СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ПРОЧНОСТИ НАПРЕССОВКИ КОЛЕЦ ПОДШИПНИКОВ НА ШЕЙКЕ ОСИ КОЛЕСНОЙ ПАРЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК G01L1/22 

Изобретение относится к области машиностроения и транспорта, а именно к механосборочному производству, в частности к сборке с натягом деталей типа вал-втулка тепловым способом, и предназначено для оценки прочности сопряжения внутренних колец двух рядом стоящих буксовых роликовых подшипников, напрессованных на шейку оси колесный пары при ремонте (полной ревизии буксовых узлов).

Известно применение способа контроля прочности соединений с натягом по величине контрольного аксиального усилия [1]. Проверяемое соединение нагружают и о заданной прочности судят по неподвижности соединения, при этом во время приложения испытательной нагрузки снижают расчетную прочность соединения путем уменьшения величины натяга в сопряжении, а испытательную нагрузку устанавливают из соотношения Р_и=Р_мин-P_сн, где Р_и - испытательная нагрузка, Р_мин - минимально допустимая прочность соединения с натягом, Р_сн - программируемое снижение прочности соединения за счет принимаемого уменьшения натяга.

Применяемый способ контроля прочности напрессовки колец подшипников на шейки осей, заключающийся в определении разности величин диаметров посадочных поверхностей охватывающей и охватываемой деталей, в данном случае нельзя применить. Кроме того, из-за дискретности контакта на отдельных участках сопряженных поверхностей фактические давления могут отличаться, и применяемый способ контроля не дает достоверных исходных данных для оценки величины контактного давления в зоне сопряжения и напряженного состояния охватывающей детали, сопротивления посадки относительно сдвигу и проворачиванию.

Способ прямого контроля прочности сопряжения тепловых посадок по величине нормированного усилия сдвига позволяет с большей достоверностью оценивать несущую способность поперечно-прессовых посадок теплового формирования. При увеличении сдвигающего (скручивающего) усилия упругое деформирование микропрофиля поверхностей деталей в зонах их действительного контакта нарушается, происходит микросмещение (в производственных условиях указанное смещение не фиксируется) за счет частичного среза микронеровностей контактирующих поверхностей охватывающей и охватываемой деталей соединения.

Известен способ оценки качества сопряжения деталей в соединениях [2]. Используется тензодатчик измерения сил и напряжений в деталях и узлах машин и механизмов. Тензодатчик состоит из чувствительных элементов с тензорезисторами, включенными в электрический мост тензорезисторного усилителя, содержит упругий элемент, выполненный в виде цилиндра, на наружной поверхности которого вдоль и поперек оси симметрии наклеены тензорезисторы, соединенные в мостовую измерительную схему.

Указанные способы контроля не позволяют осуществить в ремонтной практике оценку прочности тепловой напрессовки колец подшипников на шейках осей колесных пар. Это обусловливает возникновение в роликовых буксовых узлах колесных пар вагонов следующих неисправностей:

- фретинг-коррозию в зоне контакта деталей из-за увеличения амплитуды микроперемещения при заниженных натягах сопряжения и соответственно - снижение усталостной прочности шеек осей;

- проворот кольца подшипника на шейке оси при малой величине натяга с образованием кольцевого износа на поверхности шейки оси;

- разрыв внутреннего кольца роликового подшипника при напряжениях в нем, превышающих предел прочности материала при больших значениях фактического натяга в сопряжении;

- трещинообразование и отколы частиц металла из-за больших напряжений во внутреннем кольце роликового подшипника при завышенных натягах посадок.

При отсутствии эффективного контроля сборки неизбежны отцепки вагонов в ремонт из-за нагрева буксовых узлов, разрушение роликовых подшипников и изломы шеек осей колесных пар вагонов в эксплуатации.

Наиболее близкими техническими решениями к предлагаемым способу и устройству неразрушающего контроля прочности тепловой напрессовки колец подшипников при ремонте является способ контроля исходной прочности тепловой напрессовки кольца подшипника на шейке оси колесной пары и устройство для его осуществления [3]. При осуществлении указанного способа контроля на поверхности одного из контактирующих тел размещают чувствительный элемент, воздействуют на эту поверхность механической нагрузкой со стороны другого тела, определяют механические напряжения и по напряженному состоянию деформируемого чувствительного элемента оценивают прочность полученного при данном формировании теплового соединения с гарантированным натягом. Основными отличительными признаками способа-прототипа являются:

- перед сборкой закрепляют коаксиально на наружной поверхности кольца подшипника снабженный тензорезисторами чувствительный элемент; измеряют нормальные напряжения на наружной поверхности последнего, вызываемые радиальной деформацией напрессованного на шейку оси кольца подшипника по мере остывания его по месту установки;

- для закрепления чувствительного элемента создают гидростатическое давление в его внутренней замкнутой изолированной полости и выполняют балансировку измерительного моста тензорезисторов перед совместным нагревом кольца и чувствительного элемента для обеспечения монтажного зазора в формируемом тепловом соединении с гарантированным натягом;

- регистрируют оценочные нормальные растягивающие напряжения, создаваемые упругим расширением кольца подшипника от фактического натяга в полученном соединении после остывания кольца на шейке оси совместно с чувствительным элементом до температуры производственного помещения;

- охлаждают тензорезисторы чувствительного элемента при его нагреве совместно с кольцом напрессовываемого на шейку оси подшипника.

Основными отличительными признаками устройства-прототипа являются:

- чувствительный элемент в виде втулки с выполненными на ее внутренней поверхности проточкой (цилиндрическая и торцовые поверхности которой образуют совместно с поверхностью дорожки качения подшипника внутреннюю герметически изолированную полость), а на наружной цилиндрической поверхности - кольцевой замкнутой полостью для циркуляции среды, охлаждающей установленные в ней тензорезисторы;

- внутренняя герметически изолированная полость чувствительного элемента заполнена рабочей жидкостью для передачи на его стенки гидростатического давления от радиальной деформации кольца подшипника при создании натяга в соединении;

- внутренняя полость чувствительного элемента соединена с источником давления рабочей жидкости, снабжена нормально открытым клапаном для связи с атмосферой во время заполнения ее и обратным клапаном для перекрытия подачи гидросреды после достижения требуемой величины начального давления рабочей жидкости внутри полости.

Технический результат достигается путем реализации прямого контроля соединения по уровню напряженно деформированного состояния чувствительного цилиндрического элемента с размещенными на его наружной поверхности тензорезисторами, который коаксиально устанавливают на наружную поверхность контролируемого кольца подшипника.

Недостатком указанного способа [3] является невозможность его осуществления для оценки прочности напрессованных на шейки осей колец подшипников, что необходимо выполнять при ремонтах (при проведении полной ревизии буксовых узлов колесных пар вагонов).

Задачей изобретения является повышение надежности и технического ресурса колесных пар вагонов и их буксовых узлов за счет обеспечения эффективного контроля прочности сопряжения с шейками осей напрессованных на них внутренних колец роликовых буксовых подшипников.

Технический результат достигается при реализации неразрушающего контроля прочности тепловой напрессовки колец, при котором на поверхности одного из контактирующих тел размещают цилиндрический элемент с тензорезисторами, воздействуют на указанную поверхность механической нагрузкой со стороны другого тела, определяют механические напряжения и по уровню напряженно-деформированного состояния чувствительного элемента судят о прочности посадки. При упомянутом измерении напряженно-деформированного состояния используемого чувствительного элемента осуществляют гидрораспор в зоне контакта посадочных поверхностей кольца подшипника и шейки оси для создания механической нагрузки на чувствительный элемент от гидростатического давления жидкости, подаваемой под давлением в указанную зону с торца каждого из двух сформированных соединений с натягом. Для этого перед проведением измерений в средней части по длине напрессовки на шейку оси двух колец подшипников закрепляют герметично и концентрично последним камеру высоко давления, а с двух ее сторон закрепляют неподвижно и коаксиально на кольцах подшипников чувствительные элементы с размещенными на их наружных поверхностях тензорезисторами. Измеряют на поверхности каждого чувствительного элемента нормальные напряжения растяжения, вызываемые упругой радиальной деформацией кольца подшипника от давления гидросреды в зоне сопряжения каждого из совместно проверяемого соединения. При давлении нагнетания рабочей жидкости, превышающем контактное давление р_к в зоне сопряжения деталей с гарантированным натягом, гидросреда проникает в глубь посадки, упруго деформирует и разделяет поверхности контакта охватывающей и охватываемой деталей контролируемого соединения. При этом образуется кольцевой сужающийся по ходу проникновения рабочей жидкости зазор между упомянутыми поверхностями деталей, заполненный гидросредой под давлением. Величина давления гидросреды определяется, исходя из закономерности его распределения по длине сопряжения [4]. Давление рабочей жидкости изменяется от максимального значения р_мi на входе в сопряжение до значения р_мz=р_к в конце клинообразного (сужающегося) деформированного зазора, заполненного рабочей жидкостью

где L₀ - полная длина клинового зазора (зоны сопряжения поверхностей деталей, разделенных масляным клином под воздействием давления рабочей жидкости); L_z - расстояние от входа рабочей жидкости в зону сопряжения до рассматриваемого поперечного сечения деформированного зазора в соединении с натягом от давления гидросреды.

Перед совместным нагружением чувствительного элемента в сборе с кольцом подшипника гидростатическим давлением выполняют балансировку измерительного моста. Нагнетают внутрь камеры высокого давления рабочую жидкость, а после этого измеряют на поверхности каждого чувствительного элемента нормальные напряжения растяжения, вызываемые упругой радиальной деформацией кольца подшипника от давления гидросреды в создаваемом кольцевом зазоре в зоне сопряжения, и расчетным путем по известным из теории упругости зависимостям устанавливают контактное давление и прочность посадки кольца на шейке оси в каждом проверяемом соединении.

Напряжения в чувствительном элементе измеряют в два этапа. Вначале при подаче рабочей жидкости в зону сопряжения через зазор между поверхностями контактирования торцовых поверхностей рядом стоящих колец подшипников (по техническим условиям щуп толщиной не более 0,04 мм может войти в зазор между указанными деталями на участке длиной 1/3 окружности) фиксируют возникновение нормальных напряжений растяжения по показаниям наиболее близкого от торца кольца подшипника тензорезистора и продолжают подачу рабочей жидкости до появления сигнала от наиболее удаленного тензорезистора измерительного элемента. Прекращают подачу рабочей жидкости и при достигнутой величине давления гидросреды с торца контролируемого сопряжения замеряют с помощью наиболее близкого к указанному торцу тензорезистора напряжения (создаваемые давлением рабочей жидкости в зоне контакта деталей соединения с натягом) на наружной поверхности чувствительного элемента измерительного устройства, по величине которых или по разности величин зафиксированных упомянутыми тензорезисторами напряжений определяют контактное давление и прочность посадки одного из колец на шейке оси колесной пары, а затем аналогично и второго кольца подшипника.

Величину удельного давления в заполненном рабочей жидкостью кольцевом деформированном зазоре контролируемого соединения с натягом проверяют по величине давления нагнетания рабочей жидкости в камеру высокого давления, соответствующей величине давления гидросреды на входе в зону сопряжения деталей с торцов каждого из двух соединений.

Таким образом, при реализации описанного выше технического решения уровень напряжений на внешней цилиндрической поверхности чувствительного элемента измерительного устройства, создаваемых давлением гидросреды в зоне контакта соединенных с натягом деталей, определяют путем тензометрирования, а контактное давление в зоне сопряжения поверхностей кольца подшипника и шейки оси колесной пары и прочность посадки кольца устанавливают путем пересчета измеренных напряжений по известным из теории упругости и теории гидрораспора зависимостям.

Устройство для неразрушающего контроля прочности напрессовки колец подшипников на шейке оси колесной пары содержит элемент (камеру высокого давления), обеспечивающий подвод рабочей жидкости в сопряжения колец с шейкой оси, с примыкающими к нему с двух сторон чувствительными элементами с тензорезисторами. Камера высокого давления выполнена в виде толстостенной втулки с резьбовыми концами и конусными внутренними поверхностями с вершинами конусов, направленными в сторону ее середины, снабжена конусными тонкостенными втулками, обеспечивающими кольцевые уплотнения с двух ее открытых торцов по наружным поверхностям контролируемых колец подшипников. Конусные втулки кольцевых уплотнений затягивают по конусным поверхностям камеры при помощи резьбовых нажимных гаек, размещенных по торцам последней. Чувствительные элементы измерительного устройства в виде клеммовых соединений закрепляют неподвижно при помощи резьбовых соединений каждого из них с двух сторон камеры высокого давления и фиксируют расположение середины последней в плоскости контакта торцов напрессованных на шейку оси двух колец буксовых подшипников, а сами контролируемые кольца закреплены от осевого смещения под воздействием давления рабочей жидкости в разъеме между контактирующими торцовыми поверхностями последних. Внутренняя изолированная полость камеры высокого давления соединена с источником подачи рабочей жидкости, снабжена нормально открытым клапаном для связи с атмосферой во время заполнения ее жидкостью, обратным клапаном для поддержания требуемой величины давления нагнетания гидросреды с торца сопряжения кольца подшипника с шейкой оси и сливным клапаном.

На чертеже изображено устройство для неразрушающего контроля прочности напрессовки колец подшипников на шейке оси колесной пары, продольный разрез.

Устройство содержит: корпус 1 камеры высокого давления с конусными внутренними поверхностями; тонкостенные конусные втулки 2 кольцевых уплотнений высокого давления по наружным поверхностям колец 3, 4 подшипников; нажимные гайки 5, снабженные резьбой; штуцер 6 для нагнетания рабочей жидкости во внутреннюю изолированную полость корпуса 1 и обратный клапан 7; манометр, клапан для удаления воздуха и сливной клапан (на чертеже условно не показаны); клеммовые измерительные элементы 8 (упругоразжимные или разъемные) с тензорезисторами 9, 10. Предотвращение аксиального смещения колец 3,4 на шейке 11 оси колесной пары от давления рабочей жидкости на их торцовые поверхности достигается при помощи шайбы 12 с болтами 13 торцового крепления буксовых подшипников и напрессованного на предподступичную часть оси кольца 14 отъемного лабиринтного уплотнения корпуса буксы колесной пары. Отверстия 15 в нажимных гайках используют для затяжки резьбовых соединений камеры высокого давления.

Контроль прочности напрессовки осуществляется следующим образом. Устанавливают на кольцо 3 и закрепляют внутренний измерительный элемент 8 (при использовании разъемных клеммовых соединений эта операция может выполняться позже), а затем элементы камеры высокого давления в последовательности: внутренние нажимная гайка 5 и конусная втулка 2, корпус 1, наружные конусная втулка 2 и гайка 5. Камеру высокого давления в сборе закрепляют неподвижно в средней части колец 3 и 4 концентрично последним на расстоянии L от бурта кольца 3 при помощи втулок 2 и нажимных гаек 5. С внешней стороны камеры высокого давления устанавливают по месту и закрепляют наружный клеммовый измерительный элемент 8, а затем шайбу 12 торцового крепления подшипников буксового узла. Подключают датчики 9, 10 чувствительных элементов 8 к каналам измерительной аппаратуры. Устанавливают относительный нуль для отсчета значений измеряемых датчиками 9, 10 величин нормальных окружных напряжений (балансировка каналов тензоаппаратуры при указанном положении измерительных элементов на собранных с гарантированным натягом соединениях). В изолированную внутреннюю полость корпуса 1 через штуцер 6 и обратный клапан 7 нагнетают рабочую жидкость (минеральное масло) до появления сигнала от одного из тензорезисторов 10, установленных на расстоянии L₁ от плоскости контакта торцов колец 3 и 4 подшипников. Замедляют подачу рабочей жидкости и при появлении сигнала от одного из тензорезисторов 9, установленных на расстоянии L₀₁, прекращают нагнетание гидросреды. При достигнутом давлении р_мi во внутренней полости корпуса 1 камеры высокого давления замеряют величину напряжений при помощи тензорезисторов 10. По описанной выше методике устанавливают величины контактного давления и натяга в сопряжении. Аналогично выполняют необходимые замеры для второго напрессованного на шейку оси кольца подшипника. Если результаты замеров по контролю поперечно-прессового соединения будут иметь недопустимые отклонения от установленных величин, то это соединение с натягом должно быть расформировано и выполнена напрессовка другого внутреннего кольца подшипника на шейку оси ремонтируемой колесной пары.

Источники информации

1. А.с. СССР №1632724, МПК В23Р 11/02. Способ контроля прочности соединений с натягом/ Кузуб Ю.М. 1991. Бюл. №9.

2. А.с. СССР №1656351, МПК G01L 1/22. Тензодатчик усилий / Зевелев С.Я., Голембиовский A.M. 1991. Бюл. №22.

3. Патент BY 7377 C1, В23Р 11/02, G01L 1/22. Способ контроля исходной прочности тепловой напрессовки кольца подшипника на шейке оси колесной пары и устройство для его осуществления / Чернин И.Л., Сенько В.И., Сенько Л.В. № а 20010261; заявл. 20.03.2001; опубл. 30.09.2002 // Афiцыйны бюлэтень / Нацыян. Цэнтр интэл. уласнасцi Рэсп. Беларусь. - 2005. - прототип.

4. Сенько В.И., Чернин И.Л., Бычек И.С. Техническое обслуживание вагонов. Организация ремонта грузовых вагонов в депо. Гомель, Бел ГУТ. 2002-371 с.

Изобретение относится к области машиностроения и транспорта. Сущность: используют чувствительные элементы, закрепленные концентрично относительно колец подшипников и снабженные тензорезисторами. Контрольную нагрузку создают давлением рабочей жидкости между поверхностями сопряжения колец и шейки оси. Для подвода рабочей жидкости с торца каждого кольца подшипника используют камеру высокого давления, устанавливаемую в средней части по длине этих двух колец и концентрично последним. Замеряют на наружных поверхностях чувствительных элементов напряжения растяжения, создаваемые при расширении кольца подшипника от давления рабочей жидкости. Контактное давление и прочность посадки кольца на шейке оси устанавливают расчетным путем по известным из теории упругости зависимостям. Камера высокого давления выполнена в виде втулки с изолированной при помощи кольцевых уплотнений внутренней полостью, перекрывающей зону контакта торцовых поверхностей двух напрессованных на шейке колец. Внутренняя полость камеры соединена с источником давления рабочей жидкости, снабжена обратным клапаном для поддержания контрольного давления гидросреды. Технический результат: повышение надежности и технического ресурса. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ неразрушающего контроля прочности напрессовки колец подшипников на шейке оси колесной пары, при котором на поверхности одного из контактирующих тел размещают чувствительный цилиндрический элемент, воздействуют на указанную поверхность механической нагрузкой со стороны другого тела, определяют механические напряжения и по уровню напряженно-деформированного состояния чувствительного элемента судят о прочности посадки, отличающийся тем, что при измерении напряженно-деформированного состояния цилиндрического чувствительного элемента осуществляют гидрораспор в зоне контакта посадочных поверхностей кольца подшипника и шейки оси для создания механической нагрузки на упомянутый элемент от гидростатического давления рабочей жидкости, подаваемой с торца каждого из двух сформированных соединений с натягом.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в средней части по длине напрессовки на шейку оси двух колец подшипников закрепляют герметично и концентрично последним камеру высокого давления для нагружения соединений с натягом давлением гидросреды в зоне сопряжения колец и шейки оси при нагнетании рабочей жидкости внутрь камеры, а с двух сторон этой камеры закрепляют неподвижно и коаксиально на кольцах подшипников чувствительные элементы с размещенными на их наружных поверхностях тензорезисторами, измеряют на поверхности каждого чувствительного элемента нормальные напряжения растяжения, вызываемые упругой радиальной деформацией кольца подшипника от давления гидросреды в зоне сопряжения каждого из совместно проверяемых соединений.3. Способ по п.2, отличающийся тем, что напряжения в чувствительном элементе от удельного давления в деформированном зазоре между контактирующими поверхностями деталей контролируемого соединения измеряют в два этапа, на первом - при торцовой подаче рабочей жидкости в зону сопряжения фиксируют возникновение нормальных напряжений растяжения в наиболее близком от соприкасающихся торцовых поверхностей колец подшипников тензорезисторе и замедляют подачу рабочей жидкости, а на втором - при достигнутой величине давления гидросреды при появлении показаний, снимаемых с одного из самых удаленных тензорезисторов, прекращают подачу рабочей жидкости и замеряют напряжения, возникающие в тензорезисторе, более близком к указанной плоскости соприкосновения торцов колец, по величине которых или по разности величин зафиксированных напряжений на первом и втором этапах определяют прочность посадки кольца на шейке оси.4. Способ по п.3, отличающийся тем, что величину удельного давления в заполненном рабочей жидкостью кольцевом деформированном зазоре контролируемого соединения с натягом проверяют по величине давления нагнетания указанной жидкости в камеру высокого давления, соответствующей величине давления гидросреды на входе в зону сопряжения деталей с торцов каждого из двух соединений с натягом.5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что неподвижное закрепление на поверхности кольца подшипника чувствительного элемента осуществляют при помощи резьбового соединения последнего, а перед последующим совместным нагружением гидростатическим давлением рабочей жидкости упомянутого элемента в сборе с кольцом подшипника выполняют балансировку измерительного моста тензорезисторов.6. Устройство для неразрушающего контроля прочности напрессовки колец подшипников на шейке оси колесной пары, содержащее элемент, обеспечивающий подвод рабочей жидкости под давлением в зону контакта поверхностей подшипников и шейки оси, и выполненные с возможностью коаксиальной установки и закрепления на кольцах контролируемых подшипников чувствительные измерительные элементы с установленными на них тензорезисторами, отличающееся тем, что полая толстостенная камера высокого давления, снабженная кольцевыми уплотнениями в виде конусных тонкостенных втулок с двух своих открытых торцов по наружным поверхностям контролируемых колец подшипников, закреплена неподвижно и герметично в средней части по длине двух рядом стоящих напрессованных на шейку оси колец подшипников, а с двух противоположных сторон к торцам упомянутой камеры примыкают чувствительные элементы, каждый из которых выполнен в виде клеммового соединения и фиксирует расположение средней части камеры высокого давления относительно плоскости контакта торцов напрессованных на шейку оси двух колец подшипников.7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что камера высокого давления выполнена с резьбовыми концевыми частями и с двумя конусными внутренними поверхностями, при этом вершины конусов последних направлены в сторону середины камеры, втулки кольцевых уплотнений затягивают по указанным внутренним поверхностям камеры при помощи нажимных гаек, размещенных по торцам последней, а контролируемые кольца подшипников имеют ограничение от осевого смещения под воздействием давления рабочей жидкости в разъеме между их контактирующими торцовыми поверхностями.8. Устройство по п.6 или 7, отличающееся тем, что внутренняя изолированная полость камеры высокого давления соединена с источником подачи рабочей жидкости, снабжена клапаном для связи с атмосферой во время заполнения ее жидкостью и обратным клапаном для поддержания требуемой величины давления гидросреды, подаваемой с торца сопряжения кольца подшипника с шейкой оси колесной пары.