Модернизация тепловозных вкладышей

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Железнодорожный транспорт является основным видом путей сообщения. По данным Всемирного банка, эксплуатируемый локомотивный парк железных дорог всего мира насчитывает примерно 86 тыс. тепловозов и 27 тыс. электровозов, общий парк ОАО "Российские железные дороги" (РЖД) – порядка 20 тыс. единиц тягового подвижного состава, из них около 10 тыс. – магистральные грузовые локомотивы.

В России тепловозы используются на всей сети железных дорог и выполняют 40 % пассажирских и грузовых перевозок, а также  около 98 % маневровых работ, поэтому  важно поддерживать хорошее техническое  состояние тепловозного парка и  модернизировать его. Поскольку  ремонт тепловозов требует значительных денежных и временных затрат, повышение  отказоустойчивости этих машин позволит получить большой экономический  эффект.

Надежность  работы тепловоза обеспечивается безотказностью работы всех его узлов. Одним из наиболее важных узлов тепловоза является дизельная установка. На основании  анализа отчетов по отказам подвижного состава РЖД установлено, что  в течение 2009–2010 гг. было зарегистрировано 2237 случаев отказов тепловозов, из которых 754 вызваны отказом дизеля.

Работа  дизеля зависит от множества разных факторов, в том числе от надежности опор скольжения коленчатого вала и  поршневой группы. Можно сделать  вывод, что износ подшипников  скольжения приводит к длительному  простою тепловозов ввиду труднодоступности  данных узлов и трудоемкости их ремонта.

Следовательно, актуальна задача разработки новой  конструкции подшипников скольжения, обладающей повышенной износоустойчивостью.

Цель работы заключается в исследовании опор скольжения новой конструкции для тягового подвижного состава, в частности подшипников коленчатого вала и поршневой группы локомотивного дизельного двигателя, и их совершенствовании.

Для достижения указанной цели в диссертации  были поставлены и решены следующие задачи:

1. Изучение  принципа действия и основных  причин неплановых ремонтов дизельных  двигателей тепловозов, а также  методов расчетов подшипников  скольжения;

2. Разработка конструкции гидродинамического  подшипника скольжения повышенной  износоустойчивости;

3. Разработка  методики оценки влияния макрорельефа опорной поверхности на работу гидродинамического подшипника скольжения;

4. Разработка  методики расчета гидродинамических  подшипников скольжения новой  конструкции; 

5. Разработка  методики испытаний гидродинамического  подшипника скольжения и создание  лабораторного испытательного стенда;

6. Оценка  экономической эффективности предлагаемого  гидродинамического подшипника  скольжения.

Объектом исследования являются опорные гидродинамические подшипники скольжения коленчатого вала и поршневой группы локомотивного дизельного двигателя.

Предметом исследования является возможность повышения надежности работы гидродинамических подшипников скольжения за счет выполнения на их опорной поверхности специального макрорельефа, изменяющего характер распределения гидродинамического давления в смазочном слое.

Основные методы научных исследований. При выполнении работы исследованы особенности функционирования гидродинамических подшипников скольжения коленчатого вала и поршневой группы локомотивного дизельного двигателя, исследовано влияние макрорельефа опорной поверхности подшипника на характеристики его работы на основании гидродинамической теории смазки, оценена надежность подшипников скольжения новой конструкции. Эксперименты выполнены на четырех образцах подшипников с разной конфигурацией опорной поверхности с использованием специально разработанного лабораторного стенда. Математическое моделирование, расчеты и обработка результатов экспериментов выполнены с помощью ПЭВМ и пакетов программ SolidWorks® Flow Simulation (COSMOSFloWorks), Microsoft Visual Studio, MathCad, Microsoft Excel и MATLAB.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложен  и реализован способ повышения  надежности гидродинамического  подшипника скольжения.

2. Разработаны  алгоритмы расчета и оценки  влияния макрорельефа опорной поверхности гидродинамического подшипника скольжения на характеристики его работы;

3. Предложен  и реализован способ проведения  испытаний гидродинамических подшипников  скольжения на специально разработанном  стенде;

44. Получены уравнения и соответствующие графические зависимости основных характеристик и параметров гидродинамического подшипника скольжения новой конструкции.

5. Макрорельеф  опорной поверхности нового подшипника  обеспечивает практически вертикальное  всплывание цапфы над масляным  клином, что уменьшает вероятность  возникновения повышенного износа.

Практическая ценность работы:

1. Разработан  и успешно испытан гидродинамический  подшипник скольжения новой конструкции,  обладающий повышенной износоустойчивостью  благодаря непрерывному сохранению  в зоне трения смазочного слоя  за счет улучшенной центровки  цапфы; 

2. Разработан  и успешно испытан стенд для  испытаний гидродинамических подшипников  скольжения, позволяющий оценивать  смещение оси вала относительно  оси опорной поверхности вкладыша  при работе подшипника;

3. Полученные  расчетные зависимости характеристик  работы гидродинамического подшипника  скольжения от макрорельефа опорной  поверхности могут использоваться  в дальнейших научных исследованиях  работы гидродинамических подшипников  скольжения;

4. Внедрение  разработанного гидродинамического  подшипника скольжения в конструкцию  дизеля тепловоза ТЭП70 позволит  получить годовой экономический  эффект не менее 414,87 тыс. руб. 

Реализация. Успешная опытная апробация улучшения центровки цапфы в подшипнике, проведенная с помощью разработанного измерительного стенда, подтверждает целесообразность и эффективность внедрения разработки. Получена справка о внедрении в учебный процесс Петербургского государственного университета путей сообщения технических разработок в дисциплинах Детали машин и основы конструирования», «Прикладная механика» и «Проектирование роботов».

Достоверность полученных результатов обеспечивается совпадением результатов теоретических расчетов с результатами испытаний при использовании высокоточного измерительного оборудования и дальнейшей обработкой результатов исследований с помощью ПЭВМ.

Апробация работы

Основные  положения разработанных методик  и результаты исследований докладывались  и были одобрены на 9-й и 10-й Международных  конференциях «Трибология и надежность» (ПГУПС, Санкт-Петербург, 2009–2010 гг.), научно-технической конференции «Шаг в будущее» (ПГУПС, Санкт-Петербург, 2008 г.).

Публикации 

Основные  положения диссертации опубликованы в 7 печатных работах, из них 1 работа –  в издании, входящем в перечень, рекомендованный  ВАК Министерства образования и  науки Российской Федерации. Получено решение о выдаче патента РФ на изобретение.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения, изложена на 120 страницах машинописного текста, содержит 11 таблиц и 59 иллюстраций. Библиографический  список насчитывает 100 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цель и задачи работы, объект и предмет исследования, ее научная новизна и практическая значимость.

В первой главе представлены особенности работы гидродинамических подшипников скольжения, используемых в двигателях тепловозов, проанализированы основные причины неплановых ремонтов данных подшипников и смежных узлов, вызванные неисправностями подшипников, а также определены возможные пути решения существующих проблем.

Статистические  данные, предоставленные Дирекцией  тяги Октябрьской железной дороги, показывают, что большую часть  неплановых ремонтов тепловозов вызывает выход из строя дизельной установки, долговечность работы которой во многом определяется износостойкостью подшипников коленчатого вала.

В рамках работы над диссертацией был произведен анализ отчета по отказам  оборудования Октябрьской железной дороги за 2009 г. и первый квартал 2010 г. Установлено, что основная доля отказов  тепловозов (37 %) связана с неисправностями  дизеля (рис. 1).

Рис. 1. Распределение отказов по узлам тепловоза

 

Надежность  и моторесурс дизеля в значительной степени определяются надежностью работы вкладышей подшипников коленчатого вала. Она зависит от конструкции вкладышей, условий циркуляции масла в подшипнике, зазоров и шероховатости трущихся поверхностей, жесткости коленчатого вала и постелей под вкладыши, нагрузки на подшипник и ряда других факторов.

Вопросы теоретических и экспериментальных  исследований подшипников скольжения, в том числе в тепловозных  двигателях, отражены в работах И.Е. Сипенкова, А.Ю. Филиппова, Г.Г. Агишева, М.В. Коровчинского, А.К. Дьячкова, Н.А. Буше, С.М. Захарова, А.И. Володина, А.Э. Симсона, А.З. Хомича, А.А. Курица, С.А. Чернавского, В.А. Воскресенского, К.Н. Войнова, Э.Ф. Зоммера, А. Камерона и др.

Проблеме  изнашивания и усталости деталей  машин посвящены исследования И.В. Крагельского, А.И. Петрусевича, М.М. Хрущова, Дроздова Ю.H., Михайлова Ю.К. и др.

Проведенный анализ литературы, посвященной исследуемой  проблеме, и статистических данных позволил сформулировать основные задачи и определить направление дальнейшего  исследования.

Во второй главе исследованы причины отказов гидродинамических подшипников скольжения, в том числе применяемых в дизелях тепловозов, и предложен способ повышения надежности данных подшипников. Одним из возможных эффективных решений задачи повышения надежности работы гидродинамических подшипников скольжения является нахождение такой формы опорной поверхности, которая бы улучшала центровку цапфы и обеспечивала вертикальное всплывание вала. В ходе работы над диссертацией такая форма опорной поверхности была найдена с помощью аналитического исследования и методов компьютерного моделирования.

Для оценки влияния геометрии вкладыша на характеристики смазочного слоя было произведено моделирование  работы подшипника в условиях жидкостного  трения с помощью модуля гидрогазодинамического анализа SolidWorks® Flow Simulation (COSMOSFloWorks).

Модель, приведенная на рис. 2, включает в  себя неподвижный корпус 1, в котором устанавливаются сменные вкладыши 2 с разной

7

Рис. 2. Общий вид модели:

1 – корпус; 2 – вкладыш; 3 – вал; 4 – заглушки

конфигурацией макрорельефа опорной поверхности, вал 3, вращающийся с заданной скоростью, и заглушки 4, служащие для задания давления на границах объема жидкости. Испытания проводились на ньютоновской модели жидкости; в качестве рабочей жидкости использовалось минеральное масло с динамической вязкостью 0,21 Па·с. Влияние гравитации не учитывалось.

При моделировании  оценивались такие характеристики смазочного слоя, как распределение  скоростей, давлений и температур.

На рис. 3, а и в представлено распределение давления в смазочном слое. Наиболее равномерное распределение давления наблюдается в случае вкладыша с канавками, имеющими плавный выход на опорную поверхность (рис. 3, в). Кроме того, при такой конфигурации смазочных канавок не наблюдается падение давления, характерное для случаев с другими вариантами выполнения канавок. Таким образом, данная конфигурация опорной поверхности вкладыша обеспечивает наилучшую центровку цапфы в подшипнике.

8

Рис. 3. Результаты компьютерного моделирования

На рис. 3, б и г показано распределение температур в смазочном слое. Данные результаты показывают, что наилучший подвод смазочного материала обеспечивается в подшипнике предлагаемой конструкции (рис. 3, г), следовательно, такое исполнение смазочных канавок обеспечивает наиболее стабильное смазывание рабочих поверхностей, что приводит к уменьшению износа.

Таким образом, на основании данных моделирования  можно сделать вывод о том, что конструкция вкладыша с наклонными поперечными канавками, имеющими плавный  выход на опорную поверхность, является наиболее рациональной. Данная конструкция  была принята за основу для дальнейших исследований.

Также во второй главе исследованы нагрузки, действующие на подшипники типовых  локомотивных дизелей, и определены углы охвата смазочных канавок на опорной поверхности подшипников  предлагаемой конструкции для дизельных  двигателей. Также исследована работа подшипников в режиме полужидкостного  трения и определена рациональная глубина  смазочных канавок для подшипников  предлагаемой конструкции, используемых в качестве опор тихоходных валов. На рис. 4 показаны эпюры суммарных нагрузок R на коренные и шатунные подшипники в дизелях типа Д50.