Стенд для испытания колес и осей колесных пар на сопротивление усталости
STAND FOR WHEELS AND WHEEL PAIR AXLES DURABILITY TESTING

Изобретение относится к стендам, осуществляющим испытание колес и осей колесных пар железнодорожного подвижного состава на сопротивление усталости.
Колеса и оси колесных пар являются одними из наиболее ответственных деталей экипажной части подвижного состава, от прочности которых во многом зависит безопасность движения железнодорожного транспорта. Поэтому вопросам надежности осей и колес в процессе их эксплуатации всегда уделяется повышенное внимание. В связи с этим в разных странах были созданы стенды для исследования сопротивления усталости колес и осей колесных пар. Наиболее достоверные результаты по определению сопротивления усталости этих деталей могут быть получены путем проведения их натурных усталостных испытаний.
Известен стенд для проведения усталостных испытаний колес и осей колесных пар железнодорожного подвижного состава [1]. Он состоит из массивной опирающейся на пружины опорной плиты, к горизонтальной площадке которой посредством специальных струбцин прижимается обод испытываемого колеса или ступица, в центральном отверстии которой зажата испытываемая ось. В случае испытания оси ее натурный (по диаметру и форме галтелей) образец изготавливают таким образом, чтобы его исследуемое (наиболее нагруженное в эксплуатации) сечение было расположено в зоне заделки в ступицу. При испытании колеса нагрузка на него передается через технологическую ось, запрессованную в центральное отверстие этого колеса. В верхней части оси (при испытании колеса - технологической оси) крепится нагружающее устройство. Оно содержит неуравновешенную массу, которая приводится во вращение вокруг оси. При этом в испытываемой оси (или колесе) создается вращающийся изгибающий момент, который создает требуемые по амплитуде циклически повторяемые переменные напряжения, под действием которых исследуется сопротивление усталости этих деталей. Нагружающее устройство стенда, описанного в работе [1], выполнено как единое целое с приводящим его во вращение двигателем. По такой схеме созданы стенды фирмы Lucchini (Италия) и компании SincoTec  GmbH (Германия, Клаусталь-Целлерфельд) [2]. В испытательном стенде фирмы "Bonatrans" (Чехия, Богумин) [3] нагружающее устройство выполнено отдельно от двигателя. Двигатель расположен над нагружающим устройством и закреплен на ферме, опоры которой расположены за пределами опорной плиты стенда. Передача вращающего момента от двигателя на нагружающее устройство осуществляется через карданный вал. Такая схема стенда защищает двигатель от восприятия высокого уровня вибраций, возникающих в верхней части осей испытываемых объектов. Данный стенд принят в качестве наиболее близкого аналога.
К недостаткам рассмотренных стендов можно отнести необходимость обеспечения высокой массы опорной плиты. Например, масса опорной плиты стенда компании SincoTec Bauteil-Pruftechnik GmbH (Германия, Клаусталь-Целлерфельд) составляет 100-тонн [2]. При облегченной опорной плите силы инерции, которые возникают в нагружающем устройстве, приводят к ее высокой вибрации. Вибрация опорной плиты через поддерживающие ее пружины передается на фундаментное основание. Это приводит к постепенному разрушению здания и неудобствам работы персонала. Другим недостатком стенда является отсутствие возможности разместить на единой опорной плите несколько объектов испытания. Это связано с тем, что вибрация опорной плиты, вызываемая проведением испытаний первого объекта, передается на второй объект, создавая в нем незапланированные (паразитные) напряжения. Усиление указанного эффекта связано с высокой массой нагружающих устройств, которые расположены на верхнем конце осей (при испытании колес - технологических осей). Отсутствие возможности одновременного испытания нескольких объектов приводит к увеличению продолжительности общего цикла испытаний.
Техническим результатом изобретения является снижение массы опорной плиты и обеспечение возможности проведения испытаний на опорной плите нескольких объектов.
Технический результат достигается тем, что в стенде для проведения испытаний колес и осей колесных пар на сопротивление усталости, содержащем двигатель, передаточный механизм, нагружающее устройство с вращающейся неуравновешенной массой, которое установлено в верхней части испытываемых объектов, а именно на технологической оси, вставленной в центральное отверстие испытываемого колеса или на испытываемой оси, вставленной в отверстие консольно удерживающей ее ступицы, закрепленных на опорной плите, которая через пружины опирается на фундаментное основание, дополнительно соосно с валом нагружающего устройства установлен уравновешивающий механизм с неуравновешенной массой, повернутой относительно неуравновешенной массы нагружающего устройства на 180°, который посредством удерживающих его жестких стоек передает на опорную плиту силы инерции, направленные относительно сил инерции, создаваемых нагружающим устройством, в противоположную сторону, что приводит к снижению вибрации опорной плиты. Для одновременного испытания нескольких объектов на опорной плите может быть выполнено несколько мест для установки испытываемых объектов, причем каждому из них соответствует свой двигатель, передаточный механизм, нагружающее устройство и уравновешивающий механизм. Для дополнительной защиты основной опорной плиты от вибрации двигатель, передаточный механизм, уравновешивающий механизм с неуравновешенной массой посредством жестких стоек могут опираться на промежуточную опорную плиту, прикрепленную к опорной плите через упругие проставки. Для увеличения жесткости подвески опорной плиты в горизонтальном направлении пружины, посредством которых опорная плита опирается на фундаментное основание, могут быть выполнены с отклонением от вертикальной линии или между опорной плитой и фундаментным основанием могут быть дополнительно установлены горизонтально расположенные пружины.
Предлагаемый стенд изображен на рисунке.
Вал двигателя 1 муфтой 2 соединен с расположенным соосно с ним валом уравновешивающего механизма 3 с неуравновешенной массой (далее по тексту уравновешивающий механизм). Вал уравновешивающего механизма 3 через передаточный механизм, включающий в себя карданный вал 4, механизм компенсации 5 изменения его длины и упругий элемент 6 снижения крутильной жесткости соединен с расположенным строго под ним нагружающим устройством 7. Валы нагружающего устройства 7 и уравновешивающего механизма 3 соединены таким образом, чтобы их неуравновешенные массы были повернуты относительно друг друга на 180°. Нагружающее устройство 7 установлено на испытываемую ось 8 колесной пары, запрессованную в жесткую ступицу 9 или на технологическую ось 8, запрессованную в центральное отверстие испытываемого колеса 9 (в зависимости от того, испытания какого объекта выполняются в стенде). Колесо 9 (или ступица 9) посредством струбцин 10 плотно прижаты к опорной плите 11. На эту же опорную плиту 11 посредством жестких стоек 12 опираются двигатель 1 с уравновешивающим механизмом 3.
Колесо 9 (или ступица 9) посредством струбцин 10 могут быть прижаты не непосредственно к опорной плите 11, а к промежуточной опорной плите 13, прикрепленной к опорной плите 11 через упругие проставки 14. При применении промежуточной опорной плиты 13 крепление уравновешивающего механизма 3 к промежуточной опорной плите 13 осуществляется посредством жестких стоек 15 (на рисунке жесткие стойки 15 и промежуточная опорная плита 13 показаны пунктирными линиями).
Опорная плита 11 через пружины 16 опирается на фундаментное основание 17. Для увеличения жесткости крепления опорной плиты 11 к фундаментному основанию 17 могут использоваться дополнительные горизонтально расположенные пружины 18.
Работа стенда осуществляется следующим образом.
Двигатель 1 приводит во вращение неуравновешенные массы нагружающего устройства 7 и уравновешивающего механизма 3. Вращение неуравновешенной массы нагружающего устройства 7 ведет к возникновению в испытываемой оси 8 перемещаемого по окружности изгибающего момента. При испытании колеса изгибающий момент возникает в технологической оси 8 и передается на колесо 9. В результате в испытываемых объектах возникают циклически изменяющиеся напряжения, под воздействием которых производятся их усталостные испытания. Получить требуемый уровень амплитуды напряжений в испытываемой оси 8 колесной пары или колесе 9 можно путем выбора момента инерции и частоты вращения неуравновешенного груза в нагружающем устройстве 7. При выборе момента инерции и частоты вращения неуравновешенного груза необходимо учесть явление динамического усиления колебаний в испытываемом колесе или оси колесной пары, которое происходит за счет наложения частоты приложения внешних сил на собственную частоту колебаний этих объектов.
При вращении нагружающего устройства 7 происходит изгиб оси 8 (технологической оси 8), что ведет к отклонению верхнего конца оси (технологической оси) от вертикальной линии и ее перемещению по окружности. Поэтому для передачи вращающего момента к нагружающему устройству 7, которое расположено в верхней части оси (технологической оси), применяется карданный вал 4 с механизмом компенсации 5 изменения его длины. Упругий элемент 6 снижения крутильной жесткости служит для уменьшения изменяемой во времени (динамической) составляющей крутящего момента, которая возникает в случае неточной (несоосной) установки вала двигателя 1 и испытываемой оси 8 колесной пары или при проведении испытаний колеса 9 - в случае несоосной установки вала двигателя 1 и технологической оси 8.
Двигатель 1 может представлять собой электродвигатель постоянного тока с подачей на него регулируемого напряжения, асинхронный или синхронный электродвигатель с питанием от регулируемого по частоте источника питания, гидравлический двигатель с приводом от регулируемого по производительности гидронасоса или любой другой управляемый по числу оборотов двигатель.
Для снижения вибрации опорной плиты 11 под действием сил инерции и моментов от этих сил, которые передаются на нее со стороны нагружающего устройства 7 в стенде предусмотрен уравновешивающий механизм 3. Уравновешивающий механизм 3, как и нагружающее устройство 7, содержат вращающуюся неуравновешенную массу с неизменным или регулируемым моментом инерции. Регулировка момента инерции может выполняться за счет изменения величины неуравновешенной массы груза, или ее расстояния до оси вращения.
Силы инерции, возникающие в уравновешивающем механизме 3 в результате вращения его неуравновешенной массы, через жесткие стойки 12 передаются на опорную плиту 11 (или через стойки 15 на промежуточную опорную плиту 13), то есть на плиты, где посредством струбцин 10 закреплен испытываемый объект. Применение промежуточной опорной плиты 13 позволит обеспечить дополнительную защиту фундаментного основания от передачи на него вибрации, а в случае испытания нескольких объектов - их дополнительную защиту от взаимной передачи вибрации между ними. Добиться передачи на опорную плиту 11 или промежуточную опорную плиту 13 минимальных вибраций можно путем регулировки момента инерции неуравновешенной массы в уравновешивающем механизме 3.
В результате того, что силы инерции, которые возникают при вращении неуравновешенных масс в нагружающем устройстве 7 и в уравновешивающем механизме 3, направлены в противоположные стороны, они могут частично или полностью (в зависимости от величины этих сил) взаимно уравновешивать друг друга в пределах опорной или промежуточной опорной плиты. В случае одинакового значения этих сил они будут взаимно уравновешены полностью, и горизонтальная составляющая вибраций на фундаментное основание передаваться не будет.
Момент инерции неуравновешенной массы в уравновешивающем механизме 3 также может быть подобран таким образом, чтобы возникающие при его вращении силы инерции создавали на уровне плоскости опирания опорной плиты 11 на пружины 16 момент этих сил, который полностью уравновешивает момент сил инерции, создаваемых на этом же уровне нагружающим устройством 7. При использовании промежуточной опорной плиты 13 можно добиться, чтобы моменты сил инерции уравновешивающего механизма 3 полностью подавляли моменты сил инерции нагружающего устройства 7 на уровне плоскости, проходящей посередине между упругими проставками 14. При полном взаимном уравновешивании этих моментов вызываемые ими вибрации за пределы опорной плиты (или, соответственно, за пределы промежуточной опорной плиты) передаваться не будут.
Итак, в стенде без промежуточной опорной плиты 13 соотношение центробежных моментов инерции неуравновешенных масс в уравновешивающем механизме 3 и в нагружающем устройстве 7 может быть определено выражением:
l
1
где  - расстояние между плоскостями вращения неуравновешенных масс в нагружающем устройстве 7 и уравновешивающем механизме 3;
l
l
l
2
1
2
- расстояние между плоскостью вращения неуравновешенной массы в нагружающем устройстве 7 и плоскостью, на уровне которой происходит опирание опорной плиты 11 на пружины 16; ( и  показаны на рисунке).
н
I - центробежный момент инерции неуравновешенной массы в нагружающем устройстве 7;
у
I - центробежный момент инерции неуравновешенной массы в уравновешивающем механизме 3;
у
Согласно выражению (1), величина центробежного момента инерции неуравновешенной массы (I) в уравновешивающем устройстве выбирается в промежутке между значениями, определяемыми двумя равенствами:
и
у
Равенство (3) составлено из условия полного погашения сил инерции, которые в результате вращения неуравновешенных масс в нагружающем устройстве 7 и уравновешивающем механизме 3 действуют на фундаментное основание в горизонтальной плоскости. От воздействия этих сил может возникать колебание опорной плиты 11 в виде ее перемещения в горизонтальной плоскости. Равенство (2) составлено из условия полного погашения моментов сил инерции нагружающего устройства 7 и уравновешивающего механизма 3, возникающих на плече от плоскости вращения их неуравновешенных масс до плоскости опирания опорной плиты на пружины. Неполное взаимное погашение этих моментов ведет к колебанию опорной плиты 11, при котором происходит сжатие одной из пружин 17 и растяжение другой. Выбор величины центробежного момента инерции I уравновешивающего механизма 3 осуществляется согласно выражения (1) в пределах между полным и частичным подавлением двух указанных выше видов колебаний. Окончательный выбор в указанных пределах может быть выполнен эмпирическим путем.
В стенде с промежуточной опорной плитой выражение (1) должно удовлетворять условию максимального погашения сил инерции неуравновешенных масс в нагружающем устройстве 7 и уравновешивающем механизме 3, а также моментов от этих сил в пределах промежуточной опорной плиты. В этом случае соотношение центробежных моментов инерции неуравновешенных масс в уравновешивающем механизме 3 и в нагружающем устройстве 7 может быть определено выражением:
l
3
где  - расстояние между плоскостью вращения неуравновешенной массы в нагружающем устройстве 7 и плоскостью, которая в случае одинаковой жесткости верхних и нижних упругих проставок 14 проходит посередине промежуточной опорной плиты 13.
При одновременном испытании нескольких объектов, выбор частоты нагружения каждого из них, а также моментов инерции неуравновешенных масс в нагружающих устройствах 7 и в уравновешивающих механизмах 3 осуществляется независимо друг от друга. Применение промежуточной опорной плиты 13 позволит обеспечить дополнительную защиту отдельных объектов испытания от взаимной передачи вибрации между ними.
Пружины 16 служат для обеспечения упругой поддержки опорной плиты 11 на фундаментном основании 17. В случае вертикального расположения пружин 16 упругость подвески опорной плиты 11 в горизонтальном направлении обеспечивается за счет поперечной жесткости этих пружин. Добиться увеличения жесткости подвески опорной плиты 11 в горизонтальном направлении можно за счет расположения пружин 16 с некоторым отклонением от вертикальной линии, как это показано на рисунке, или за счет установки дополнительных горизонтально расположенных пружин 18.
Силы инерции, возникающие при вращении неуравновешенных масс, передаются через опорную плиту 11, пружины 16 и 18 на фундаментное основание 17 не полностью. Значительная доля указанных сил гасится за счет сил инерции, которые возникают при раскачивании опорной плиты 11. Чем больше масса опорной плиты 11, тем меньше ее вибрация и меньше доля непогашенных динамических усилий, передаваемых на фундаментное основание 17. Высокие значения сил инерции, создаваемых при вращении нагружающего устройства 7, требуют большой массы опорной плиты 11.
Предлагаемое устройство стенда позволит силы инерции, которые возникают при вращении неуравновешенной массы в нагружающем устройстве 7, подавить силами инерции, которые возникают при вращении неуравновешенной массы в уравновешивающем механизме 3. В результате на опорную плиту 11 будут передаваться меньшие суммарные силы инерции. За счет этого уровень вибраций опорной плиты 11 будет снижен, а силы, передаваемые через пружины 16 и 18 на фундаментное основание 17 уменьшены. Это позволит уменьшить вибрацию опорной плиты 11, снизить ее массу, обеспечить возможность одновременного испытания на облегченной опорной плите 11 нескольких объектов.
Список используемых источников:
1. Железные дороги мира - 2011 г., №1, «Испытания колесных пар на усталостную прочность» с. 50-53.
2. Конференция DVM (Германское общество испытания материалов), «Материалы для системотехники железнодорожного транспорта», д.т.н. Йохим Хуг и др. «Сопротивление усталости осей колесных пар и железнодорожных колес - оборудование испытательных стендов, методика проведения испытаний, оценка и результаты испытаний». Берлин, 2003 г.
3. Radim Zima, Petr Janos "50 years of wheelset production in Bohumin", pro Bonatrans group. 2012 г., с. 206.