Способ определения длин сопряженных поверхностей в паре трения качения

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУВЛИН (19) (И) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЛИН СОПРЯ.. ,ЖЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ В ПАРЕ ТРЕНИЯ

КАЧЕНИЯ (21) 3794139/29-11 (22) 18.07.84 (46) 23.03.86. Бюл. N 11 (71) Куйбышевский институт инженеров железнодорожного транспорта (72) А.А.Ильяшенко (53) 625. 144.4 (088.8) (56) Гунт и др. Вибрационные характеристики шарикоподшипников.. — Проблемы трения и смазки. 1977, Ф 2, с. 152.. (57) Изобретение относится. к технике, где используются направлякщие с трением качения и трением скольже ния. Цель изобретения — повышение долговечности пары трения качения за счет исключения возникновенияволнообразного износа поверхностей

1 2

И

7:Х (7У 2.7Х 37$97$5,7Х ЙЮ 7,7У Ю 9,71 ЩЮ ЮВ Я Ю 97f Щ7Ю ФФ

КОНЕР МРмОВиК РЕлЬСа,яр= 1и+3/Ц) ф

7 у Ю

6 Ю у

И

Фф, 8

Ф (5и4 601 В 15/00 Е 01 В 37 00

1219918

Длину одной из сопряженных поверхностей определяют в соответствии с

С зависимостью †а К, где Са и

С, ° 7

С вЂ” соответственно скорости распределения продольной волны в перемещающемся объекте и направляющей, У1 и 2 — соответственно длина окружности плоскости катания перемещающегося объекта или длина направляющей; К вЂ” коэффициент, учитыУ вающий соотношений между параметрами, представляемый последовательностями чисел, Собственные (резонансные) частоты направляющей и перекатывающегося объекта будут распределены таким образом, что на всей дискретной последовательности частот не будет их совпадения. Не будет ( возникать резонансное состояние системы направляющая — перекатывающийся объект. 1 ил.

20

CC .УК

С1 "Х

Изобретение относится к технике где используются направляющие с тре. нием качения и трением скольжения, а именно к железнодорожному транспорту, машиностроению, приборостроению, станкостроению, и может быть использовано для предупреждения образования волнообразного износа на поверхностях направляющей и перемещающегося по ней объекта, например рельса железнодорожного пути и колеса транснортного средства.

Цель изобретения — повышение долговечности пары трения качения sa

;счет исключения возникновения волно-! образного износа поверхностей.

На чертеже. изображен график для определения коэффициента К.

Способ определения длин сопряженных поверхностей в паре трения качения заключается в том, что длину одной иэ сопряженных поверхностей определяют в соответствии с зависимостью где С и С вЂ” соответственно скоросг ти распространения продольной волны в пе-. ремещающемся объекте и направляющей;

Х, и Х вЂ” соответственно длина окружности плоскости катания перемещающегося объекта или длина направляющей;

К вЂ” коэффициент, учитывающий соотношения между параметрами, представленный последовательностями чисел: 1/2п, где и — ряд натуральных чисел, или

2/пк, где и к — нечетные числа натурального ряда, начиная с 3, или

4/п, где и 2 — нечетные числа натурального ряда, начиная с 5.

При таком соотношении К собственные (резонансные) частоты направляющей и перекатывающегося объекта распределены таким образом, что на всей дискретной последовательности частот не будет их. совпадения, т.е. не возникнет резонасное состояние системы направляющая — перекатывающийся объект и, следовательно, уменьшится их износ. Выбор такого соотношения является следствием экспериментальных и теоретических исследований.

При возбуждении в рельсе ударных колебаний (легким молотом) и передачи возникающих сигналов колебаний с помощью преобразователя (датчика) на осциллограф на экране последнего возникает сеть хаотических иэображений этих колебаний, которые на отдельных каналах длительности синхронизируются через 0,5-1,5 с. Явление синхронизации (например, для рельса

P 65, У = 3,5 м) имеет место на частотах 360, 840, 2320, 5000

При возбуждении в рельсе (любой длины) синусоидальных колебаний с помощью электродинамического возбудителя (на низких частотах) или с помощью пьезоизлучателя (на высоких)

1219918 (ER р

40 и приеме сигналов на осциллограф с помощью датчика наблюдается бесконечный гармонический ряд резонансных частот, некоторые из которых сходятся по величине с указанными частотами. 5

При любой резонансной частоте по всей длине рельса образуются стоячие волны с характерными узлами и пучностями как по поверхности головки рельса, подошвы, так и на торцо- 10 вых поверхностях.

При воздействии излучателя на рельс в пределах любой пучности по всей длине рельса и в тех же местах наблюдаются узлы. При воздействии 15 излучателя на узел явление стоячих волн исчезает по всему рельсу. Узлы и пучности фиксируются в тех же местах при одновременном перемещении

:,вдоль рельса рядом стоящих излучате- 20 ля и датчика. Установка одинаковых датчиков на соседних пучностях.и приеме сигналов на двухлучевой осциллограф позволяет наблюдать синфазные колебания. В случае установ- 25 ки в одном сечении рельса (в пределах пучности) одного датчика на поверхности головки рельса,, другого— на поверхности подошвы колебания происходят в одной фазе (асимметричные изгибные волны).

При возбуждении в колесе стоящего вагона упругих колебаннй на поверхности качения также образуется бесконечный ряд резонансных частот, на которых наблюдаются соответствующие узлы и пучности.

Возбуждение стоячих волн на отдельных частотах в рельсе, поражен- ° ном волнообразным износом (на магистральном участке пути), показывает, что узлы строго сходятся с выпуклостями неровностей.

При изучении под поездной нагрузкой частот колебаний рельса (Р 75, длина 25 м) с наибольшими амплитудами с помощью селективного фильтраанализатора установлены частоты, гЦ:

50, 130, 360, 900, 2600, 14900.

Таким образом, в соответствии с экспериментом рельс является линейной колебательной системой с собственными частотами, которые образуют бесконечную дискретную последовательность (как тонкий стержень со свободными концами). Эта последовательность практически точно описывается выражением „= n — n = 1/2, 3/2, 5/2, 7/2, где n — номер собственных (нормальных) асимметричных колебаний;

С вЂ” скорость продольных волн в рельсе (4740 м/с), найдена экспериментально, Х вЂ” длина рассматриваемого объекта (направляющей).

Так для рельса длиной, равной

12,5 м, последовательность частот равна, Гц: 95, 284, 474, 663, 853, .

1043, l232, 1422 ..., для У = 25 MC

47, 142, 237, 232, 406, 522, 616, 711, 806, 901, 995 ..., для Х . 3,5 м;

338, 1015, 1692, 2369, 3046, 3723, 4400, 5077

В рельсе, в бандаже колеса, как в бесконечном стержне, возникают бегущие вдоль направляющих изгибные волны. Наложение встречных волн образует стоячие волны, длина которых на отдельных резонансных частотах описы-. вается выражением где Š— модуль Юнга для рельсовой стали, R — радиус инерции поперечного сечения рельса относительно горизонтальной оси

P — акустическая плотность рель совой стали.

Известно, что резонанс в колебательной системе возникает при совпа. дении частоты гармонической величи- . ны сипы в одной из собственных частот. Внешней гармонической силой при движении поезда является колеблющее« ся колесо, а также силы, возникающие при колебании отдельных элементов самого пути (шпал, балластного слоя, подкладок).

Учитывая, что при какой-либо резонансной частоте 1„. образуются стоя чие волны с постоянным расположением узлов и пучностей по длине рельса, а также по окружности колеса, то становится очевидной природа образования волнообразного износа рельсов при взаимодействии с движущимся колесом.

При качении объекта по нвправлакгщей за счет макро- и микронеровнос30

5 12199 тей на поверхностях качения объекта

1и направляющей образуется широкий спектр частот, часть из которых входит в резонанс с объектом и направляющей, последние, в свою очередь, входят в резонансное состояние между собой на отдельных частотах последовательностей.

Исключение совпадения ряда частот собственных колебаний объекта и на- 10 правляющей возможно подбором длин окружности поверхности качения объекта или самой направляющей в соответствии с зависимостью

С Х,/С„Я = К. t5

Способ реализуется следующим образом.

Имеем цельнокатаную колесную пару от грузовой железнодорожной платформы, стоящую на рельсах. Длина окружности поверхности качения У =

= 2,98 м. Железнодорожный рельс длиной 3,50 м типа Р65, лежит на деревянных подкладках.

Определяем длины рельсов, при ко- 25 торых не возникнет совместное с колесом резонансное состояние.

С помощью пьеэоиэлучателя и генератора синусоидальных колебаний на поверхности качения колеса колесной пары возбуждается на отдельной частоте 1к, например 2220 Гц, резонансное колебание. Преобразованные с помощью пьезопреобразователя колебания поверхности качения колеса в

35 виде электрических сигналов подаются на осциллограф. Путем перемещения пьезодатчика по смазанной солидолом поверхности качения колеса находятся такие сечения бандажа, в которых сигнал на осциллографе минимальный (близок к нулю). Эти места соответствуют узлам стоячих волн.

Определив таким образом местоположение узлов по всей окружности ка 45 чения колеса, можно определить номер гармоники пк и длину стоячей воды и 8, — это количество отрезков по всей окружности катания.

Длина стоячей Волны Ъ ст 7 „ /и к 50

= О,3725 м.

Скорость распространения волны вдоль поверхности катания колеса при .частоте „ = 2220 Гц находим из выражения

С к 2 cz „ „= 1653,9 м/с. м

Таким же образом находим указанные параметры в рельсе длиной

18 Ф

3,50 м на резонансной частоте (гармоника, наиболее близкая к гармонике, рассмотренной в колесе).

1 = 2140 ГцЪ, = У /пр

= 0,2979 м, где п > (номер гармоники в рельсе) (n + 3/ф).

Отсюда С = 1274,9 м/с.

Определим скорость волны в рельсе при частоте = к. В соответствии с известной формулой скорость можно определить как

4(„г, С = - — ° 2,5ф

Подставив С и, можно для данного объекта определить величину как постоянную.

Формула скорости распространения волны в рельсе приобретает вид С р =

27,559 4 Г 9 по которой можно определить С при частоте

P к

= 2220 Гц.

27,559 (2220 = 1298,5 м/с.

Из предыдущих формул для колеса и рельса можно написать

С„ C„

- Чк= n„— = пк

«211С1 к к 2 Хк

С. С>

=n =n —.

P P 2ъ„, 2lp

Резонансное состояние системы колесо-рельс происходит при

Приравняем и получим

С» Ср и< Ср и„— = n — или — =— к р к р

В последнем соотношении отношение С /С„ можно считать постоянным при всех частотах р = к . Соотношение будет справедливо только при определенных величинах n и и а при некотором отношении п„/пр резонансного состояния вообще может не быть. Эти отношения удобно находить графически (на чебтеже по абсциссе отложены значения пр, а по ординате — n ). Пересечения сетки показывак ют, что при таких соотношениях nk и п происходит резонанс. На графике можно найти такие соотношения, при которых резонанс отсутствует.

Эти соотношения представляются в виде последовательности К = n„/п у

Ср р c„

1 1, 1

1/1i — — ... — где n — нату2 3 n ральный ряд чисел. Тогда из последнего выражения длины рельса Х, при которых не наблюдается резонайс, — 2,33964/К, т е. 2 34, 468; 7,19, 936, 11,70;

14,04, 16,38; 18,72, 21,06; -23,40

2,34 ° n (n =1, 2, 3, ..., n íàòóральный -ряд) °

Для подтверждения этого использованы исследования частот колебаний шарикоподшипника с диаметром окружности центров шариков, равным

48,514 мм, и диаметром шариков

7,9375 мм.

С

По формуле 1 = n — (при скоросй 23 ти С = 5100 м/с) определены .дискретные последовательности собственных колебаний наружного и внутреннего колец подшипника. За длину направляющих приняты длины окружностей желобов наружного и внутреннего колец. Получены последовательности для наружного кольца, Гц: 7203, 21610, 36017, 50424, 64831 ..., длЯ внутреннего кольца, Гц: 11039, 30117, ..., 50195, 70273

Из последовательностей видно, что резонансы могут возникнуть на частотах 7-8, 30-36 и особенно на 5051 кГц. Эти частоты близки к резонансным частотам, изображенным на амплитудно-частотных характеристиках исследованного шарикоподшипника.

Применяя зависимость С Х,/С, К

= К при К = 2/3 (оставляя, например, тот же диаметр внутреннего кольца), получим идеальный в отношении износа подшипник, не содержащий резонансов. между колебаниями элементов по всей последовательности частот, с отношением диаметра шарика к диаметру внутреннего кольца 1/4, а к диаметру наружного — 1/6. Для легкой серии подшипников целесообразно применять К = 4/5.

С

По формуле = и — подсчитаны п 2Е последовательности собственных частот колебаний трамвайного рельса типа P 65 с длиной 12,5 м и железнодорожного рельса типа P 75 с длиной

25 м, а также последовательности по длине окружности катания колес: трамвайного (с диаметром 0,65) и

12199 18 8 вагонного (c диаметром 0,95 м).

Найдены совпадения (резонансы) частот свободных колебаний соответственно для условий трамвая и железной

-дороги. Рассчитанные длины стоячих волн (неровностей на рельсах) по резонансам полностью подтвердились полевыми замерами длин неровностей.

Если принять скорость распростра.,10 нения продольной волны 5100 м/с в колесах трамваев и железнодорожных вагонов и соответствующие диаметры

0,65 и 0,95 м, то по зависимости

С 2,/С,У = К при К = 1, 2, 1/4, 15 1,6 ... можно определить соответствующие длины рельсов, при которых по всей последовательности частот не будет резонансов Для трамвайных рельсов, м: 3,870, 7,739", 11 61;

20 15,478, 19,35, 30,956, для железнодорожных рельсов, м: 5,656, 11,32, 16,968; 22,623, 28,28, 33,936, 45,246, 25 Ф о р м у .л а и з о б р е т е н и я

Способ определения длин сопряженных поверхностей в паре трения качения, преимущественно рельса и колеса, отличающийся тем, что, с целью повышения долговечности пары трения качения за счет исключения возникновения волнообразного износа поверхностей, длину одной

:йз сопряженных поверхностей опреде35 ляют в соответствии с зависимостью где С и С вЂ” соответственно скорости распространения продольной волны в перемещающемся объекте и направляющей;

Х и Х вЂ” соответственно длина окружности плоскости катания перемещающегося объекта или длина направляющей;

К вЂ” коэффицие нт, учитываю щий соотношения между параметрами, представляемый последовательностями чисел: 1/(2n), где n — ряд натуральных чисел, или

2/п, где n1 — нечетные числа натурального ряда, начиная с З,.или

4/n, где п — нечетные числа натурального ряда, начиная с 5.