Wpływ obciążenia osiowego na trwałość zmęczeniową łożyska maźnicy

Transkrypt

1 WARDA Bogdn 1 Wpływ obciążeni osiowego n twłość zmęczeniową łożysk mźnicy WSTĘP Pomieniowe łożysk wlcowe służą w zsdzie do pzenoszeni obciążeni pomieniowego, jednk niektóe ich odminy, np.: NJ, NJP, tkże łożysk NJ z pieścieniem kątowym HJ, mogą pzenosić obciążenie osiowe dziłjące nwet w sposób ciągły. Łożysk tego typu mogą pzenosić duże obciążeni pomieniowe oz pcowć z dużymi pędkościmi i pzyspieszenimi, jednocześnie umożliwiją osiowe ustlnie włu w jednym kieunku. Są one powszechnie stosowne w ozwiąznich konstukcyjnych mszyn i uządzeń pzemysłowych. W śodkch tnspotu, pomieniowe łożysk wlcowe zdolne do pzenoszeni złożonego obciążeni używne są powszechnie jko łożysk osi kół jezdnych w wgonch towowych i psżeskich oz w lokomotywch o silnikch elektycznych i splinowych. Łożysk te możn ównież spotkć w skzynich biegów, w npędch silników tkcyjnych i genetoch, w silnikch kompesoów oz kół npędzjących do wentyltoów, siłowników i genetoów łdujących w elektycznych i dieslowskich silnikch lokomotyw. Występujące w stykch włeczków z bieżnimi głównymi i pomocniczymi siły nomlne i towzyszące im podczs pcy łożysk siły tci powodują pzechylenie włeczk w dwóch wzjemnie postopdłych płszczyznch pzechodzących pzez oś włeczk. Pzechylenie włeczk w płszczyźnie ównoległej do osi łożysk ( ), spowodowne dziłniem sił tci w stykch czół włeczków z bieżnimi pomocniczymi (Rys. 1), powoduje wytącenie włeczków z włściwego tou uchu, tym smym występownie poślizgów w stykch włeczk z bieżnimi głównymi. Wpływ zjwisk towzyszących pzechyleniu włeczk o kąt n twłość zmęczeniową łożysk możn pominąć ze względu n niewielkie wtości kątów, jkie występują podczs pcy łożysk poddnego złożonemu obciążeniu [1]. Zncznie większy wpływ n twłość zmęczeniową łożysk m pzechylenie włeczk w płszczyźnie pzechodzącej pzez oś łożysk ( ). Powdzi ono do wystąpieni niekozystnych ozkłdów ncisków w stykch włeczk z bieżnimi głównymi, pzejwijących się we wzoście ncisków w jednym z końców pol styku, co w istotny sposób może zmniejszyć twłość zmęczeniową. Rys. 1. Pzechylenie włeczk w pomieniowym łożysku wlcowym poddnym złożonemu obciążeniu N ysunku 2 pzedstwiono pzekój łożysk tocznych mźnicy stosownej w wózkch wgonów psżeskich i towowych. Łożyskownie twozą pomieniowe łożysk wlcowe typu NJ oz NJP ustwione tk, by bieżni pomocnicz pieścieni wewnętznego łożysk NJ oz pieścień 1 Politechnik Łódzk, Kted Pojzdów i Podstw Budowy Mszyn, ul. Żeomskiego 116, Łódź 6583

2 dodtkowy łożysk NJP były położone po zewnętznych stonch ukłdu łożyskowego. W łożyskch zstosowno modyfikcję ksztłtu pomocniczych powiezchni oboczych, polegjącą n zstąpieniu typowej dl łożysk stnddowego płskiej bieżni pomocniczej bieżnią stożkową. Twozące bieżni pomocniczych są nchylone względem twozących bieżni głównych pod kątem f. Rozwiąznie to jest powszechnie stosowne pzez fimy podukujące łożysk toczne (FAG [2], SKF [3]). Tki ksztłt pomocniczych powiezchni oboczych m n celu utwozenie szczeliny smnej i wunków tci płynnego lub miesznego w styku czoł włeczk z bieżnią pomocniczą. Pozwl to ogniczyć wydzielnie ciepł w tym styku, któe jest pzyczyną szybkiego zużyci współpcujących powiezchni i dodtkowo zmniejsz twłość łożysk. W celu uniknięci spiętzeń ncisków n kwędzich włeczków, tym smym zwiększeni twłości zmęczeniowej, w łożyskch stosown jest zzwyczj logytmiczn koekcj twozących włeczków lub jej uposzczony odpowiednik, koekcj ZB. Rys. 2. Łożysk mźnicy wgonu kolejowego Do niedwn ktlogi łożysk tocznych umożliwiły jedynie obliczenie wtości dopuszczlnego obciążeni osiowego, jkie może być pzenoszone pzez pomieniowe łożysko wlcowe. W njnowszych ktlogch fim FAG [2] i SKF [3] podne są zleżności pozwljące wyznczyć obciążenie zstępcze P łożysk wlcowego poddnego dziłniu siły pomieniowej F i osiowej F oz obliczyć pognozowną twłość zmęczeniową łożysk L 10. Dl łożysk fimy FAG seii 22, 22E, 23, 23E są one nstępujące: dl F dl F F F 0,17 : 0,17 : P F P 0,93F 0,45F (1) Obciążenie zstępcze wyznczone według zleżności (1) nie uwzględni cłego szeegu czynników oddziłujących n twłość zmęczeniową łożysk. Do czynników tych nleży luz pomieniowy w łożysku, od któego zleży ozkłd obciążeni n części toczne, oz niewspółosiowość pieścieni łożysk, powodując spiętzeni ncisków n kwędzich włeczków. Jednocześnie, wpływ złożonego obciążeni n twłość zmęczeniową jest opisny w sposób pzybliżony. Dokłdne obliczenie twłości zmęczeniowej pomieniowego łożysk wlcowego obciążonego siłą osiową i pomieniową jest możliwe jedynie pzy zstosowniu odpowiednich pogmów komputeowych. W pcy pzedstwiono wyniki obliczeń twłości zmęczeniowej łożysk mźnicy otzymne z wykozystniem metodyki opisnej w pcy [4], optej o podstwowe złożeni modelu Lundbeg 6584

3 i Plmgen. Metodyk t umożliwi ównież pognozownie twłości zmęczeniowej elementów tocznych stykjących się z bieżnimi pomocniczymi. Obliczeni wykonno z pomocą zestwu pogmów komputeowych ROLL1, ROLL2, ROLL3 i ROLL4. Pogmy ROLL1 i ROLL3 są pzeznczone do wyznczni ozkłdów obciążeni pomieniowego i osiowego n włeczki. Piewszy z nich ozwiązuje n dodze numeycznej ukłd ównń ównowgi włeczków i pieścieni łożysk. Dugi oblicz mtycę dnych niezbędnych do znlezieni sił dziłjących w stykch włeczków z bieżnimi pomocniczymi. Do pognozowni twłości zmęczeniowej łożysk tocznych konieczn jest znjomość ozkłdów ncisków i npężeń podpowiezchniowych w stykch współpcujących elementów. Rozkłdy są wyznczne z pomocą pogmu ROLL4, popzez ozwiąznie zgdnieni Boussinesq dl półpzestzeni spężystej, pzy zstosowniu lgoytmu opisnego w pcch [4, 5]. Jednocześnie, pogm ROLL4 pzygotowuje dne dl pogmu ROLL2 służącego do obliczeń pognozownej twłości zmęczeniowej łożysk. Wyniki obliczeń numeycznych poównno z wynikmi obliczeń twłości zmęczeniowej według ktlogu łożysk fimy FAG [2]. 1. PRZEDMIOT I METODYKA BADAŃ Pzedmiotem nliz było pomieniowe łożysko wlcowe fimy FAG, typu WJ 130x240-TVP, pzeznczone dl mźnicy dwuosiowego wózk wgonu psżeskiego skłdu Intecity, pcujące w zestwie z łożyskiem WJP 130x240-P-TVP [6, 7]. Podstwowe pmety łożysk zmieszczono w tbeli 1. Tb. 1. Pmety pomieniowego łożysk wlcowego WJ 130x240-TVP [6] Nośność dynmiczn C = N Śednic bieżni pomocniczej d fi = 167,5 mm Nośność sttyczn C 0 = N Kąt nchyleni bieżni pomocniczych f = 0,9 Śednic otwou łożysk d = 130 mm Śednic włeczk D w = 27 mm Zewnętzn śednic łożysk D = 240 mm Długość włeczk L w = 48 mm Szeokość łożysk B = 80 mm Sfzownie technologiczne c = 1 mm Śednic bieżni pieścieni wewnętznego d bi = 157 mm Liczb włeczków w łożysku Z = 17 Tbele z wymimi łożysk tocznych zmieszczne w ktlogch nie podją zzwyczj liczby elementów tocznych w łożysku. Liczbę włeczków w łożysku Z, niezbędną do wyznczeni ozkłdów obciążeń, ustlono n podstwie poównń z łożyskmi o znnej liczbie włeczków i podobnych popocjch wymiowych. Wtość kąt nchyleni bieżni pomocniczych f stnowi tjemnicę poducent. Do obliczeń pzyjęto wtość otzymną n podstwie nliz opisnych w pcy [8]. Podobnie było w pzypdku pmetów koekcji twozących włeczk. Obliczeni pzepowdzono dl włeczków z koekcją logytmiczną modyfikowną o pmetch: h m / h L = 3, K = 3 i mksymlnej stzłce koekcji h m = mm. Koekcj logytmiczn modyfikown zdefiniown jest kzywą [9]: gdzie: h( x ) 1, g K D w h h m L 66 ln 1 e D l 1 g K 2x l 2 K w w, (2) w 4, ln, (3) 4 hl 144, 10 Dw gk. (4) Obciążenie pomieniowe pojedynczego łożysk mźnicy dwuosiowego wózk wgonu psżeskiego skłdu Intecity pzyjęto n podstwie mteiłów fimy FAG [7, ozdz. 42]. Zgodnie z obliczenimi pzedstwionymi w opcowniu [7] zstępcze obciążenie łożysk, uwzględnijące obciążeni dynmiczne występujące podczs pcy, lecz nie uwzględnijące obciążeni osiowego, wynosi F = N. Dopuszczlne obciążenie osiowe dl tkiego obciążeni jest ówne 6585

4 F H = N. Wtość t dotyczy obciążeni dziłjącego w sposób ciągły. W pzypdku sił osiowych dziłjących pzez kótki okes czsu wtość t może być podwojon, dl obciążeń udowych nwet tzykotnie większ od F H. Twłość zmęczeniow łożysk osi wgonów kolejowych podwn jest njczęściej w postci oczekiwnego pzebiegu w milionch kilometów: Lh10km L10 DR (5) gdzie: D R śednic koł wgonu; w omwinym pzypdku D R = 890 mm [7]. Wpływ obciążeni osiowego łożysk mźnicy n jego twłość zmęczeniową zbdno dl dwóch wtości siły osiowej, dziłjącej w sposób ciągły: F = 4700 N (F / F = 0,1), F = N (F / F = 0,25). Wykonno ównież obliczeni dl pzypdku F = 0. Twłość zmęczeniow L 10 zostł wyznczon z pomocą pogmu ROLL2. W obliczenich pzyjęto luz pomieniowy w łożysku g = 0,025 mm, występujący podczs pcy łożysk. Tkiej wtości luzu odpowid kąt ozkłdu obciążeni 65, siłę dziłjąc n njbdziej obciążony włeczek możn w pzybliżeniu wyznczyć z zleżności: Q mx = 5 F / Z. Luz pomieniowy w łożysku mźnicy pzeznczonym do montżu jest większy i wynosi 0,120 0,160 mm [7]. Wyniki zostły poównne z wynikmi obliczeń twłości według zleżności L 10 = (C /P ) 10/3 dl obciążeni zstępczego P wyznczonego zgodnie z wzomi (1). 2. WYNIKI OBLICZEŃ TRWAŁOŚCI ZMĘCZENIOWEJ N ysunku 3 pzedstwiono ozkłdy obciążeni pomieniowego i osiowego n włeczki łożysk będącego pzedmiotem nliz. Jk wynik z ysunku, wz ze wzostem obciążeni osiowego, n skutek pzechyleni włeczków, ośnie wielkość stefy włeczków pzenoszących obciążenie. Jej wielkość okeśl kąt g. Możn ównież zuwżyć, że jedynie włeczki obciążone siłą pomieniową mogą jednocześnie pzenosić obciążenie osiowe. Rys. 3. Rozkłd obciążeni pomieniowego Q j i osiowego Q j n włeczki N kolejnym ysunku zilustowno ozkłdy mksymlnych ncisków w styku włeczków z bieżnią pieścieni wewnętznego dl nlizownych pzypdków obciążeni osiowego. Rysunek 4 pzedstwi ozkłdy mksymlnych ncisków dl njbdziej obciążonego włeczk (j = 1), 6586

5 ntomist ysunek 4b ozkłdy dl włeczk opisnego jko j = 4, osttniego, dl pzypdku F / F = 0,25 pzedosttniego, któy jest obciążony siłą pomieniową i osiową p [MP] p [MP] F =0 F =4700 N F =11750 N F =0 F =4700 N F =11750 N x [mm] x [mm] ) b) Rys. 4. Rozkłdy mksymlnych ncisków w styku włeczk z bieżnią pieścieni wewnętznego; ) Q1 = Qmx N, b) Q N N obydwu ysunkch doskonle widoczne jest pochylenie płskiego fgmentu ozkłdu ncisków, odpowidjące pzechyleniu włeczk o kąt j. Kąt ten jest tym większy im większy jest stosunek siły osiowej Q j pzenoszonej pzez włeczek do obciążjącej go siły pomieniowej Q j (Rys. 5). Możn ównież zuwżyć bk jkichkolwiek spiętzeń ncisków n kwędzich włeczk, będący skutkiem zstosowni logytmicznej koekcji twozących włeczków. Pmety koekcji zostły dobne tk, by otzymć njkozystniejszy ozkłd ncisków w styku włeczk obciążonego siłą Q j, któej odpowid ncisk p K = 2100 MP (tzw. ciśnienie dobou koekcji). Tkie wtości ncisków występują w łożysku obciążonym siłą pomieniową spełnijąc wunek F 0,4 C. Tymczsem łożysk mźnicy pzenoszą obciążenie ówne F 0,09 C. Wskzn byłoby ztem wyznczenie pmetów koekcji logytmicznej łożysk mźnicy dl ciśnieni dobou koekcji p K 1100 MP, co zpewniłoby lepsze wykozystnie powiezchni oboczej włeczk, tym smym większą nośność styku oz twłość zmęczeniową łożysk. 1,2 j [ ' ] 1,0 0,8 0,6 F =0 F =4700 N F =11750 N 0,4 0,2 0,0-0,2 0 21,18 42,36 63,54 84,72 j [ ] 105,88 Rys. 5. Kąt pzechyleni włeczk j dl kolejnych włeczków ( j kąt okeśljący położenie włeczk) N ysunku 6 pzedstwiono poównnie wyników obliczeń pognozownej twłości zmęczeniowej bdnego łożysk dl ozptywnych pzypdków obciążeni osiowego, otzymnych z pomocą pogmu ROLL2 i według metody opisnej w ktlogu fimy FAG [2]. 6587

6 L h10km [10 6 km] WJ 130x240-TVP F =47000 N, g=0.025 mm ,568 9,322 9,568 9,255 9,065 8,329 FAG ROLL2 2 0 F =0 F =4700 N F =11750 N Rys. 6. Pognozown twłość zmęczeniow łożysk mźnicy Obydwie zstosowne metody obliczni pognozownej twłości zmęczeniowej dją poównywlne wyniki. Obciążenie osiowe pomieniowego łożysk wlcowego i towzyszące mu pzechylenie włeczków powoduje zmniejszenie twłości zmęczeniowej. Metod numeyczn pozwl uchwycić spdek twłości nwet w pzypdku niewielkiego obciążeni osiowego, odpowidjącego ilozowi F / F = 0,1. Metody ktlogowe nie uwzględniją wpływu n twłość tk niewielkich obciążeń osiowych łożysk. Wpływ obciążeni osiowego jest uwzględniny dopieo po pzekoczeniu wtości pogowej. W pzypdku ktlogowej metody fimy FAG [2] i obciążeni osiowego zbliżonego do obciążeni dopuszczlnego F H spdek twłości łożysk jest większy, niż wynik to z obliczeń z pomocą metod numeycznych. Ktlog łożysk fimy SKF [3] podje inne zleżności służące do wyznczni obciążeni zstępczego pomieniowych łożysk wlcowych poddnych złożonemu obciążeniu. Dl łożysk z włeczkmi o popocjch wymiowych L w / D w > 1,5 obowiązują ównni: dl F dl F F 0, 3: F 0, 3: P F P 0, 92F 0, 4F (10) Obciążenie zstępcze łożysk, poddne złożonemu obciążeniu, któe spełni wunek F / F = 0,25, byłoby ówne obciążeniu pomieniowemu, jego pzewidywn twłość tk sm, jk twłość łożysk obciążonego jedynie sił pomieniową. Ztem możn uznć, że poponown metod numeyczn dje dl nlizownego pzypdku wyniki lepiej odzwieciedljące zeczywistość. WNIOSKI Metodyk pognozowni twłości zmęczeniowej zstosown w niniejszej pcy do obliczeń pzewidywnej twłości łożysk mźnicy wgonu kolejowego, pozwl ująć w obliczenich wpływ loklnych zmin npężeń podpowiezchniowych w stykch współpcujących elementów, dzięki czemu może uwzględnić wiele czynników pomijnych zzwyczj w metodch inżynieskich, opisnych w ktlogch łożysk tocznych. Njwżniejszym z czynników jest złożone pomieniowe i osiowe obciążenie łożysk. W metodch ktlogowych jest ono uwzględnione w sposób pzybliżony w fomie odpowiednich wzoów n zstępcze obciążenie łożysk. Metod numeyczn pozwl dokłdnie okeślić pzewidywną twłość zmęczeniową łożysk poddnego złożonemu obciążeniu, dl dowolnych kombincji obciążeni. Możliwe jest tkże co nie zostło pzedstwione w niniejszej pcy wykonnie obliczeń dl zmiennych obciążeń osiowych, występujących podczs jzdy wgonu po toze o zdnej geometii, tkże dl obciążeń zncznie pzekczjącego obciążenie dopuszczlne 6588

7 osiowe, np. dl obciążeń udowych. Pzepowdzenie tkich nliz wykczło jednk poz zkes niniejszego opcowni i może być zelizowne w pzyszłości. Kolejnym wżnym czynnikiem wpływjącym n twłość pomieniowego łożysk wlcowego jest luz pomieniowy w łożysku. Wpływ luzu możn okeślić, kozystjąc z tdycyjnych metod obliczeniowych, wyznczjąc zstępcze obciążenie łożysk. Zleżności n obciążenie zstępcze, wymgjące obliczeni cłek Sjövll, nie pozwlją jednk n uwzględnienie w obliczenich obciążeni zstępczego złożonego obciążeni pomieniowych łożysk wlcowych. Innym czynnikiem, nie nlizownym w niniejszej pcy, jest niewspółosiowość pieścieni łożysk, wynikjąc z błędów położeni osi kół względem my wózk. Ktlogi łożysk tocznych podją jedynie dopuszczlną niewspółosiowość pieścieni, któ nie powoduje jeszcze pogoszeni wunków pcy. Metodyk zstosown w numeycznym wyznczniu twłości umożliwi okeślenie spdku twłości dl okeślonej niewspółosiowości pieścieni łożysk, zówno dl łożysk obciążonego jedynie siłą pomieniową, jk i dl łożysk pzenoszącego obok obciążeni pomieniowego tkże obciążenie osiowe. Osttnim z czynników jest koekcj twozących elementów tocznych łożysk. Ksztłt twozących jest węcz elementem wymgnym podczs wykonywni numeycznych obliczeń ozkłdów ncisków. Z jednej stony utudni to pzepowdzenie obliczeń twłości łożysk o nieznnej geometii pofilu, z dugiej jednk pozwl n dokonnie optymlizcji pmetów koekcji pod kątem jk njwiększej twłości zmęczeniowej łożysk pcującego w okeślonych wunkch. M to szczególne znczenie w pzypdku łożysk mźnicy pcujących pzy stosunkowo niewielkim obciążeniu pomieniowym. Steszczenie W pcy pzedstwiono wyniki obliczeń twłości zmęczeniowej łożysk mźnicy dwuosiowego wózk wgonu psżeskiego skłdu Intecity otzymne pzy zstosowniu metodyki umożliwijącej pognozownie twłości zmęczeniowej węzłów tocznych chkteyzujących się występowniem w stykch współpcujących elementów niehetzowskich ozkłdów ncisków. Zbdno wpływ obciążeni osiowego łożysk mźnicy n jego twłość zmęczeniową dl kilku wintów złożonego obciążeni. Stwiedzono, że obciążenie osiowe łożysk i towzyszące mu pzechylenie włeczków jest pzyczyną zmniejszeni twłości zmęczeniowej łożysk. Pzepowdzono ównież obliczeni twłości zmęczeniowej z pomocą ktlogowej metody FAG, uzyskując pzy tym poównywlne wyniki. Pzedstwiono zlety poponownej numeycznej metody pognozowni twłości zmęczeniowej, w tym możliwość uwzględnieni w obliczenich wpływu luzu pomieniowego i niewspółosiowości pieścieni n twłość łożysk, tkże pzepowdzeni optymlizcji pmetów koekcji twozących części tocznych pod kątem zwiększeni twłości zmęczeniowej łożysk. Effect of xil lod on the ftigue life of the xle box olle being Abstct The ppe pesents esults of clcultion of the ftigue life of the xle box olle being of n Intecity tin cige with two wheel sets bogies, obtined using the methodology llows the ftigue life pediction of olling couple with non hetzin contct of mting elements. The effect of xil lod on the ftigue life of the xle box olle being fo sevel vints of combined lod ws exmined. It ws found tht the being xil lod nd the ccompnying olle tilting is the cuse of educing the ftigue life of the being. Clcultions wee lso pefomed using the FAG ctlogue method of the ftigue life pediction, with obtining compble esults. The dvntges of the poposed numeicl method of ftigue life pediction e pesented, including the bility to include in the clcultion of the effect of dil clence nd mislignment of ings on the being dubility, s well s of optimizing the pmetes of olle gentix coection fo n incese in ftigue life of the being. BIBLIOGRAFIA 1. Kzemiński-Fed H., Wd B., The effect of olle end-flnge contct shpe upon fictionl losses nd xil lod of the dil cylindicl olle being. Poc. of the 15th Leeds-Lyon Symp. on Tibology, 6th-9th Septembe 1988, s

8 2. Wälzlge. Ktlog WL41 520/3 DB, Ktlog Główny. SKF, Wd B., Wykozystnie istniejących teoii zmęczeni powiezchniowego do pognozowni twłości złożonych węzłów tocznych. Zeszyty Nukowe PŁ, n 1055, z. 386, Łódź 2009, s Kzemiński-Fed H, Wd B., Coection of the olle genetos in spheicl olle beings. We 192, 1996, s Poducts fo ilwy pplictions. Scheffle Technologies GmbH & Co. KG, July The Design of Rolling Being Mountings. Scheffle Technologies AG & Co. KG, June Kzemiński-Fed H., Wd B., Modyfikcj konstukcji łożysk wlcowych i stożkowych w spekcie stt tci i pędkości gnicznej, Cz. 2, 4 i 6. Instytut Konstukcji Mszyn PŁ, Rpot z poj. bd. n I6/0181/93/86/CPBR, Kzemiński-Fed H., The logithmic coection optimiztion of olle genetos in olle beings. Tibologi, n 3, 1992, s