БУКСОВЫЙ ПОДШИПНИК КАЧЕНИЯ ПЕРВОЙ И ТРЕТЬЕЙ КОЛЕСНЫХ ПАР ЛОКОМОТИВА
JOURNAL ROLLING BEARING FOR FIRST AND THIRD WHEEL PAIR OF LOCOMOTIVE

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано, например, для первой и третьей колесных пар локомотива высокоскоростных магистралей (ВСМ) пассажирского и грузового железнодорожного транспорта.
Рама локомотива через рессоры опирается на буксовые узлы трех колесных пар. Чтобы локомотив мог свободно проходить повороты, средняя колесная пара должна иметь возможность перемещаться в осевом направлении. Масса локомотива, например, 54 тонны, масса колесной пары 2 т, диаметр колеса 1250 мм, максимальная скорость 60 км/ч. На первой и третьей осях установлены роликовые подшипники с короткими цилиндрическими роликами и приставными бортиками на наружных кольцах.
Одним из недостатков применяемых радиальных роликовых подшипников является наличие трения качения с проскальзыванием тел качения при эксплуатации подшипников. При этом путь скольжения роликов по отношению к пути качения роликов больше в 25 раз даже за один оборот вала данного подшипника. А сколько оборотов делает ролик за один оборот вала или в минуту просчитать не представляется возможным, так как ролик проскальзывает как по наружной, так и по внутренней дорожкам качения подшипника. А сколько оборотов делает сепаратор? Определить также не представляется возможным. А подшипник состоит всего из четырех деталей, а за 2000 лет не смогли просчитать.
Из-за разности путей скольжения к пути качения и разности скольжения и качения роликов подшипник нагревается, а тем более при увеличении скоростей движения составов до 120; 160; 200; 400 км/ч нагрев будет возрастать. Отмечается выход из строя по усталостному выкрашиванию, износу торцов роликов и бортиков колец, сколу бортика. Подшипники работают в нестандартных условиях, при комбинированном нагружении, происходит и абразивный износ поверхностей тел качения и дорожек качения колец подшипников. Радиальный зазор в подшипнике после 150000…200000км пути может составить до 3 мм и более. Последствия увеличения зазоров известны.
Известен подшипник качения - прототип по патенту RU 2232926 (см. фиг.1 и 2), содержащий внутреннее и наружное кольца с дорожками качения, размещенные между ними тела качения, выполненные в виде роликов, установленных в гнездах сепаратора, тела качения - ролики - выполнены двухступенчатыми, больший диаметр ступени, имеющий один участок, контактирует только с дорожкой качения наружного кольца подшипника, а меньший диаметр ступени, выполненный с двумя участками, контактирует только с дорожкой качения его внутреннего кольца с постоянной и одинаковой частотой вращения, при этом должно выполняться условие сборки подшипника
а по меньшей мере одна дорожка качения внутреннего кольца подшипника выполнена с по меньшей мере одной проточкой для образования зазора с большим диаметром ступени ролика, ступень тела качения - ролика с большим диаметром - выполнена сферической или бочкообразной, а дорожка качения наружного кольца подшипника выполнена сферической.
Условие сборки в буксовом подшипнике качения первой и третьей колесных пар локомотива выполняется. В результате, имеем пионерское изобретение, в котором тела качения - ролики - обкатываются по наружной и внутренней дорожкам качения подшипника с постоянной и одинаковой частотой вращения без скольжения. Данный подшипник может быть использован по своему прямому назначению на ВСМ на локомотивах на первой и третьей колесных парах при скоростях движения до 400 км/ч.
Цель изобретения:
- обеспечение более высокой частоты вращения подшипника первой и третьей колесных пар локомотива;
- обеспечение надежности и долговечности буксовых подшипников локомотива для высокоскоростных магистралей;
- обеспечение заполнения свободной ниши еще одним подшипником чистого качения, работающего на трении качения.
Поставленные цели и технический эффект предлагаемого изобретения достигается за счет того, что, например, на одном из сепараторов жестко закреплены оси и расположены втулки, на которых установлены кольца, внутренние отверстия колец выполнены различной формы: в виде кардиоиды, эллипса, гипоциклоиды, треугольника, пятиугольника, …, последние имеют возможность свободно обкатываться и контактировать с внутренней стороны с поверхностями двух колец с его наружными и внутренними кольцами работающих буксовых подшипников, при этом кольца распределены на торцовой поверхности сепаратора, а число их равно числу простых чисел, как и распределенные массы колец.
На фиг.1 изображен подшипник качения радиальный однорядный роликовый с кольцевой проточкой на дорожке качения внутреннего кольца. Ролик выполнен двухступенчатым - сферического и цилиндрического типа. Направление воспринимаемых нагрузок радиальное и осевое в обе стороны. На фиг.2 дано сечение А-А фиг.1. На фиг.2, 3, 4, 5 и 6 даны примеры исполнения колец, выполняющих роль колебательного контура, порождающего радиальные колебания колец, которые передаются на наружное и внутреннее кольца подшипника.
Буксовый подшипник качения первой и третьей колесных пар локомотива состоит из наружного кольца 1, тел качения 2, выполненных в виде роликов, сепаратора 3, внутреннего кольца 4, осей 5, закрепленных на сепараторе одного из подшипников, втулок 6, свободно установленных на осях 5, и круглых колец 7, 8, 9, 10, 11, выполняющих роль колебательного контура, с различной геометрической формой внутреннего кольца - кардиоидой, эллипса, гипоциклоиды трехлепестковой, правильного треугольника, пятиугольника и возможны, например, семиугольник, и с концентрическим отверстием в кольце.
В корпусе 12 буксы расположены два подшипника качения - радиальных однорядных с роликами 2 сферическо-цилиндрического типа, выполненных двухступенчатыми. Больший диаметр ступени контактирует по линии только с дорожкой качения наружного кольца 1 подшипника, выполненного сферического типа, а меньший диаметр ступени ролика, выполненный по меньшей мере с двумя участками контактирует по линии только с дорожкой качения внутреннего кольца 4 подшипника. Буксовый подшипник содержит корпус буксы 12, две торцовые втулки 13 с лабиринтным уплотнением, кольцо 14, два защитных кожуха 15, которые закреплены болтами 16 с корончатыми шайбами. Корпус буксы 12 содержит две проточки для расположения войлочных уплотнений, возможна установка и армированных манжет, выполненных из резины, для перехода от консистентной смазки к жидкой смазке подшипников буксы. Два подшипника качения установлены на оси 17 колесной пары с предварительным натягом, например, от 100 до 180 Н.
Буксовый подшипник качения первой и третьей колесных пар локомотива работает следующим образом. При вращении оси 17 получают вращение и внутренние кольца 4 подшипника. Ролики 2 меньшими диаметрами ступеней Dwm1 обкатываются только по дорожкам качения d1m внутреннего кольца 4. Большие диаметры ступеней Dwm2 роликов 2 обкатываются только по дорожке качения D1m наружного кольца 1. Вращение тел качения 2 - роликов - происходит в условиях качения без проскальзывания относительно дорожек качения 1 и 4 подшипника с постоянной и одинаковой частотой вращения. При этом выполняется условие сборки подшипника
1m
где d - диаметр дорожки качения внутреннего кольца подшипника;
wm1
D - диаметр меньшей ступени ролика;
1m
D - диаметр дорожки качения наружного кольца подшипника;
wm2
D - диаметр большей ступени ролика.
Следует отметить, что число роликов 2 в подшипнике равно 21 - числу, кратному 3 и 7. А в целях снижения момента трения и коэффициента трения в зазоре между сепараторами двух подшипников, например, на торце одного из них закрепляют оси 5, число последних также кратно трем или семи, которые содержат втулки 6 и кольца 7, 8, 9, 10, 11, выполняющие роль колебательного контура, с отверстиями различного исполнения. Это и позволяет кольцам 7…11 при их обкатке по внутренним поверхностям колец 1 и 4 подшипника за один оборот колец 7 и 11 наносить ударные импульсы по тем же кольцам 1 и 4 от одного до семи. При этом кольцо 10, в котором отверстие выполнено в виде кардиоиды, сообщает кольцу 1 или 4 один ударный импульс. Кольцо 8, отверстие которого выполнено в виде эллипса, сообщает кольцам 1 или 4 по два ударных импульса. Кольца 7 и 9-по три ударных импульса, а кольцо 11 - пять ударных импульсов.
После ударных импульсов сосредоточенной массой каждого кольца 7…11 данные кольца сообщают радиальные колебания различной частоты кольцам 1 и 4 двух подшипников.
Кольца 7, 8, 9, 10, 11 и другого типа могут равномерно располагаться по торцовой поверхности сепаратора 3. Последовательность их расположения по числу ударных импульсов соблюдать необязательно.
Важным является, чтобы частота колебаний не была равна от 7 до 11 Гц, опасно для здоровья человека.
Условие чистого качения ролика по широкому торцу внутреннего кольца 4 отсутствует. Нетрудно заметить, что число ударных импульсов как и число колец, равно простым числам, что способствует при работе буксовых подшипников созданию сложной гармоники колебаний. Последняя участвует в увеличении надежности и долговечности подшипников, например, в шесть, в восемь раз. Что и позволяет проводить первый осмотр состояния буксового подшипника через 1 млн. км пути, как и на испытательном стенде.
к
к
p
c
-1
-1
-1
-1
Россия выделяет на реконструкцию железных дорог 13 триллионов рублей и намечает ввод участков высокоскоростных магистралей со скоростями движения, например, до 400 км/ч. При этом колесная пара делает n=101859, 1636 час; n'=28,294 с, а ролик подшипника будет вращаться с частотой n'=251,109 с. Сепаратор подшипника будет вращаться с частотой n'=14,147 с. Формы отверстий колец 7, 8, 9, 10, 11 участвуют в распределении сосредоточенной массы в кольцах, число которых равно числу простых чисел, как и число колец, участвующих в сборке. Как пример - кардиоида имеет одну сосредоточенную массу, эллипс - две, треугольник - три….
Победа над проскальзыванием одновременно по двум дорожкам качения как наружного, так внутреннего колец подшипника позволяет:
увеличить частоту вращения первой и третьей колесных пар локомотива до скоростей 400 км/ч;
обеспечить надежность и долговечность работы подшипника, воспринимающего комбинированную нагрузку как радиальную, так и осевую в обе стороны, а также за счет снижения момента трения и коэффициента трения в подшипниках;
к
заполнить свободную нишу еще одним подшипником чистого качения, работающего на трении качения f≅0,0003, что значительно увеличивает крутящий момент на валу двигателя локомотива, экономит топливо.
Впервые стало возможным произвести расчет как числа оборотов сепаратора 3 в подшипнике, так и числа оборотов ролика 2 в подшипнике при известных скоростях движения локомотива. Это стало возможным после достижения маленькой победы над трением скольжения в подшипнике качения. Это же позволяет производить все расчеты по подшипникам качения, вести расчеты и по колебательному контуру без предположений, а конкретно, когда стала известна «Теория качения подшипника качения» в первом приближении. Число оборотов сепаратора ровно в два раза меньше числа оборотов оси, а число оборотов ролика связано с условием сборки. Однако следует отметить, что масса кольца 8 не должна быть больше 1/200 массы ролика 2, все последующие кольца должны быть меньше 1/200. Нагрев узла до +100°С, шумность до 80 дБ.
Экономическая эффективность складывается из экономии времени в пути, увеличения грузооборота в несколько раз по отношению к скоростям 32; 40; 60 км/ч. Переход на новые подшипники качения позволят увеличить надежность и долговечность буксового узла, сократить начало ремонтного цикла после 1 млн. км пути.
В целом, буксовые подшипники качения первой и третьей колесных пар локомотива повышают надежность и долговечность в шесть, восемь раз, во столько же раз позволяют высвободить число рабочих бригад, занятых на ремонте как подвижного состава и локомотивов, так и производственных площадей.
Без предложенных подшипников остро встанет вопрос о увеличении в 6…8 раз числа рабочих бригад и бригад МЧС, производственных площадей, затраты по деталям и службам возрастут в десятки раз; так как аварии по причине роста радиального зазора в стандартных подшипниках неизбежны, неизбежна и гибель пассажиров.
А жизнь человека дороже локомотива и компенсации. Теряется генофонд, теряется возможность поступательного развития науки и техники.
Предложенные подшипники не требуют большого количества смазки. Лишняя смазка является тормозом, увеличивает сопротивление качению, греет подшипник качения выше +100°С, шумность также растет.