают расчетные, а в отдельных участках контактное механическое напряжение может вообще отсутствовать.

Овальность не влияет на распределение напряжений, если направление больших полуосей эллиптических посадочных поверхностей совпадают. Зоны контроля можно было бы точно определить, если бы была известна ориентация этих полуосей, что на практике нереально.

Для уменьшения влияния овальности зондирование контактирующих поверхностей производилось в шести точках, равномерно распределенных вдоль окружности бандажа. Схема расположения участков ультразвукового контроля показана на рисунке 2.

Рисунок 2 - Схема расположения участков ультразвукового контроля

Существенно повлиять на величину импульсов могут помехи, связанные с изменением поглощения и рассеяния ультразвука средой [8]. Участки материала с крупнозернистой структурой сильнее рассеивают УЗК, что при большой протяженности исследуемого объекта может привести к значительному ослаблению донных сигналов. Так, например, при «прозвучивании» осей колесных пар электровозов разность амплитуд донных сигналов от годной к эксплуатации оси и забракованной составляет более 46 дБ.

Для того чтобы установить, в какой степени структурные реверберации в бандажной стали влияют на амплитуду донных импульсов, по результатам серии измерений была определена наиболее вероятная средняя разность амплитуд первого и второго донных импульсов

Ао = АNl2 = 52,47 пикселей. Измерения производились по экрану дефектоскопа при одинаковых показаниях аттенюатора. Разность амплитуд донных сигналов при п-ом измерении А :

Ап = N1" - N2",

где N1n - амплитуда первого донного импульса при п-ом измерении; N2" - амплитуда второго донного импульса при п-ом измерении.

Разница между разностью амплитуд при п-ом измерении и средней разностью амплитуд рп = Ап - А0. Вероятная погрешность измерений ААОВ :

Мэв = ^

р1+р2+...+р2п

п

В нашем случае число измерений п = 51. Тогда АДОВ = 0,95 пикселей. Вероятная относительная погреш-

ность Уов :

Уев -100%,

А«

Уов = 1,8 %.

Аналогичные вычисления, выполненные по результатам серии измерений, дают А0 = 51,57 пикселей.

2 Методика количественного определения величины натяга бандажа на ободе колесного центра у сформированной колесной пары

Измерения проводились в 2008-2011 гг. на Екатеринбургском электровозоремонтном заводе (ЕЭРЗ), на котором используются бандажи, отлитые на Нижнетагильском металлургическом комбинате (НТМК). Поскольку измерения проводились в течение длительного времени, то по полученным результатам можно судить о стабильности структуры бандажной стали.

Эксперименты показали, что на амплитуду второго донного импульса в некоторой степени влияет неравномерность прижатия ПЭП к поверхности катания бандажа, в то время как стабильность амплитуды первого донного импульса легко обеспечивается.

Для оценки этого фактора по результатам серии измерений определена наиболее вероятная средняя разность амплитуд зондирующего импульса и первого донного Ао = ANol = 57,01 пикселей при одинаковых показаниях аттенюатора дефектоскопа. Разность амплитуд сигналов при п-ном измерении Ап:

Ап = N0" - N1",

где N0" - амплитуда зондирующего импульса при п-ном измерении; М," - амплитуда первого донного импульса при п-ном измерении.

Разница между амплитудами при п-ном измерении и средней разностью амплитуд рп = Ап - А0. В нашем случае

число измерений п = 161. Тогда ДДОВ = 0,16 (формула 9), или ДДОВ = 0,033 дБ. Относительная вероятная погрешность Уов = 0,29 % (формула 10). Это в шесть раз меньше, чем для разности между первым и вторыми импульсами.

Итак, в процессе измерений было установлено, что разность показаний д М01 между зондирующим и первым донным импульсом меняется в гораздо меньших пределах, чем разность между первым и вторым донными импульсами д М12. Поэтому д М01 была выбрана за индикатор дефектов, которые могут значительно изменить форму донных импульсов.

После анализа количества значений д М01 по результатам измерений установлена величина порога д М01 < 67; где 67 число делений по экрану дефектоскопа, это соответствует д М01 < 9,8 дБ. Если это условие не выполнялось, то измерение заменялось измерением в другом участке бандажа, отстоящем по окружности примерно на 10 см.

Установлено, что в большинстве случаев «аномальное» ослабление первого донного импульса происходит за счет рассеяния УЗК в районе, прилегающем к поверхности катания. Поэтому, если при значении параметра «отсечка», равном 5%, импульсы, прилегающие к зондирующему сигналу, имеют протяженность более 30 мм (1 клеточка экрана), то такое измерение также игнорировалось и заменялось измерением в другом (соседнем) месте.

Для проверки возможности регистрации зависимости величины и формы донных импульсов от контактного

давления исходя из полученных данных проведенных экспериментов определено среднее значение разности амплитуд д М01ср зондирующего и первого донного импульсов для суммы мест 6 и 1

дЛЬср. = ЕдЛ01 / п =3081/54=57,06 (п = 54 - число измерений). Для суммы мест 2 и 5 среднее значение разности амплитуд д М01ср = 3024/53 = 57,06, для суммы мест 3 и 4 д М01ср = 3074/54 = 56,93. Разброс результатов составляет 0,2 %, что свидетельствует о высокой точности измерений.

В [9] был дан обзор работ по определению площади касания шероховатых поверхностей в зависимости от контактного давления для некоторых сталей, где показано, что для материалов с высокой твердостью эти площади не превышают нескольких процентов от номинальной площади. В нашем случае перед посадкой бандаж подвергается нагреву, что изменяет состояние поверхности и делает затруднительным теоретическое определение фактической площади контакта. Однако ясно, что пропорционально натягу возрастает контактное давление на границе «бандаж-обод», что ведет к увеличению площади касания поверхностей, а значит, к уменьшению коэффициента отражения ультразвука и уменьшению интенсивности донного сигнала.

Определим пределы изменения механических напряжений на границе «бандаж-обод». Известно [3], что при толщине бандажа 90 мм и натяге д й = 1,9 мм контактные

напряжения составляют в среднем 5± = 32,3 МПа и изменяются прямо пропорционально натягу, поэтому 8± = к д й, откуда к = 17 МПа/мм. При д й = 1,5 мм -

8± =25,5 МПа, а при д й = 1,7 мм - 8± = 28,9 МПа. Следовательно, при изменении натяга в допустимых пределах от 1,5 мм до 1,7 мм контактные напряжения возрастают на 13,3%.

Следующим этапом проведенных исследований был анализ полученных зависимостей соотношения импульсов от величины натяга по результатам измерений в 2008-2011 гг на ЕЭРЗ. Работа была выполнена при температуре в колесном цехе t = 15°С при одинаковом значении усиления

дефектоскопа З при специально созданной настройке «084», основные параметры которой: у = 2,5 МГц; и = 5850 м/с; время ПЭП 2,3 мкс; длина развертки 284 мм; отсечка 0,5%. Все измерения выполнялись с одним ПЭП № 132.

Для уменьшения эффекта овальности, как указывалось выше, данные снимались в шести точках бандажа равномерно по окружности, после чего однотипные параметры суммировались.

При расчетах учитывалось, что увеличение толщины бандажа на 1 мм вблизи среднего значения уменьшает амплитуду донного импульса на 0,09 дБ.

Из анализа экспериментальных данных следует, что в хорошей корреляционной зависимости от натяга находится выражение:

5=2 N°*

где М0 - амплитуда зондирующего импульса; М1 -амплитуда первого донного импульса; Л1 - ширина первого донного импульса, пикселей.

Каждая сумма имеет шесть слагаемых по числу мест измерения. Определение зависимости В = f (натяг), вели-

чины В от величины натяга, осуществлялось с помощью методов регрессионного анализа, который позволяет обработать полученный статистический материал с минимальной потерей информации. Рассматриваемая зависимость была описана линейной функцией вида В = а + Ь х (натяг), где а, Ь - коэффициенты аппроксимации, определяемые из статистических данных по методу наименьших квадратов. При оценке надежности коэффициента корреляции убедились, что его абсолютная величина превышает

среднюю квадратичную ошибку стг не менее чем в 3 раза,

т. е. г / стг > 3. Полученные значения коэффициентов аппроксимации и корреляции приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Полученные значения коэффициентов аппроксимации и корреляции

Коэффициенты регрессии Коэффициент корреляции, R Остаточная дисперсия, S02, (пикселей)2 Достоверность связи,

а, пикселей b, пикселей/ мм

185,167 701,623 0,820 58,439 4,154

Таким образом, при увеличении натяга в пределах, установленных [4], т.е. от 1,45 до 1,72 мм, параметр В увеличивается на 9,6%, что существенно и сравнимо с возрастанием контактного напряжения. Анализ формы импульсов показал, что при изменении натяга заметно изменяется крутизна п1 ската (заднего фронта) первого донного импульса. Для бандажей под нагрузкой среднее значение отношения N1 / п1 для мест «1» и «6» вверху бандажа больше на 5%, чем внизу. Следовательно, при увеличении контактного давления крутизна заднего фронта п1 увеличивается.

Для подтверждения данной закономерности была проведена серия экспериментов при использовании режима работы дефектоскопа УД3-103 с двумя периодами в зондирующем импульсе. Исследовалась зависимость параметра С:

С = 2

i

0,01 • N

i

где п1 - спад величины импульса на трех ступеньках, пикселей.

Значения величины С суммировались для шести измерений у каждого испытуемого бандажа. Эмпирическая зависимость величины С от величины натяга (С = ^(натяг)), с помощью методов регрессионного анализа была описана линейной функцией С = а + Ь • (натяг), где а, Ь - коэффициенты аппроксимации, определяемые из статистических данных по методу наименьших квадратов. Установлено, что при изменении величины натяга в установленных пределах [9] параметр С увеличивается примерно на 19%, однако имеет место значительный разброс результатов. Дальнейшие исследования показали, что при изменении формы зондирующего импульса характер зависимости также изменяется. Тем не менее этот эффект в совокупности с другими признаками может служить критерием для определения натяга бандажа [10].

В процессе анализа экспериментальных данных было обнаружено, что в режиме работы дефектоскопа с одним периодом в зондирующем импульсе, вершина первого донного импульса имеет вид буквы «и» и разность между пиками вершины находится в корреляционной зависимости от натяга.

Аналогично, как и для величин В и С, при определении зависимости и = ^(натяг), величины и от величины натяга с помощью методов регрессионного анализа, была

описана линейной функцией =a + b • (натяг). Заключение

По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1 Показана возможность определения натяга бандажа по величине и форме ультразвуковых импульсов, отраженных от поверхности контакта пары «бандаж-обод».

2 Разработана методика оценки количественной величины натяга бандажа на ободе колесного центра при насажанных бандажах.

Список литературы

1 Буйносов, А. П. Методы повышения ресурса бандажей колесных пар

тягового подвижного состава [Текст]: дис.... д-ра техн. наук/ А. П. Буйносов. - Екатеринбург, 2011.-455 с.

2 Буйносов, А. П. Определение натяга пары «бандаж-обод» с

помощью ультразвуковых импульсов [Текст]/ А. П. Буйносов, К. А. Стаценко, Н. И. Сергеев // Транспорт Урала. - 2004. - № 3 (3). - С. 31-37.

3 Буйносов, А. П. Повышение ресурса колесных пар электровозов

технологическими методами [Текст] : монография/

А. П. Буйносов, К. А. Стаценко. - Саарбрюккен, Germany (Германия):

Изд-во «LAP LAMBERT Academic Publishing», 2012. - 215 с.

4 Стаценко, К. А. Повышение долговечности колесных пар

электровозов технологическими методами [Текст] : автореф. дис.... канд. техн. наук/К. А. Стаценко. - Екатеринбург : УрГУПС, 2004. - 24 с.

5 Буйносов, А. П. Методы повышения ресурса бандажей колесных пар

тягового подвижного состава [Текст]: дис.... д-ра техн. наук/ А. П. Буйносов. - Екатеринбург, 2011. - 455 с.

6 Буйносов, А. П. Прибор для контроля рельсов [Текст]/

A. П. Буйносов, Н. А. Михайлова, О. М. Михайлова // Путь и путевое хозяйство. - 2010. - № 10. - С. 13-15.

7 Буйносов, А. П. Совершенствование методики контроля

шероховатости посадочной поверхности бандажей колесных пар локомотивов [Текст]/ А. П. Буйносов, К. А. Стаценко,

B. А. Тихонов // Вестник УрГУПС. - 2011. - № 4(12). - С. 23-30.

8 Наговицын, В. С. Измерение параметров колесных пар

локомотивов. Автоматизированная система [Текст] : монография / В. С. Наговицин, А. П. Буйносов, В. Л. Балдин. -Саарбрюккен (Германия) : Изд-во «LAP LAMBERT Academic Publishing», 2011. - 244 с.

9 Буйносов, А. П. Влияние шероховатости посадочных поверхностей

на надежность соединения «бандаж-обод» и ресурс колесных пар тягового подвижного состава [Текст] / А. П. Буйносов // Вестник УрГУПС. - 2009. - № 3-4. - С. 77-86.

10 Буйносов, А. П. Как повысить надежность бандажей [Текст]/

А. П. Буйносов, В. С. Наговицин //Локомотив. - 1999. - № 7. -

C. 36-38.

УДК 629.621.85.62 -587 Б.М.Тверсков

Курганский государственный университет

работе с землеройными орудиями раздельное вращение колес заднего моста исключено: оба колеса вращаются с одинаковыми оборотами. Этим увеличивается общая тяга и улучшается проходимость.

НАГРУЖЕННОСТЬ ТРАНСМИССИИ ДВУХОСНЫХ ТЯГАЧЕЙ

Аннотация. В трансмиссии двухосного тягача, используемого для землеройных работ, предложено вместо выходящего из строя дифференциала свободного хода, устанавливаемого в заднем мосту тягача, привод одного из задних колес делать жестким, а другое колесо подключать шлицевой муфтой при необходимости.

Ключевые слова: демпфер, резонанс, колебание, трансмиссия.

B.M.Tverskov Kurgan State University

TWO-AXLE TRACTOR TRANSMISSION LOADING

Рисунок 2 - Установка токосъемника на колесе

Abstract. In the transmission of two-axle tractor used for excavation work, it is suggested, instead of the failing freewheel differential installed in the rear axle of the tractor, that the drive of one of the rear wheels should be made rugged, and another wheel should be connected with spline coupling when required.

Index Terms: damper, resonance, oscillation, transmission.

Двухосные колесные тягачи используются в основном для выполнения землеройных работ (рисунки 1, 2). На-груженность привода их колёс при этом полная: работы совершаются с постоянным буксованием колес одного моста и с вывешиванием колес другого моста. Отсюда повышенный износ деталей привода и самовыключение полуосей в самоблокирующемся дифференциале свободного хода (рисунок 3), установленном в заднем мосту тягача. Самовыключение сопровождается большими динамическими нагрузками, когда при раскрутке валов выбираются зазоры между зубьями шестерен и происходит сильный удар зубьев. Проведенные исследования направлены на устранение этого недостатка.

Рисунок 1 - Двухосный тягач КЗКТ-538Д ПКТ

Передний мост тягача отключается шлицевой муфтой, межколесный дифференциал в переднем мосту -простой конический неблокируемый.

Показанный на рисунке 3 дифференциал свободного хода при движении на прямой ровной дороге и значительной тяге заблокирован, все детали дифференциала и полуоси вращаются как одно целое со скоростью ведомой конической шестерни. В условиях бездорожья или

дифференциала; 4 - ведущая муфта; 5 - полумуфта; в - полуосевая шестерня; 7 - пружина; 8 - стакан пружины;

9 - разрезное распорное кольцо; 10 - стопорное кольцо;

11 - центральное кольцо; 12 - дистанционная втулка

Рисунок 3 - Межколесный дифференциал в заднем мосту тягача

Внешнее колесо на повороте вращается быстрее, чем внутреннее. Полумуфта 5 забегающего внешнего колеса вращается быстрее ведомой конической шестерни 1 и ведущей муфты 4. Опираясь своими профильными зубьями на зубья центрального кольца 11, полумуфта 5 отходит от ведущей муфты 4 и выключается (рисунок 4). Разрезное распорное кольцо 9, находящееся на полумуфте, вращается вместе с ней до тех пор, пока не упрется краем выреза в шпонку 2, установленную в ведущей муфте 5. Торцы зубьев разрезного распорного кольца 9 устанавливаются напротив торцов зубьев центрального кольца и удерживают полумуфту от включения. На протяжении всего поворота забегающая полумуфта 5 остается отсоединенной и крутящий момент на полуось ею не передаётся. Крутя-