БУКСОВЫЙ ПОДШИПНИК КАЧЕНИЯ СРЕДНЕЙ КОЛЕСНОЙ ПАРЫ ЛОКОМОТИВА
JOURNAL ROLLING BEARING FOR MEDIUM WHEEL PAIR OF LOCOMOTIVE

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для средней колесной пары 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. Установленный на средней оси роликовый подшипник допускает перемещение оси на 30 мм в обе стороны.
Одним из недостатков применяемых радиальных роликовых подшипников является наличие трения качения с проскальзыванием тел качения. При этом путь скольжения роликов по отношению к пути качения роликов больше в 25 раз. А сколько оборотов делает ролик за один оборот оси или в минуту просчитать не представляется возможным, так как ролик проскальзывает как по наружной, так и по внутренней дорожкам качения подшипника. Из-за разности путей скольжения к пути качения и разности коэффициентов скольжения и качения роликов подшипник нагревается, а тем более при увеличении скорости движения до 120; 160; 200 км/ч нагрев будет возрастать. Отмечается выход из строя по усталостному выкрашиванию, износу торцов роликов и бортиков колец, разрыву перемычек сепаратора, сколу бортика.
Подшипники работают в нестандартных условиях, при комбинированном нагружении происходит абразивный износ поверхностей тел качения - роликов. Радиальный зазор в подшипнике после 150000 км пути может составить до 3 мм и более. Последствия увеличения зазоров известны.
Известен подшипник качения - прототип - по патенту RU 2226627, содержащий внутреннее и наружное кольца с дорожками качения, размещенные между ними тела качения, выполненные в виде роликов, установленных в гнезда сепаратора, ролики выполнены двухступенчатыми и больший диаметр ступени контактирует только с дорожкой качения наружного кольца подшипника, а меньший диаметр ступени - только с дорожкой качения его внутреннего кольца с постоянной и одинаковой частотой вращения, при этом должно выполняться условие сборки подшипника:
d1m/Dwm1=D1m/Dwm2,
а дорожка качения внутреннего кольца подшипника выполнена с проточкой для образования зазора с большим диаметром ступени ролика, на дорожке качения внутреннего кольца подшипника выполнены две дополнительные проточки, а часть роликов выполнена с двумя участками меньшей ступени, взаимодействующими с дорожками качения внутреннего кольца подшипника, и одним участком большей ступени, взаимодействующим с дорожками качения наружного кольца, а часть роликов выполнена с тремя участками меньшей ступени, взаимодействующими с дорожками качения внутреннего кольца подшипника, и двумя участками большей ступени, взаимодействующими с дорожкой качения наружного кольца.
Условие сборки в буксовом подшипнике 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 средней колесной пары при скоростях движения до 400 км/ч.
Цель изобретения:
- обеспечение более высокой частоты вращения подшипника локомотива;
- обеспечение надежности и долговечности буксовому подшипнику 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 на роликах с двух сторон расположены подпятники, выполненные по оси качения ролика, взаимодействующие и контактирующие с кольцевой проточкой подвижного кольца при вхождении локомотива в поворот, когда средняя колесная пара перемещается в осевом направлении, при этом подвижные кольца расположены с двух сторон и имеют осевое перемещение и возможность вращения с частотой вращения сепаратора подшипника, например, на встроенных подпятниках, содержащих тела качения - шарики.
На фиг.1 изображен буксовый подшипник качения средней колесной пары локомотива для ВСМ, состоящий из радиального роликового подшипника в сборе с буксой. На фиг.2 изображен вид А фиг.1 с указанием направлений вращения внутреннего кольца и роликов; местами контактов роликов с дорожками качения и направлением перемещения роликов по кольцу вместе с сепаратором. На фиг.3 приведен вид Б фиг.1. На фиг.4 дано сечение В-В фиг.3.
Буксовый подшипник качения средней колесной пары локомотива состоит из наружного широкого кольца 1 подшипника качения, тел качения 2 - роликов - двухступенчатого типа, сепаратора 3, внутреннего кольца 4, на роликах с двух сторон расположены подпятники 5. В целях фиксации ламелей сепаратора 3 введены замковые кольца - широкое кольцо 6 и два узких кольца 7. Буксовый подшипник содержит два приставных бортика 8 с кольцевой проточкой, в которых фиксируются подвижные кольца 9 с возможностью вращения с опорой на подпятники 10, последние содержат шарики 11, которые имеют возможность вращения в теле подпятника 10, а на кольце 9 выполнена сферическая кольцевая проточка 12, которая контактирует с подпятниками 5 роликов 2 при прохождении поворотов локомотивом и перемещении средней колесной пары на 30 мм вправо или влево. Буксовый подшипник расположен в корпусе буксы 13, содержит комплект уплотнений 14, контактирующих с торцевыми втулками 15, содержит два фланца 16, кожух 17, болты крепления 18, снабженные корончатыми шайбами, опорное кольцо 19. Внутреннее кольцо 4 подшипника установлено на оси 20 по тугой посадке. Следует отметить, что сепаратор 3 состоит из ламелей и контактирует с роликом 2, с его меньшими ступенями Dwm1 и большими ступенями Dwm2, а в верхней его части сепаратор 3 содержит замковые кольца 6 и 7, выполненные, например, из латуни, а ролики 2 устанавливаются на внутреннем кольце 4 с внешней стороны. Ламели сепаратора 3 контактируют с дорожками качения внутреннего кольца 4 и имеют контакт справа и слева с дорожкой качения наружного кольца 1.
Ламели сепаратора 3 могут быть выполнены из полиамида, углепластика (суперкарбона) в целях снижения массы и коэффициента трения с подвижными деталями подшипника. Ролики 2 по исполнению радиального роликового подшипника имеют три участка с Dwm1 - меньшими ступенями ролика, контактирующих только с дорожкой качения внутреннего кольца 4, и два участка Dwm2 - большими ступенями ролика, контактирующих только с дорожкой качения наружного широкого кольца 1. Буксовый подшипник способен воспринимать как основную радиальную нагрузку, так и осевую двухстороннюю нагрузку при поворотах путей, а также при прохождении стрелок, при смене путей движения состава. Внутреннее кольцо 4 выполнено с двумя кольцевыми проточками для образования зазора под большими ступенями роликов Dwm2 и содержит два бортика.
Буксовый подшипник качения средней колесной пары локомотива работает следующим образом. При движении локомотива оси 20 получают вращение от контакта колес (⌀1250 мм) с рельсами. Установленные на оси 20 внутренние кольца 4 подшипников получают вращение. Двухступенчатые ролики 2 обкатываются без скольжения по дорожкам качения внутреннего кольца 4 и по дорожкам качения наружного кольца 1 с линейными контактами.
При этом меньшие ступени Dwm1 роликов 2 обкатываются только по трем дорожкам качения внутреннего кольца 4. Большие ступени Dwm2 роликов 2 обкатываются с постоянной и одинаковой частотой вращения только по двум участкам дорожек качения наружного кольца 1. Окружные скорости равны при выполнении условия сборки подшипника:
где d1m - диаметр дорожки качения внутреннего кольца подшипника;
Dwm1 -диаметр меньшей ступени ролика;
D1m - диаметр дорожки качения наружного широкого кольца подшипника;
Dwm2 - диаметр большей ступени ролика.
Известно, что на реконструкцию железных дорог Россия выделяет 13 триллионов руб. На стандартных подшипниках качения ВСМ может работать, однако затраты возрастут от 50 до 500 раз на ремонт ходовой части локомотива, устранение аварий, замену подшипников качения.
В целях устранения выхода из строя по усталостному выкрашиванию, износу торцев роликов и буртиков колец, сколу буртика в буксовом подшипнике введены подвижные кольца 9, а на ролике 2 с двух сторон расположены подпятники 5, которые выполнены по оси качения ролика 2.
При вхождении локомотива в поворот средняя колесная пара перемещается в осевом направлении на 30 мм. Ролики 2 вместе с вращением вокруг собственной оси перемещаются по дорожке качения наружного кольца 1. Смазка в подшипнике тоже перемещается с некоторым избыточным давлением, так как сопротивление ее несколько повышено для перетекания в свободную зону. При этом подвижное кольцо 9 под действием давления смазки перемещается навстречу, например на величину от 1 до 2 мм, движущимся роликам 2. Последние вступают в контакт всеми подпятниками 5 роликов 2 с проточкой 12 подвижного кольца 9. Последнее гасит ударную нагрузку в конце хода средней оси 20 за счет вытеснения масла из зоны под кольцом 9, которое, получив жесткий контакт с шариками 11, установленными в собственных подпятниках 10, начинает вращаться вместе с комплектом роликов 2 подшипника. Данная работа гашения ударной нагрузки повторяется то справа, то слева от корпуса буксы 13 (См. Фиг.3). Подвижные кольца 9 вращаются с частотой, равной частоте вращения сепаратора подшипника.
Буксовый подшипник качения средней колесной пары локомотива обеспечивает более высокую частоту вращения подшипника, что необходимо для эксплуатации ВСМ.
Коэффициент трения качения может достигать величин от 0,003 до 0,0003 при отсутствии скольжения роликов при движении локомотива, обеспечивая повышенную надежность и долговечность.
Работа подвижных колец 9 обеспечивает гашение ударных нагрузок в процессе вхождения локомотива в повороты и на входе и выходе из стрелок при перемене путей движения состава.
На высоких скоростях движения очевидна замена консистентных смазок на жидкие смазки.
Экономический эффект складывается из экономии времени состава в пути, увеличения грузооборота, повышенного ресурса работы буксовых подшипников, например от замены подшипников после прохождения 150 000 км пути, менять их придется через 800 000 км или 1 млн. км. На заводах SKF таких подшипников нет. Ниша еще свободна для складирования отечественных изобретений на будущее поколение России.
Предложенный подшипник имеет пониженный уровень шума от 20 до 60 дБ за счет устранения скольжения при работе подшипника в условиях чистого качения.