автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка и внедрение системы контроля деталей подшипниковых узлов тягового электродвигателя с целью увеличения срока службы

На правах рукописи

ЛАКЕЕНКО Максим Николаевич

РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ДЕТАЛЕЙ ПОДШИПНИКОВЫХ УЗЛОВ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ С ЦЕЛЬЮ УВЕЛИЧЕНИЯ СРОКА СЛУЖБЫ

Специальность 05.11.13 «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 ^ мдп 2012

Омск-2012

005044095

005044095

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет» на кафедре « Метрология и приборостроение»

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

ГЛУХОВ Владимир Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

СТИХАНОВСКИЙ Борис Николаевич

кандидат технических наук, доцент МИШИН Анатолий Иванович

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения»

Защита состоится 07 июня 2012 г. в 1300 на заседании диссертационного совета Д 212.178.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет» по адресу: Омск, пр. Мира, 11, ауд. 8-421.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного технического университета.

Автореферат разослан 5 мая 2012 г.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу: 644050, Омск, пр. Мира, И, Омский государственный технический университет, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.178.01.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 212.178.01 д.т.н., доцент

В. Л. Хазан

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Повышение срока службы подвижного состава железнодорожного транспорта не представляется возможным без повышения срока службы тяговых электродвигателей локомотивов. Одним из основных узлов, определяющих срок службы тягового электродвигателя, является узел роликовых подшипников. Роликовые подшипники электродвигателя работают с большими переменными нагрузками (динамическая грузоподъемность до 739 кН) при частотах вращения до 30Гц и перепадах температур от -40 °С до + 120 °С. Основными показателями, определяющими срок службы роликовых подшипников, являются радиальный зазор и угол перекоса колец. Срок службы роликовых подшипников при эксплуатации далеко не всегда совпадает с гарантированным, а часто оказывается во много раз меньшим, поскольку при сборке изменяются, размеры и геометрические отклонения рабочих поверхностей деталей подшипника и базовых деталей подшипникового узла.

Проблеме повышения срока службы подшипников качения в конструкторском, в технологическом и метрологическом направлениях посвящены работы многих российских и зарубежных ученых:

В. И. Акифьева, А. Н. Бурмистрова, В. Б. Бальмонта, А. В. Бородина, В. А. Брагинского, Т. Н. Барковой, Б. М. Базрова, П. Н. Волкова, И. Г. Глана, 3. М. Брейтмана, Н. Г.Бруевича, В. И. Глухова, Bell J.C, Dyson A., Blok Н., Chang L., Cusano С., Conry T.F. и других ученых.

Большой объем работ в рамках каждого направления исследований говорит об актуальности проблемы увеличения срока службы роликовых подшипников. В ряде работ разработаны научные принципы, реализация которых позволяет успешно решать проблему увеличения срока службы тяговых электродвигателей при условии распространения сферы их действия на все стадии жизненного цикла тягового электродвигателя, и прежде всего на три основных: проектирование, изготовление и контроль.

Тема диссертации, направленная на увеличение срока службы тяговых электродвигателей за счет разработки и внедрения системы контроля геометрических отклонений расположения деталей подшипниковых узлов, является актуальной.

Объектом исследований являются подшипниковые узлы тягового электродвигателя TJI-2K.

Предметом исследований являются взаимосвязи геометрических величин базовых элементов деталей подшипниковых узлов и методы контроля величин.

Цель диссертационной работы заключается в разработке системы контроля точности геометрических величин деталей подшипниковых узлов тягового электродвигателя, обеспечивающей увеличение срока его службы.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1 Выполнить анализ линейных и угловых размерных цепей, обеспечивающих технические требования по эксплуатации роликовых радиальных подшипников тяговых электродвигателей.

2 Разработать геометрические модели сопрягаемых деталей и сборочных единиц подшипниковых узлов с учетом информативности и служебного назначения сопрягаемых элементов.

3 Разработать математическую модель и программу расчета влияния комплексных размеров сопрягаемых элементов деталей подшипниковых узлов на угол перекоса оси внутреннего кольца относительно оси наружного и радиальные зазоры в роликовых подшипниках.

4 Разработать и внедрить систему контроля, методы и методику измерений комплексных размеров деталей подшипниковых узлов, рекомендации по увеличению срока службы подшипниковых узлов, рассчитать экономический эффект от внедрения в производство результатов работы.

Методологической основой исследования послужили работы А. В. Бородина, Н. Г. Бруевича, Н. А. Бородачева, В. И. Глухова, М. А. Палея.

Методы исследования. В работе использованы методы: геометрического моделирования; методы теории точности механизмов; методы теории измерений; математические методы планирования полного факторного эксперимента; метод компьютерного программирования на языке «Делфи».

Научную новизну работы составляют:

1 Математические модели геометрических величин, характеризующих точность соединений деталей подшипниковых узлов, включая перекосы осей колец роликовых подшипников, комплексных размеров беговых дорожек колец и радиальных зазоров в подшипниках на основе графических моделей реальных деталей и сборочных единиц подшипниковых узлов, и позволяющие повысить точность оценки геометрических величин соединений по результатам контроля влияющих отклонений расположения элементов деталей до сборки.

2 Методы измерений отклонений расположения деталей, обеспечивающие достоверной измерительной информацией базу данных математической модели геометрических величин подшипникового узла, составляющие основу системы контроля качества параметров подшипниковых узлов и позволяющие увеличить срок службы тягового электродвигателя по результатам контроля.

Новизна предложенных технических решений подтверждена патентами на полезные модели: №94298 от 15.02.2010 «Подшипниковый узел»; №95394 от 04.03.2010 «Измерительный комплекс»; №109844 от 27.10.2011 «Устройство для измерения геометрических параметров».

Практическую значимость работы составляют:

1 Система контроля геометрических величин деталей тягового электродвигателя до сборки с применением программы расчета комплексных диаметров беговых дорожек, радиальных зазоров и углов перекосов осей колец роли-

ковых подшипников, обеспечивающая увеличение срока службы подшипниковых узлов.

2 Введение систем координат комплектов баз в проектную документацию с целью системного нормирования отклонений расположения в соответствии с геометрическими моделями деталей в процессе конструирования: обеспечение требуемой точности посадок на основе измерений влияющих на комплексные размеры отклонений расположения, программа для оценки и исследований комплексных размеров элементов деталей, радиальных зазоров в подшипниках и перекосов осей колец подшипников.

3 Опытные образцы запатентованных измерительных устройств и методики для контроля отклонений расположения элементов вала, подшипникового щита тягового электродвигателя.

4 Мероприятия по увеличению срока службы тяговых электродвигателей.

Достоверность результатов исследования обосновывается:

- применением известных математических методов, использовавшихся ранее при решении прикладных задач;

- соответствием аналитических результатов с экспериментальными данными и их коррелирование с работами других авторов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на V Всероссийской научной конференции, посвященной памяти главного конструктора ПО «Полет» А. С. Клинышкова «Проблемы разработки, изготовления и эксплуатации ракетно-космической и авиационной техники» (Омск 2010); на научно-технической конференции с международным участием, посвященной 110-летнему юбилею Омского государственного университета путей сообщения «Инновации для транспорта» (Омск 2010); на XXIII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (Казань 2011); на Всероссийской научно-технической конференции с международным участием, посвященной пятидесятилетней истории ОмГУПСа на омской земле и 100 летнему юбилею профессора Пахомова В.Н. «Технологическое обеспечение ремонта и повышение динамических качеств железнодорожного подвижного состава» (Омск 2010); на научных семинарах кафедры «Метрология и приборостроение» Омского государственного технического университета на научно-технических советах «Научно-исследовательского института технологии, контроля и диагностики железнодорожного транспорта» (Омск 2009, 2010, 2011,2012 г.г).

Основные положения, представляемые к защите:

1 Установлено, что срок службы механической части тягового электродвигателя лимитируется опорами качения вала-якоря и зависит от действующих размеров исполнительных поверхностей беговых дорожек наружного и внутреннего колец, разность диаметров которых определяет радиальные зазоры в роликовых подшипниках после сборки электродвигателя. Доказано, что действующие размеры беговых дорожек являются комплексными размерами, зна-

чения которых изменяются вследствие угловых перекосов осей колец, присоединяемых к различным деталям электродвигателя: наружное - к неподвижному подшипниковому щиту, внутреннее к валу-якорю.

2 Показано, что системой отсчета угловых перекосов осей колец и комплексных размеров беговых дорожек колец является единая обобщенная система координат двигателя - система координат комплекта основных конструкторских баз остова, выполняющего служебное назначение базирующей детали двигателя. Установлено, что угловые перекосы осей колец подшипника создаются отклонениями расположения базовых поверхностей всех деталей двигателя. Угловые перекосы вызывают уменьшение действующего диаметра беговой дорожки наружного кольца и увеличение действующего диаметра беговой дорожки внутреннего кольца подшипника, что в итоге приводит к уменьшению радиальных зазоров в подшипниках вплоть до образования натягов, что недопустимо по правилам эксплуатации: срок службы подшипника сокращается.

3 Доказано, что применение новой системы контроля геометрических величин на основе достоверных и запатентованных методов измерений отклонений расположений деталей, влияющих на перекосы осей колец подшипников и комплексные размеры беговых дорожек колец, с оценкой их влияния на основе математической модели и программы расчета, являются необходимым условием увеличения срока службы подшипниковых узлов и тягового электродвигателя в целом.

Личный вклад автора. Научные положения, представляемые к защите, получены непосредственно автором. Автором лично выполнен анализ линейных и угловых размерных цепей, обеспечивающих технические требования по эксплуатации роликовых подшипников тяговых электродвигателей; разработаны геометрические модели сопрягаемых деталей и сборочных единиц подшипниковых узлов; разработана структура и допуски комплексных размеров элементов деталей с учетом информативности и служебного назначения элементов; разработана математическая модель и программа влияния комплексных размеров сопрягаемых элементов деталей подшипниковых узлов на угол перекоса оси внутреннего кольца относительно оси наружного и радиальные зазоры в роликовых подшипниках; разработаны рекомендации по повышению срока службы подшипниковых узлов тяговых электродвигателей.

В соавторстве разработаны методы и методика измерений и оценки комплексных размеров деталей подшипниковых узлов тягового электродвигателя.

Публикации. По теме диссертации опубликовано восемь печатных работ, из которых одна - в рецензируемом научном журнале, и три - патенты Российской Федерации на полезные модели.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Основное содержание изложено на 122 с. печатного текста, включает 41 рисунок и 18 таблиц. Кроме этого имеются библиографический список из 116 наименований и два приложения. Общий объем работы составляет 166 с.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы исследования, научная новизна и практическая значимость результатов работы.

В первой главе приводится информация о применяемых методах и средствах контроля радиальных зазоров в роликовых подшипниках тяговых электродвигателей, анализируются статистические данные отказов локомотивов по причине выхода из строя тяговых электродвигателей, процент отказов подшипников от общего числа отказов и характер повреждений деталей по классификатору дефектов и повреждений подшипников качения. К их числу следует отнести: контактно-усталостные повреждения на дорожках качения; цвета побежалости на дорожках качения; ползуны на цилиндрических поверхностях роликов; ступенчатые износы одного из торцов роликов. Рассмотрено состояние исследований проблемы увеличения срока службы тяговых электродвигателей. Показано, что тяговый электродвигатель является сложной электромеханической системой состоящей из двух частей, электрической и механической. Большинство исследование посвящено электрической части и в работе не рассматривается.

Работа посвящена механической части электродвигателя и ограничена исследованиями подшипниковых узлов, отказы которых составляют до 20% всех отказов электродвигателей. В работе не рассматриваются исследования точности деталей роликовых подшипников - принимается, что все они стандартизованы и соответствуют действующему стандарту.

Во второй главе разработаны геометрические модели деталей подшипниковых узлов тягового электродвигателя представляющие собой графические изображения всех рабочих элементов детали вместе с их размерами и первичными погрешностями в единой обобщенной системе координат, принадлежащей детали в целом.

Система координат детали является обобщенной системой, относительно которой задается положение всех элементов детали. Под первичными погрешностями понимается любое элементарное отклонение параметра от своего номинального значения.

Для оценки количественного характера взаимодействия первичных погрешностей сопрягаемых деталей разработана геометрическая модель тягового электродвигателя в системе координат комплекта основных конструкторских баз остова (рисунок 1).

Исследования геометрических моделей деталей и тягового электродвигателя в сборе показали что, в действительности реальные детали сопрягаются не одним элементом, а комплектом элементов, конструкторские базы которых материализуют системы координат, совмещаемые при сопряжении. Следовательно, системой отсчета размеров элемента детали должна быть система координат комплекта базовых элементов, участвующих в сопряжении базирующей и присоединяемой детали. Поскольку отсчет размеров всех элементов комплекта происходит в одной системе координат, то отклонения расположения рассматриваемого элемента будут входить в структуру размера этого элемента, расши-

7

ряя комплексное содержание размера и увеличивая разность между действительными граничными значениями размера наибольшим и наименьшим.

Т.к. в сопряжении вал-отверстие характер посадки определяют размер максимума диаметра вала и размер минимума диаметра отверстия, то экстремальные значения комплексных размеров вала и отверстия будут включать суммарные угловые перекосы осей колец, приведенные к длине сопряжения с роликом:

dk.e m.ax = ¿ел* + 1р Сд аХв к (1)

Вкм.к.тт = Аг.н.к ~ 1р аЕн.к (2)

где, с1квтах и Окпктт- максимальное и минимальное значения комплексных размеров диаметров дорожек качения внутреннего и наружного колец роликового подшипника;

йсвк - среднее значение диаметра беговой дорожки внутреннего кольца роликового подшипника;

£>СИЛ. - среднее значение диаметра беговой дорожки наружного кольца роликового подшипника;

1Р - длина ролика роликового подшипника;

аив.к - суммарный угол перекоса оси дорожки качения внутреннего кольца роликового подшипника, после сборки подшипникового узла относительно базовой оси 24 обобщенной системы координат тягового электродвигателя;

«Ен к - суммарный угол перекоса оси дорожки качения наружного кольца роликового подшипника, после сборки подшипникового узла относительно базовой оси Т4 обобщенной системы координат тягового электродвигателя.

Для определения действительных значений радиальных зазоров и угловых перекосов осей колец в роликовых подшипниках, создаваемых комплексными размерами сопрягаемых элементов разработаны математические модели, описывающие влияние отклонения расположений элементов деталей на характер их взаимодействия в собранном тяговом электродвигателе:

Математические модели определения суммарных углов перекосов осей колец подшипника со стороны коллектора и со стороны, противоположной коллектору:

«Ю.с.к = а8.с.к + «9.1.в; «В.С.К = «1П.Щ.С.К í «2.0 í «1.0 •

«9.1.В = а7+ а1л + а1я;

а1п.щ.с.к — огстд 23/2 '

«2.о = агад 2с/с11;

«1.о = агсгд Ь0/а0;

_ (Д'РСз.п.щ.с.п.к Ь0 — £РС3.п.щ.с.к) 1

«1.в = агад ЕСЯ1в/11.

г а10.с.п.к — а8.с.п.к а9.2.в'>

а8.с.п.к = а1п.щ.с.к ¿ а3.о ± «1.о • а9.2.в ~ а7 + а2.в + «1.0:

— ~Гп ЕР^З.п.щ.с.к . а1п.щ.с.к ~ 0ТС1д 7 ,

¿3/^ (4)

а30 = агсЬд2с1/(11\ «а.о = агсЬдЬ0/а0;

(ЕРСз.п.ш.с.п.к Ь0 — ЕРС3 п щс к) а7=~-1-'

а2.в = ог&д ЕСЯ2.в/1\ ■

где а8ск и а8спк— суммарные углы перекосов осей базовых поверхностей подшипниковых щитов, предназначенных для базирования наружных колец роликовых подшипников, со стороны коллектора и со стороны, противоположной коллектору к оси 2'4, проходящей через центры средних сечений двух горловин остова тягового электродвигателя; а91в и а9 2 в - суммарные углы перекосов осей базовых шеек вала якоря относительно координатной оси 24 двигателя; а1п.щ.с.к " Угол перекоса оси вспомогательной базовой поверхности Г4, предназначенной для базирования наружного кольца роликового подшипника, в щите относительно оси базовой поверхности Б2, предназначенной для базирования подшипникового щита в остове со стороны коллектора; а2.0 - угловое отклонение от перпендикулярности привалочной поверхности остова со стороны коллектора относительно оси 24 обобщенной системы координат остова; аъ.о - то же со стороны, противоположной коллектору; а1л - угол перекоса общей вспомогательной оси 2'4, проходящей через центры С,,0 и С2.0 горловин остова, относительно оси 24 обобщенной системы координат остова; «? - угол перекоса общей оси 2"4в, проходящей через средние сечения базовых поверхностей Г4, предназначенных для установки наружных колец роликовых подшипников в двух подшипниках относительно оси 24 обобщенной системы координат тягового электродвигателя; а1ъ и а2.в - угловые отклонения расположений осей базовых шеек вала якоря тягового электродвигателя в плоскости ОХ224\ ЕРЯз.п.щ.с.к - отклонение от перпендикулярности оси вспомогательной базовой поверхности Г4, предназначенной для установки наружного кольца роликового подшипника, относительно оси основной базовой поверхности Б2, предназначенной для базирования подшипникового щита со стороны коллектора в горловину остова; Д? - длина образующей вспомогательной базы Г4 для наружного кольца роликового подшипника; а0 - координирующий размер, определяющий расстояние между центрами С1о и С2о средних сечений горловин остова; Ь0 - отклонение от параллельности общей оси горловин остова, относительно оси 24 в координатной плоскости ОХ24\ ЕРС3пжс,к - отклонение от соосности оси вспомогательной базовой поверхности Г4, предназначенной для установки наружного кольца роликового подшипника, относительно оси основной базовой поверхности Б2, предназначенной для базирования

ю

подшипникового щита со стороны коллектора в горловину остова; ЕРСз.п.щ.с.п.к ~ т0 же со стороны противоположной коллектору; 1 - расстояние между средними сечениями поверхностей подшипниковых щитов, предназначенных для базирования наружных колец роликовых подшипников; ЕСЯ1ъ - радиальное биение базовой шейки вала со стороны коллектора в крайнем сечении; ЕСИ2 в - радиальное биение базовой шейки вала со стороны противоположной коллектору в крайнем сечении - длина базовых элементов вала.

Математические модели определения радиальных зазоров в подшипнике со стороны коллектора и со стороны, противоположной коллектору:

где £к.н.к.тгип.с.к и °к.н.к.тт.с.п.к - действующие значения комплексных размеров дорожек качения наружных колец, как со стороны коллектора, так и со стороны противоположной коллектору; с1к.в.тах.ск и <1к.втах.слк - действующие значения комплексных размеров дорожек качения внутренних колец роликовых подшипников, установленных как со стороны коллектора, так и со стороны противоположной коллектору; с1г - диаметр ролика подшипника; &с.н.к " среднее значение диаметра дорожки качения наружного кольца роликового подшипника; к - ширина дорожки качения наружного кольца роликового подшипника на длине сопряжения с образующей ролика; йсв к - среднее значение диаметра дорожки качения внутреннего кольца роликового подшипника; Ас1к - приращение диаметра дорожки качения при напрессовки кольца на вал; к — ширина дорожки качения внутреннего кольца роликового подшипника на длине сопряжения с образующей ролика.

Полученные математические модели за счет объединения линейных и угловых размерных цепей позволяют при расчетах учитывать характер взаимодействия элементов деталей в собранном тяговом электродвигателе. Анализ математических моделей для расчетов радиальных зазоров роликовых подшипников показал, что основную роль на зазоры и перекосы оказывают отклонения расположения элементов деталей, как в системах координат соединяемых деталей, так и в основной системе координат тягового электродвигателя роль которой выполняет обобщенная система координат основных конструкторских баз остова.

В третьей главе исследовано влияние отклонений расположения элементов деталей тягового электродвигателя на радиальные зазоры в моторно-якорных подшипниках, которое проводилось с помощью метода планирования полного факторного эксперимента. План исследований составлен в виде матри-

(5)

(6)

цы по методу случайного баланса, который включает в себя варьирование семи из десяти параметров на двух уровнях.

Для определения влияний отклонения расположения элементов на радиальные зазоры с использованием ПФЭ размерные управляемые факторы X, преобразованы в безразмерные, нормированные. За параметр оптимизации У приняты радиальные зазоры С г в роликовых подшипниках тягового электродвигателя как со стороны коллектора с к так и со стороны, противоположной ему Сгс.п.к-

По полученным значениям параметров оптимизации со стороны коллектора, и со стороны противоположной ему, построены диаграммы рассеяния параметров оптимизации (рисунки 2 и 3).

По медианам точек найдены числовые значения вклада каждого фактора (таблицы 1 и 2).

Х8 52*

1 «а;

I

£ -Й.К* -

Рисунок 2 - Диаграмма рассеяния параметра оптимизации со стороны

коллектора

1

ХЛ Х4

X? хм>

Иссзепуемке факторы

Рисунок 3 - Диаграмма рассеяния параметра оптимизации со стороны противоположной коллектору 12

Таблица 1 - Значения вкладов факторов на радиальный зазор со стороны коллектора

Таблица 2 - Значения вкладов факторов на радиальный зазор со стороны, противоположной коллекто-

Медианы точек Значение вклада

Л/е(-Х1)=-0,063 Вх, = 0,051

Ме(+Х 0=0,114

Ме(-Хз)=0,113 Вх3 = 0,048

Л/е(+Х3)=0,065

Л/е(-Х4)=0,113 Вх4 = 0,050

Л/г(+Х4)=0,0бЗ

Л/е(-Х5)=0,114 Вх5 = 0,050

Ме(+Х5)=0,064

Л/е(-Хб)=0,064 Вх6 = 0,049

Л/е(+Хб)=0,113

М>(-Х7)=0,113 Вх7 = 0,048

Ме(+Х7)=0,065

Л/е(-Х9)=0,113 Вх9 = 0,049

Л/е(+Х9)=0,064

Медианы точек Значение вклада

Л/е(-Х2)=-0,044 Вх2 = 0,070

ЛЛ(+Х2)=0,114

Л/е(-Х3)=0,114 Вх3 = 0,001

Л/е(+Х3)=0,113

Ме(-Х«)=0,114 Вх4 = 0,070

М?(+Х4)=0,044

Л/е(-Х5)=0,114 Вх5 = 0,001

Л/е(+Х5)=0,113

Ме(-Х7)=0,114 В,7 = 0,001

А/е(+Х7)=0,Ш

Л/е(-Х8)=0,114 Вх8 = 0,001

Л/е(+Х8)=0,113

Л/е(-Хю)=0,113 В„10 = 0,069

Л/е(+Хю)=0,044

Полученные значения медиан точек факторов со стороны, противоположной коллектору, указывают на то, что факторы Х2, Х4 и Хш являются более значимыми чем факторы Х3, Х5, Х7, Х8. Разница вкладов этих факторов объясняется тем, что эксперимент проводился на конкретной модели тягового электродвигателя ТЛ2К, у которого большое соотношение 1/1000 между расстоянием базовых поверхностей вала и отклонениями расположения элементов.

Исключать менее значимые факторы из математической модели является нецелесообразным, поскольку при применении ее для расчетов радиальных зазоров на сборочных единицах, где соотношение между расстоянием базовых поверхностей вала и отклонениями расположения элементов значительно меньше, они будут оказывать более существенное влияние.

В четвертой главе разработана система контроля (рисунок 4) и методы измерений отклонений расположения элементов деталей тягового электродвигателя относительно базовых элементов, схемы которых приведены на рисунках 5, 6, 7. Система контроля способствует более точному установлению характера сопряжения деталей в собранном тяговом электродвигателе, а именно, позволяет рассчитывать действующие значения комплексных размеров, радиальных зазоров и угловых перекосов осей колец в роликовых подшипниках, которые будут иметь место после сборки тягового электродвигателя.

Устройство для контроля отклонений расположений элементов остова

Устройство для контроля геометрических параметров подшипниковых щитов

Измерительный комплекс для контроля отклонений расположения элементов вала

ЕСЯ] о и ЕСЯ2.о> ЕСАз,0иЕСЛ4.„;

ЕРС,п.Щ.С.К) ЕРК-ПЩ.С.К-,

ЕРРп.ЩСИЯ-

ЕСР1виЕСН2,-

Максимальный угол взаимных перекосов осей наружного и внутреннего

колец роликового подшипника со стороны коллектора аюс.к

Блок обработки результатов измерения

Действительное минимальное значение радиального зазора в роликовом подшипнике со стороны коллектора Ос*

Максимальный угол взаимных

перекосов осей наружного и внутреннего колец роликового

подшипника со стороны, противоположной коллектору

<*10с.п.к

Паспорт тягового электродвигателя

Действительное минимальное значение радиального зазора в роликовом подшипнике со стороны, противоположной коллектору Сгсп.к

База данных Аналитического центра ОАО «РЖД»

Рисунок 4 - Система контроля зазоров и углов перекосов колец роликовых подшипников в тяговых электродвигателях

Методы измерений отклонении расположения элементов остова

Для измерений отклонений расположения элементов остова разработаны новые методы, схема методов измерений отклонений расположения элементов остова приведена на рисунке 5:

- метод косвенных измерений углового перекоса й/ 0 общей оси Х'"4, проходящей через центры средних сечений горловин остова (вспомогательных баз Е2 и Л2), относительно базовой оси 24 основных баз А2 и Б2, на основе прямых измерений радиальных биений ЕСЯ/.о и ЕСЯ2.0 горловин остова относительно номинально расположенной измерительной оси 7.н4:

- метод косвенных измерений угловых перекосов «¿о и аз,„ на основе прямых измерений торцовых биений ЕСА3м ЕСА4.0 привалочных поверхностей горловин остова (вспомогательных баз ЖЗ и МЗ для подшипникового щита), относительно номинально расположенной измерительной оси 2н4, параллельной базовой оси 24 остова.

Отклонения от перпендикулярности ЕРЯ3о и ЕРЯ4о поверхностей горловин остова оцениваются по результатам измерений торцовых биений ЕСА3отн и ЕСА4о.,ш, как разности максимального и минимального показаний за один оборот измерительных преобразователей 4 и 5 со стороны коллектора и со стороны, противоположной ему соответственно.

1 - цилиндрическая оправка; 2 - кронштейны; 3 - вращающиеся диски; 4, 5,6,7 - измерительные преобразователи; 8 - остов; I, II, III — опоры. Рисунок 5 - Схема методов измерений отклонений расположения элементов остова

Методы измерений отклонений расположения элементов подшипникового щита

Разработаны два метода измерений отклонений расположения элементов подшипникового щита, схема методов измерений отклонений расположения элементов подшипникового щита приведена на рисунке 6:

- метод косвенных измерений отклонения от соосности ЕРС оси внутренней цилиндрической поверхности, предназначенной для установки наружного кольца роликового подшипника (вспомогательной базы Г4), относительно оси наружной цилиндрической поверхности, предназначенной для установки подшипникового щита в остов (основной конструкторской базы Б2) по результатам прямых измерений радиального биения ЕС К в среднем сечении вспомогательной базы Г4\

- метод косвенных измерений углового перекоса «/.„.„, оси внутренней цилиндрической поверхности, предназначенной для установки наружного кольца роликового подшипника (вспомогательной базы Г4), как отклонения от перпендикулярности оси ЕРЯ относительно основной конструкторской базы АЗ.

Я-Я

1 - основание; 2 - опоры; 3 - сферические опоры; 4 - стойка; 5,6- измерительные преобразователи; 7 - подшипниковый щит Рисунок 6 - Схема метода измерений отклонения расположения элементов подшипникового щита

Метод измерений отклонений расположения базовых элементов вала якоря тягового электродвигателя

Схема метода измерений отклонений расположения базовых элементов вала якоря тягового электродвигателя приведена на рисунке 7.

Измерения отклонений расположения элементов вала якоря тягового электродвигателя заключается в разработке метода измерения отклонения от соосности ЕРС осей базовых поверхностей А2 и Б2 относительно их общей оси 24 и оценки угловых перекосов а„ вспомогательных баз вала для внутренних колец роликовых подшипников.

Измерения отклонения от соосности выполняется разностным способом по разности показаний преобразователей за один оборот вала.

I»

360■ А

1 - основание: 2 - подшипниковые самоустанавливающиеся опоры;

3 - шарниры; 4 - измерительные преобразователи; 5 - вал;

6 - плавающие упоры Рисунок 7 - Схема метода измерения радиального биения базовых поверхностей А2 и Б2 относительно оси 7А

В пятой главе приведены результаты экспериментальных исследований тяговых электродвигателей, отказ которых произошел по причине выхода из строя моторно-якорных подшипников. В ходе эксперимента проводились измерения отклонений расположения элементов деталей с использованием средств измерений, созданных на основе разработанных методов измерений. Обработка результатов измерений проводилась с использованием программы, разработанной на основе математических моделей. Полученные в результате комплексные значения радиальных зазоров и углы перекосов колец моторно-якорных подшипников приведены в таблице 3.

Полученные в процессе эксперимента значения комплексных размеров радиальных зазоров и углов перекосов колец подтверждают, что их отказ произошел из-за несоблюдения требований, предъявляемых к подшипникам качения, в частности, к радиальным зазорам и углам перекосов колец, значения ко-

торых, в исследуемых тяговых электродвигателях вышли за пределы допускаемых значений после сборки в результате влияния на сопряжения деталей неучтенных отклонений расположения.

Таблица 3 - Действительные значения радиальных зазоров и углов перекосов колец роликовых подшипников__________

Номер тягового электродвигателя

№ 1747/93

№229/452

№1438/712

Значение параметра

Радиальные зазоры, мм

Углы перекосов колец, угл. мин

Допуск Т Сг

0,1100,190

0,1100,190

0,1100,190

К'

ММ

-0,005

0,008

0,030

Сгг

, мм | Допуск Та|0

0,125

0,109

0,085

угл. МИН.

5,7

5,4

4,7

угл. МИН

2,0

2.4

3,1

Здесь же разработаны предложения по увеличению срока службы тяговых электродвигателей:

1) изменения в нормировании допусков расположения;

2) изменения в проектной документации.

При разработке геометрических моделей деталей подшипниковых узлов сформулированы варианты предложений по внесению изменений в нормирование допусков.

Предложена модернизация лабиринтной втулки вала якоря путем расточки конического гнезда и установки сферической шайбы, позволяющего исключить погрешность базирования внутреннего кольца роликового подшипника (рисунок 8).

1 - вал якоря; 2 - лабиринтная втулка; 3 - внутреннее кольцо роликового

подшипника; 4 - сферическая шайба Рисунок 8 - Схемы базирования внутреннего кольца роликового подшипника до и после установки сферической шайбы 18

Для уменьшения влияния отклонений от соосности осей вспомогательных баз подшипниковых щитов А4 и Б4 (рисунок 9) на комплексные значения радиальных зазоров в роликовых подшипниках, предлагается, внести изменения в технологическую документацию. После установки подшипникового щита в остов со стороны, противоположной коллектору, проворачивать относительно оси 2", тем самым уменьшая значение фазового угла между векторами эксцентриситетов и их разность с целью сокращения отклонения от параллельности общей базовой оси 2'4 баз ,44 и Б4 относительно основной конструкторской оси 24.

Применение разработанных предложений на стадиях проектирования, изготовления, ремонта и сборки тяговых электродвигателей позволит повысить срок службы тяговых электродвигателей за счет уменьшения влияния отклонения расположения элементов деталей подшипниковых узлов в обобщенной системе координат на комплексные значения радиальных зазоров и угловых перекосов осей колец в роликовых подшипниках.

В этом же разделе рассчитан экономический эффект от внедрения измерительных комплексов, разработанных на основе методов определения комплексных значений радиальных зазоров и перекосов колец в роликовых подшипниках.

Расчет экономической эффективности показал что, внедрение системы контроля и измерительных комплексов, разработанных на основе математической модели и программы расчетов комплексных значений размеров радиальных зазоров и угловых перекосов в роликовых подшипниках, экономически выгодно т. к. способствует снижению затрат на внеплановые ремонты тяговых электродвигателей. Размер годового экономического эффекта по ЗападноСибирской железной дороге составит 600 тыс. руб.

Я

Рисунок 9 - Геометрическая модель регулировки фазовых углов подшипниковых щитов при сборке с остовом

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1 Анализ линейных и угловых размерных цепей, обеспечивающих технические требования по эксплуатации роликовых подшипников тяговых электродвигателей показал, что при установлении характера сопряжения элементов деталей в сборке необходимо объединять линейные и угловые размерные цепи.

2 Разработаны и исследованы геометрические модели сопрягаемых деталей и сборочных единиц подшипниковых узлов тягового электродвигателя, которые показали что, в действительности детали сопрягаются не одним элементом, а комплектом элементов, конструкторские базы которых материализуют системы координат, совмещаемые при сопряжении. Следовательно, системой отсчета размеров элементов деталей должна быть система координат участвующих в сопряжении базирующей и присоединяемой детали. Поскольку отсчет размеров всех элементов комплекта происходит в одной системе координат, то отклонения расположения рассматриваемого элемента будут входить в структуру размера этого элемента, расширяя комплексное содержание размера и увеличивая разность между действительными граничными

значениями размера.

3 Разработанные математические модели и программа расчета влияния отклонения расположения на комплексные размеры сопрягаемых элементов, за счет объединения линейных и угловых размерных цепей позволяют при расчетах учитывать характер взаимодействия элементов деталей в собранном тяговом электродвигателе. Из полученных математических моделей для определения радиальных зазоров и углов перекосов осей колец роликовых подшипников видно что, основную роль на эти два значения оказывают отклонения расположения элементов деталей, как в собственной системе координат детали, так и их расположение относительно основной обобщенной системы координат

тягового электродвигателя.

4 Разработанные система контроля и методы измерений отклонении расположения элементов деталей тягового электродвигателя, позволяют с высокой точностью измерять отклонения расположения элементов деталей в собственных системах координат. Это способствует более точному определению характера сопряжения деталей в собранном тяговом электродвигателе, и находить действующие значения комплексных размеров, беговых дорожек колец в роликовых подшипниках после сборки тягового электродвигателя.

5 Применение разработанных предложений по увеличению срока службы подшипниковых узлов на стадиях проектирования, изготовления, ремонта и сборки тяговых электродвигателей позволят повысить срок службы тяговых электродвигателей за счет уменьшения влияния отклонений расположения элементов деталей подшипниковых узлов в обобщенной системе координат на действительные значения радиальных зазоров в роликовых подшипниках.

6 Основываясь на результаты расчета экономического эффекта можно сделать вывод о том, что на локомотиворемонтных и на предприятиях изготовителях тяговых электродвигателей, внедрение системы контроля с

20

применением измерительных устройств, на основе разработанных методов измерений экономически выгодно, т. к. способствует снижению затрат на внеплановые ремонты тяговых электродвигателей.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В

РАБОТАХЁ

1. Лакеенко, М. Н. Влияние методов измерений геометрических величин на надежность моторно-якорных подшипниковых узлов тяговых двигателей локомотивов / М. Н. Лакеенко, В. И. Глухов, С. Н. Должиков // Омский научный вестник. 2009. № 1 (77).С. 169-171.

2. Лакеенко, М. Н. Повышение геометрической точности вала якоря тягового электродвигателя / М. Н. Лакеенко, В. И. Глухов, С. Н. Должиков // Инновации для транспорта: сб. науч. статей с международным участием в трех частях. Часть 2. / Мин. Транспорта РФ; Федеральное агентство ж. д. транспорта; ОмГУПС. - ОмГУПС, 2010. - С. 51-57.

3. Лакеенко, М. Н. Использование комплексных размеров при сборке моторно-якорных подшипниковых узлов электрических машин / М. Н. Лакеенко, В. И. Глухов, С. Н. Должиков // Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий: Сборник материалов ХХШ Всероссийской межвузовской научно-технической конференции. Ч. I. 16-18 мая 2011 г. /ГОУВПО МО РФ; ФГВОУ ВПО (Казанское ВВКУ). - Казань: Изд-во «Отечество», 2011. - С. 297-299.

4. Лакеенко, М. Н. Измерительный комплекс для контроля отклонений от соосности элементов вала относительно общей оси / М. Н. Лакеенко, В. И. Глухов, С. Н. Должиков // Проблемы разработки, изготовления и эксплуатации ракетно-космической и авиационной техники: материалы V Всероссийской научной конференции, посвященной памяти Главного конструктора ПО «Полет» А. С. Клинышкова./ ОмГТУ 2010. - С. 210-212.

5. Лакеенко, М. Н. Измерительная система для определения радиального зазора и угла перекоса колец в подшипниковых узлах электрических машин / М. Н. Лакеенко, В. И. Глухов, С. Н. Должиков // Технологическое обеспечение ремонта и повышение динамических качеств железнодорожного подвижного состава: Материалы всероссийской научно-технической конференции с международным участием (10, 11 ноября 2011 г.) / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск: ОмГУПС, 2011. - С. 113-114.

6. Лакеенко, М.Н. Патент на полезную модель 94298 1Л (МЛ), Р16С 33/00. Подшипниковый узел /М. Н. Лакеенко (1Ш), В.И. Глухов (Ли), А.Н. Го-ловаш (ЯУ); патентообладатель(и) ОАО «НИИТКД» (Ли), Рубежанский П.Н. (1Ш). -№2010105338/22; заявл. 15.02.2010; опубл. 20.05.2010, Бюл. № 14.

7. Лакеенко, М.Н. Патент на полезную модель 95394 Ш (Яи), С01В 7/00. Измерительный комплекс / М.Н. Лакеенко (ГШ), В.И. Глухов (1Ш), А.Н. Головаш (1Ш); патентообладатель(и) ОАО «НИИТКД» (1Ш), Рубежанский П.Н. (1Ш). -№ 2010108043/22; заявл. 04.03.2010; опубл. 27.06.2010, Бюл. № 18.

8. Лакеенко, М.Н. Патент на полезную модель 109844 1Л (ГШ), вОШ 5/24. Устройство для измерения геометрических параметров / М.Н. Лакеенко (1Ш), С.Н. Должиков (Яи), В.И. Глухов (1Ш), А.Н. Головаш (1Ш); патентообладатель Головаш А.Н. (1Ш). - № 2011122059/28; заявл. 31.05.2011; опубл. 27.10.2011,Бюл.№ 30.

Подписано в печать 02.05.2012. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Гарнитура «Тайме». Усл.п.л. 1,5. Уч.-изд.л. 0,9. Тираж 100 экз. Тип.зак. 42 Заказное

Отпечатано на дупликаторе в полиграфической лаборатории кафедры «Дизайн и технологии медиаиндустрии» Омского государственного технического университета 644050,0мск-50, пр. Мира, 11

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ СРОКА СЛУЖБЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2 РАЗРАБОТКА ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛЕЙ ВЛИЯНИЯ ОТКЛОНЕНИЙ РАСПОЛОЖЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ДЕТАЛЕЙ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ НА ЗАЗОРЫ И ПЕРЕКОСЫ КОЛЕЦ В РОЛИКОВЫХ ПОДШИПНИКАХ.

2.1 Разработка геометрических моделей деталей подшипниковых узлов.

2.1.1 Геометрической модели вала якоря тягового,электродвигателя.

2.1.2 Геометрическая модель подшипникового щита.

2.1.3 Геометрическая модель остова тягового электродвигателя.

2.1.4 Геометрическая модель тягового электродвигателя в сборе.

2.2 Разработка математических моделей для расчетов действительных значений радиальных зазоров и угловых перекосов осей колец в роликовых подшипниках.

3 ПОЛНЫЙ ФАКТОРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЛИЯНИЯ ОТКЛОНЕНИЙ РАСПОЛОЖЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ НА РАДИАЛЬНЫЕ ЗАЗОРЫ И ПЕРЕКОСЫ КОЛЕЦ В РОЛИКОВЫХ ПОДШИПНИКАХ.

4 РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЙ ОТКЛОНЕНИЙ РАСПОЛОЖЕНИЯ И СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ДЕТАЛЕЙ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ.

4.1 Методы измерений отклонений расположения-элементов остова.

4.2 Методы измерений отклонений расположения элементов подшипникового щита.

4.3 Разработка метода измерения отклонений расположения базовых элементов вала якоря тягового электродвигателя.

4.4 Разработка системы контроля качества сборки подшипниковых узлов.

5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ РАДИАЛЬНЫХ ЗАЗОРОВ В МОТОРНО-ЖОРНЫХ ПОДШИПНИКАХ И РАЗРАБОТКА ПРЕДЛОЖЕНИЙПО УВЕЛИЧЕНИЮ

ИХ СРОКА СЛУЖБЫ.

5.1 Экспериментальные исследования.

5.2 Разработка предложений по увеличению срока службы моторно-якорных подшипников тяговых электродвигателей.

5.2.1 Предложения по изменению нормирования допусков расположения.

5.2.2 Предложения по изменениям проектной и технологической документации.

5.3 Расчет экономической эффективности от внедрения методов определения комплексных значений радиальных зазоров.

Исходя из государственных задач по инновационному развитию отрасли, Открытое Акционерное Общество «Российские железные дороги» придает важнейшее значение' отечественной науке в реализации Стратегии развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года, а также в решении инновационных задач по совершенствованию подвижного состава и технологических процессов, по его обслуживанию, по повышению надежности технических средств.

Актуальность проблемы. Повышение надежности подвижного состава железнодорожного транспорта не представляется возможным без увеличения срока службы тяговых электродвигателей локомотивов. В тяговом электродвигателе локомотива одним из узлов, определяющих срок его службы, являются узлы моторно-якорных подшипников. Моторно-якорные подшипники электродвигателя работают с большими переменными нагрузками (динамическая грузоподъемность до 739 кН) при частотах вращения до 30Гц и перепадах температур от -40°С до'+ 120 °С. В тяговых электродвигателях локомотивов применяются роликовые радиальные подшипники, основными показателями, определяющими' их срок службы являются радиальный зазор и угол перекоса колец [28]. Срок службы моторно-якорных подшипников далеко не всегда совпадает с расчетным [95], а часто оказывается во много раз меньшим, поскольку сборка и монтаж изменяют зазоры, размеры и геометрические отклонения рабочих поверхностей деталей подшипника и базовых деталей "подшипникового узла. Тема диссертации, направленная на решение проблемы увеличения срока службы тяговых электродвигателей за счет увеличения срока службы лимитирующего узла моторно-якорных подшипников является актуальной.

Объектом исследований являются подшипниковые узлы тягового электродвигателя ТЛ-2К.

Предметом исследований являются взаимосвязи геометрических величин базовых элементов деталей подшипниковых узлов и методы контроля величин.

Цель диссертационной работы заключается в разработке системы контроля точности геометрических величин деталей подшипниковых узлов тягового электродвигателя, обеспечивающей увеличение срока его службы.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1 Выполнить анализ линейных и угловых размерных цепей, обеспечивающих технические требования по эксплуатации роликовых радиальных подшипников тяговых электродвигателей.

2 Разработать геометрические модели сопрягаемых деталей и сборочных единиц подшипниковых узлов с учетом информативности и служебного назначения сопрягаемых элементов.

3 Разработать математическую модель и программу расчета влияния-комплексных размеров сопрягаемых элементов деталей подшипниковые узлов на угол перекоса оси внутреннего кольца относительно оси наружного и радиальные зазоры в роликовых подшипниках.

4 Разработать и внедрить систему контроля, методы- и методику измерений комплексных размеров деталей подшипниковых узлов, рекомендации по увеличению срока службы подшипниковых узлов, рассчитать экономический эффект от внедрения в производство результатов работы.

Методологической основой исследования послужили работы А. В. Бородина, Н. Г. Бруевича, Н. А. Бородачева, В. И. Глухова, М. А. Палея.

Методы исследования. В работе использованы методы: геометрического моделирования; методы теории точности механизмов; методы теории измерений; математические методы планирования полного факторного эксперимента; метод компьютерного программирования на языке «Делфи».

Научную новизну работы составляют:

1 Математические модели геометрических величин, характеризующих точность соединений деталей подшипниковых узлов, включая перекосы осей колец роликовых подшипников, комплексных размеров беговых дорожек колец и радиальных зазоров в подшипниках на основе графических моделей реальных деталей и сборочных единиц подшипниковых узлов, и позволяющие повысить точность оценки геометрических величин соединений по результатам контроля влияющих отклонений расположения элементов деталей до сборки.

2 Методы измерений отклонений расположения деталей, обеспечивающие достоверной измерительной информацией базу данных математической модели геометрических величин подшипникового узла, составляющие основу системы контроля качества параметров подшипниковых узлов и позволяющие увеличить срок службы тягового электродвигателя по результатам контроля.

Новизна, предложенных технических решений подтверждена патентами на полезные модели: №94298 от 15.02.2010 «Подшипниковый узел»; №95394' от 04.03.2010 «Измерительный комплекс»; №109844 от 27.10.2011 «Устройство для измерения геометрических параметров».

Практическую значимость работы составляют:

1 Система контроля геометрических величин деталей^ тягового электродвигателя до сборки с применением программы расчета комплексных диаметров беговых дорожек, радиальных зазоров и углов перекосов осей колец роликовых подшипников, обеспечивающая увеличение срока службы подшипниковых узлов.

2 Введение систем координат комплектов баз в проектную документацию с целью системного нормирования отклонений расположения в соответствии с геометрическими моделями деталей в процессе конструирования: обеспечение требуемой точности посадок на основе измерений влияющих на комплексные размеры отклонений расположения, программа для оценки и исследований комплексных размеров элементов деталей, радиальных зазоров в подшипниках и перекосов осей колец подшипников.

3 Опытные образцы запатентованных измерительных устройств и методики для контроля отклонений расположения элементов вала; подшипникового щита тягового электродвигателя.

4Мероприятия по увеличению срока службытяговых электродвигателей.

Достоверность результатов исследованияюбосновывается:

- применением известных математических методов, использовавшихся ранее при решении прикладных задач;

- соответствием аналитических результатов с экспериментальными данными и их коррелирование с работами других авторов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на? V Всероссийской научной конференции, посвященной' памяти главного конструктора ПО «Полет» А. С.Клинышкова «Проблемы разработки, изготовления и? эксплуатации- ракетно-космической и авиационной техники» (Омск 2010): [62], на научно-технической конференции с международным уча--стием, посвященной 110-летнему юбилею Омского государственного университета путей сообщения «Инновации для транспорта» (Омск 2010)' [64]:,. на XXIII Всероссийской! межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические И: внутрикамерные процессы; в энергетических установках,, струйная; акустика и диагностика, приборы; и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (Казань 2011) [63], на Всероссийской научно-технической1 конференции; с международным участием, посвященной, пятидесятилетней истории' ОмГУПСа на омской земле и 100- летнему юбилею профессора Пахомова В .М. «Технологическое обеспечение ремонта и повышение динамических качеств железнодорожного подвижного состава» [65], на научных семинарах, кафедры «Метрология и приборостроение» Омского государственного технического университета, на научно-технических советах «Научно-исследовательского института технологии, контроля и диагностики ж.д. транспорта».

Публикации. По теме диссертации опубликовано восемь печатных работ, из которых одна - в рецензируемом научном журнале [61], и три - в патентах Российской Федерации на полезные модели [81, 82, 83].

Основные положения, выносимые на защиту:

1) Установлено, что срок службы механической части тягового электродвигателя лимитируется опорами качения вала-якоря и зависит от действующих размеров исполнительных поверхностей беговых дорожек наружного и внутреннего колец, разность диаметров которых определяет радиальные зазоры в роликовых подшипниках после сборки электродвигателя. Доказано, что действующие размеры беговых дорожек являются комплексными размерами, значения которых изменяются вследствие угловых перекосов осей колец, присоединяемых к различным деталям электродвигателя: наружное - к неподвижному подшипниковому щиту, внутреннее к валу-якорю.

2) Показано, что системой отсчета угловых перекосов .осей, колец и комплексных размеров беговых дорожек колец является единая обобщенная система координат двигателя - система координат комплекта основных конструкторских баз остова, выполняющего служебное назначение базирующей детали двигателя. Установлено, что угловые перекосы осей колец подшипника создаются отклонениями расположения базовых поверхностей всех деталей двигателя. Угловые перекосы вызывают уменьшение действующего диаметра беговой дорожки наружного кольца и увеличение действующего диаметра беговой дорожки внутреннего кольца подшипника, что в итоге приводит к уменьшению радиальных зазоров в подшипниках вплоть до образования натягов, что недопустимо по правилам эксплуатации: срок службы подшипника сокращается.

3) Доказано, что применение новой системы контроля-геометрических величин на основе достоверных и запатентованных методов измерений отклонений расположений деталей, влияющих на перекосы осей колец подшипников и комплексные размеры беговых дорожек колец, с оценкой их влияния на основе математической модели и программы расчета, являются необходимым услою виєм увеличения срока службы подшипниковых узлов и тягового электродвигателя в целом.

Личный вклад автора. Научные положения, представляемые к защите, получены непосредственно автором. Автором лично выполнен анализ линейных и угловых размерных цепей, обеспечивающих технические требования по эксплуатации роликовых подшипников тяговых электродвигателей; разработаны геометрические модели сопрягаемых деталей и сборочных единиц подшипниковых узлов; разработана структура и допуски комплексных размеров элементов деталей с учетом информативности и служебного назначения элементов; разработана математическая модель и программа влияния комплексных размеров сопрягаемых элементов деталей подшипниковых узлов на угол перекоса оси внутреннего кольца относительно оси наружного и радиальные зазоры в роликовых подшипниках; разработаны рекомендации по повышению срока службы подшипниковых узлов тяговых электродвигателей.

В соавторстве разработаны методы и методика измерений и оценки комплексных размеров деталей подшипниковых узлов тягового электродвигателя.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Основное содержание изложено на 122 с. печатного текста, включает 41 рисунок и 18 таблиц. Кроме этого имеются библиографический список из 116 наименований и два приложения. Общий объем работы составляет 166 с.

Вывод:

Основываясь на результаты расчета экономического эффекта, можно еде* лать вывод о том, что внедрение на локомотиворемонтных и предприятиях - изготовителях тяговых электродвигателей, измерительных комплексов, разработанных на основе расчетных методов оценки действительных значений радиальных зазоров в роликовых подшипниках, будет способствовать снижению затрат на внеплановые ремонты тяговых электродвигателей, с годовым экономическим эффектом 0,6 млн. руб. по Западно-Сибирской железной дороги.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам полученным в диссертационной работе можно сделать следующие выводы:

1 Анализ линейных и угловых размерных цепей, обеспечивающих технические требования по эксплуатации роликовых подшипников тяговых электродвигателей показал, что при установлении характера сопряжения элементов деталей в сборке необходимо объединять линейные и угловые размерные цепи.

2 Разработаны и исследованы геометрические модели сопрягаемых деталей и сборочных единиц подшипниковых узлов тягового электродвигателя, которые показали что, в действительности детали сопрягаются не одним элементом, а комплектом элементов, конструкторские базы которых материализуют системы координат, совмещаемые при сопряжении. Следовательно, системой отсчета размеров элементов деталей должна быть система координат участвующих в сопряжении базирующей и присоединяемой детали. Поскольку отсчет размеров всех элементов комплекта происходит в одной системе координат, то отклонения расположения рассматриваемого элемента будут входить в структуру размера этого элемента, расширяя комплексное содержание размера и увеличивая разность между действительными граничными значениями размера.

3 Разработанные математические модели и программа расчета влияния отклонения расположения на комплексные размеры сопрягаемых элементов, за счет объединения линейных и угловых размерных цепей позволяют при расчетах учитывать характер взаимодействия элементов деталей в собранном тяговом электродвигателе. Из полученных математических моделей для определения радиальных зазоров и углов перекосов осей колец роликовых подшипников видно что, основную роль на эти два значения оказывают отклонения расположения элементов деталей, как в собственной системе координат детали, так и их расположение относительно основной обобщенной системы координат тягового электродвигателя.

4 Разработанные система контроля и методы измерений отклонений расположения элементов деталей. тягового электродвигателя, позволяют с высокой точностью измерять отклонения расположения элементов деталей в собственных системах координат. Это способствует более точному определению характера сопряжения детгшей в собранном тяговом электродвигателе, и находить; действующие значения комплексных размеров, беговых дорожек колец в роликовых подшипниках после сборки тягового электродвигателя.

5 Применение разработанных предложений по увеличению срока службы подшипниковых узлов на стадиях проектирования, изготовления, ремонта и сборки тяговых электродвигателей позволят-повысить срок службы тяговых электродвигателей за счет уменьшения влияния отклонений расположения элементов деталей подшипниковых узлов в обобщенной системе координат на действительные значения радиальных зазоров в роликовых подшипниках.

6 Основываясь на результаты расчета экономического эффекта можно сделать вывод о том, что на локомотиворемонтных и на предприятиях изготовителях тяговых электродвигателей; внедрение системы контроля.с применением измерительных устройств, на основе разработанных методов измерений экономически выгодно, т. д. способствует снижению затрат на внеплановые ремонты тяговых электродвигателей.

1. Анализ состояния безопасности движения на железных дорогах ОАО «РЖД» в 2007 году. Москва 2008.

2. Анализ состояния безопасности движения на железных дорогах ОАО «РЖД» в 2008 году. Москва 2009.

3. Анализ состояния безопасности движения на железных дорогах ОАО «РЖД» в 2009 году. Москва 2010.

4. Анализ состояния безопасности движения на железных дорогах ОАО «РЖД» в 2010 году. Москва 2011.

5. Авдулов А. Н. Контроль и оценка круглости деталей машин. М., Издательство стандартов, 1974, 1 176 с.

6. Адлер Ю. П., Маркова Е. В., Грановский Ю. В. «Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий», 278 стр., Москва, 1976.

7. Акифьев В. И. Разработка методики расчета роликовых подшипников опор газотурбинных двигателей с учетом проскальзывания/ Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Самара, СГАУ, 1998. - 167 с.

8. Аристов А. И. Стандартизация и ремонтопригодность технических устройств.// Надежность и контроль качества. 1972. № 7. - С. 9-12.

9. Бальмонт В. Б., Матвеев В. А. Опоры качения приборов. М.: Машиностроение, 1984.-240 с.

10. Балакшин Б. С. Основы расчета размерных цепей. Энциклопедический справочник «Машиностроение», т. 5, Машгиз, 1947.

11. Балакшин Б.С. Роль размерных цепей и компенсаторов при конструировании машин //Машиностроитель. 1933. № 10. - С. 10-13.

12. Балакшин Б.С. Размерные цепи и компенсаторы. М.: Госмашлит-издат, 1934. 44 с.

13. Балакшин Б.С. Размерные цепи, основные понятия и определения. -М.: ЦБТИ, 1954.-46 с.

14. Бородачев H. А. Обоснования методики расчета допусков и ошибок кинематических цепей, часть I, Академиздат, 1943.

15. Бородачев Н. А. Обоснования методики расчета допусков и ошибок кинематических цепей, часть II, Академиздат, 1946.

16. Бородачев Н. А. Анализ качества и точности производства, Машгиз,1946.

17. Бородачев Н. А. Основные вопросы теории точности производства, Академиздат, 1950.

18. Буревич Н. В. и Брейтман 3. М. Контроль углов контакта радиаль-но-упорных подшипников. «Измерительная техника», 1960 № 3.

19. Буревич Н. В., Брейтман 3. М, Резников Ю. М. Технические измерения в подшипниковой промышленности. М: Машгиз, 1963. 199 с.

20. Волков П. Н. Ремонтопригодность машин./ П. Н. Волков, А. И. Аристов // М. Изд-во стандартов. 1977. 188 с.

21. Волков П. Н. Улучшение эксплуатационных характеристик и ремонтной технологичности машин важнейшая народнохозяйственная пробле-ма.//Надежность и контроль качества. 1972. - № 7. - С. 14-17.

22. Галахов М. А. Влияние перекоса колец на распределение давления вдоль образующей цилиндрического ролика// Труды ВНИПП. 1976, №2, с. 1417.

23. Галахов М. А., Усов П. П. Дифференциальные и интегральные уравнения математической теории трения. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. 1990.-280 с.

24. Галахов М. А. Бурмистров А. Н. Расчет подшипниковых узлов. -М.: Машиностроение, 1988. 272 с.

25. Глухов Б. В., Муравьев В. В., Козятник И. И. Гидравлическое нагружающее устройство для внутреннего кольца буксового подшипника/ Транс-сибвуз 2000. С. 263-267.

26. Глухов В. И. Метрологическое обеспечение качества в машиностроении: Учеб. Пособие Омск: ОмГТУ, 2008. - 221с.: ил.114

27. Глухов В. И. Повышение точности измерений в машиностроении на основе введения новых комплексных показателей действительных размеров деталей./ Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Москва 1998. 370с.

28. ГОСТ 4.479-87 Система показателей качества продукции. Подшипники качения. Номенклатура показателей.

29. ГОСТ 8.050 73. Нормальные условия выполнения линейных и угловых измерений.

30. ГОСТ 8.549-86 Государственная система обеспечения единства измерений. Погрешности, допускаемые при измерении линейных размеров до 500 мм с неуказанными допусками.

31. ГОСТ Р 8.563-96 Государственная система обеспечения единства измерений. Методики выполнения измерений.

32. ГОСТ 10-88. Нутромеры микрометрические. Технические условия.

33. ГОСТ 164-90. Штангенрейсмасы. Технические условия.

34. ГОСТ 166-89. Штангенциркули. Технические условия.

35. ГОСТ 427-75. Линейки измерительные металлические. Технические условия.

36. ГОСТ 520-2002 (ИСО 492-94, ИСО 199-97). Подшипники качения. Общие технические условия.

37. ГОСТ 3325-85 Подшипники качения. Поля допусков и технические требования к посадочным поверхностям валов и корпусов. Посадки.

38. ГОСТ 4381-87. Микрометры рычажные. Общие технические условия.

39. ГОСТ 21495-76 Базирование и базы в машиностроении. Термины и определения.

40. ГОСТ 23941-79 Шум. Методы определения шумовых характеристик. Общие требования.

41. ГОСТ 24642-81 Основные нормы взаимозаменяемости. Допускиформы и расположения поверхностей. Основные термины и определения.115

42. ГОСТ 24643-81 Основные нормы взаимозаменяемости. Допуски формы и расположения поверхностей. Числовые значения.

43. ГОСТ 25346-89 Основные нормы взаимозаменяемости. Единая система допусков и посадок. Общие положения, ряды допусков и основных отклонений.

44. ГОСТ 25347-82 Основные нормы взаимозаменяемости. Единая система допусков и посадок. Поля допусков и рекомендуемые посадки.

45. ГОСТ 28187-89 Основные нормы взаимозаменяемости. Отклонения формы и расположения поверхностей. Общие требования к методам измерений.

46. ГОСТ Р 50056-92 Основные нормы взаимозаменяемости. Зависимые допуски формы, расположения и координирующих размеров. Основные положения по применению.

47. Данильченко А. И., Акифьев В. И. Проскальзывание в цилиндрическом роликоподшипнике газотурбинного двигателя//Вопросы технического обслуживания и ремонта авиационной техники. Сборник научн. тр. ГосНИИ ГА. М.: Изд. ГосНИИ ГА, 1991. -Вып.299. С. 47-56.

48. Журавлев В. Ф., Климов Д. М. Прикладные методы в теории колебаний. Москва, Наука 1988; 328 с.

49. Журавлев В. Ф. Некоторые задачи статики.и динамики ротора в неидеальных подшипниках: Дис. канд. физ. мат. наук. М., 1970. 139 с.

50. Журавлев В. Ф. Прикладные методы в теории колебаний. М.: Наука, 1988.-325 с.

51. Журавель А. И. Себестоимость железнодорожных перевозок. Новосибирск: Издательство СГУПСа, 2000.

52. Заппаров К. И., Коршунов В. К. Динамика ротора на шарикоподшипниках// Машиноведение. 1980. №3. - С. 96 - 99.

53. Зайцев Г.Н. Нормирование точности геометрических параметров машин: /Г.Н.Зайцев и др.; под ред. В.К.Федюкина .-М.:Академия, 2008.-362с.(гриф).

54. Есин Б. И. Требования к ремонтопригодности колесных гусеничных машин, обусловленные особенностями ремонта в полевых условиях./ Б. И. Есин// Надежность и контроль качества. 1979. № 4. -С51-55.

55. Иванова Ю. А. Повышение ресурса буксовых подшипников грузовых вагонов./ Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Омск 2009. 141 с.

56. Курушин М. И., Циприн А. М. Методика расчета на долговечность шариковых подшипников по контактным напряжениям. В сб. «Применение контактно-гидродинамической теории смазки к исследованию деталей машин». Труды, вып. 40, КуАИ, Куйбышев, 1969, с. 141 149.

57. Ковалев М. П., Народецкий М. 3. Расчет высокоскоростных шарикоподшипников. М., Машиностроение, 1980, 373 с.

58. Карагельский И.В. Трение, изнашивание и смазка: справочник в 2-х книгах / под ред. И.В. Карагельского, В.В. Алисико. М.: Машиностроение, 1978. Кн.1: - 400 е., Кн.2: - 358 с.

59. Крагельский И.В., Михин Н.М. Узлы трения машин. М: Машиностроение, 1984.-280 с.

60. Классификатор дефектов и повреждений подшипников качения ОАО «РЖД». Москва 2007.

61. Лакеенко М. Н., Глухов В. И., Должиков С. Н. Влияние методов измерений геометрических величин на надежность моторно-якорных подшипниковых узлов тяговых двигателей локомотивов// Омский научный вестник. 2009. № 1 (77).С. 169-171.

62. Методические указания по определению экономической эффективности мероприятий научно-технического прогресса на железнодорожном транспорте. М.: Транспорт, 1998.

63. Методика оценки технико-экономической эффективности внедрения ресурсосберегающих технологий и их влияние на сокращение эксплуатационных расходов. М., 1998.

64. Методические рекомендации по обоснованию эффективности инноваций на железнодорожном транспорте/ МПС РФ. М., 1999. 230 с.

65. Методические рекомендации по оценке инвестиционных проектов на железнодорожном транспорте/ МПС РФ. М., 1998. 53 с.

66. Методические рекомендации по расчету ущерба от транспортных происшествий и иных связанных с нарушением правил безопасности движения и эксплуатации железнодорожного транспорта событий в ОАО «РЖД» от 03.04.2008 № 681р.

67. Налимов В. В. «Планирование эксперимента», 198 стр., Москва,1971.

68. Орлов А. В. Опоры качения с поверхностями сложной формы. — М.: Наука, 1983.-125 с.

69. Перель Л. Я. Подшипники качения: Расчет, проектирование и обслуживание опор: Справочник. -М.: Машиностроение, 1983. 543 е., ил.

70. Палей М.А. Допуски и посадки: справочник / М.А. Палей, А.Б. Романов, В.А. Брагинский. Л.: Политехника, 1991. Ч. 1: -576 с. Ч. 2: -607 с.

71. Правиков, Ю.М. Метрологическое обеспечение производства: / Ю.М.Правиков, Г.Р.Муслина.- М.: КШРУС.-2009. 236с. (гриф).

72. Патент № 1820062 «Способ сборки подшипников качения» (Про-ценко А.И. и др.), 1993г.

73. Патент № 2079015 «Комбинированная опора» Лентов В. В. 1997 г.

74. Патент № 684192 «Подшипник качения» Сарычев А. А. 2004 г.

75. Патент № 2065095 «Подшипник» (В. Б. Носов, В. Ф. Старостин, И. Г. Глан и др.), 1996 г.

76. Патент на полезную модель 106694 (RU), F16C. Сепаратор роликоподшипника буксы подвижного состава / А. В. Бородин (RU), М. И. Ковалев (RU). 2011 г.

77. РМГ 29-99. Метрология. Основные термины и определения.

78. РД 50-635-87. Цепи размерные. Основные понятия. Методы расчета линейных и угловых цепей. Методические указания.

79. Санько Ю. М. Исследование температурного поля зоны качения скоростных шарикоподшипников: Дис. канд. техн. наук. М., 1974. -173 с.

80. Садовский, Г. А. Теоретические основы информационно-измерительной техники: /Г.А.Садовский.-М.:Высш.шк., 2008.-477с.(гриф).

81. Смирнов Н. Н. Вопросы ремонтопригодности машин.// Mí Знание. -1970. 39 с.

82. Смирнов Н. Н. Эксплуатационная технологичность самолетных конструкций.//М. Оборонгиз. 1963. - 132 с.

83. Сергеев, А. Г. Метрология, стандартизация, сертификация: / А. Г. Сергеев, М. В. Латышев, В. В. Терегеря. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Логос; М.:Унив.кн., 2009. - 558с. (гриф).

84. Справочник по экономической оценке показателей эксплуатационной работы Западно-Сибирской железной дороги и ее отделений/ Под общ. Ред. А. И. Журавеля. Новосибирск, 1998. 85 с.

85. Тэттэр В. Ю. Расчет экономической эффективности использования вибродиагностического оборудования на железнодорожном транспорте/ Экономика железных дорог. 2010. № 10. С. 60-71.

86. Теория измерений:./Т.И.Мурашкина др..- М.: Высш.шк.2007.-150с. (гриф).

87. ТИ 761. Техническое обслуживание и ремонт тягового двигателя ТЛ-2К. Технологическая инструкция.

88. ТУ ВНИШ 1.048-1-00. Подшипники качения для железнодорожного подвижного состава. Подшипники шариковые, роликовые цилиндрические и сферические. Технические условия. Часть 1.

89. ТУ2-034-225-87. Щупы. Модели 82002, 82102, 82202, 82302. Технические условия.

90. Эластогидродинамический расчет триботехнических характеристик контактов роликовых подшипников: Отчет по НИР/ Куйбышев. Авиацион. Ин. т. Руководитель темы Жильников Е. П., тема Б2 — 15. - Куйбышев, Л991. -47 е., ил.

91. Широбоков В. В., Дроздов Ю.Н. Толщина смазочного слоя при качении со скольжением с учетом тепловых процессов // машиноведение. 1979. -№4.-с. 90-93.

92. Шишкин И. Ф. Теоретическая метрология: / И.Ф.Шишкин.-4-e изд. С-Пб, Изд-во Питер.-2010. 4.1 Общая теория*измерений. 2010.-190с. (гриф).

93. Шишков А. Д. Народнохозяйственная эффективность повышения надежности технических средств. железнодорожного транспорта. М: Транспорт, 1986.

94. Черменский О. Н., Федотов Н. Н. Подшипники качения: Справочник каталог. М.: Машиностроение, 2003. — 576с.; ил.

95. Bell J.C, Dyson A. Mixed friction in an elastohydrodynamic system// Elastohydrodynamic lubrication symposium. London, 1972. P: 6876.

96. Blok H. Les temperatures de surface dans des conditions de graissage sour pression extreme. Congr. mondial du petrole, Paris, 1937, v. Ill, p. 471 -486.

97. Chang L., Cusano C, Conry T.F. Analysis of high-speed cylindrical roller bearings using a full elastohydrodynamic lubrication model. Part 1. Formulation // Tribology transactions. 1990. Vol. 33. - N 2. - P. 274-284.

98. Chang L., Cusano C, Conry T.F. Analysis of high-speed cylindrical roller bearings using a full elastohydrodynamic lubri cation model. Part 2. Results //Tribology transactions. 1990. Vol. 33. -N2. - P. 285-291.

99. Christensen H., Tonder K. Hydrodyriamic Lubrication of Final Width Bearings Having Surface Roughness. JORNAL OF LUBRICATION TECNOLOGY, TRANS. ASME, Series F, №3, 1971, p.9-12.

100. Cocks M., Talllan T.E. Sliding contacts in rolling bearings //ASLE Transactions. 1971. Vol. 14: - P. 32-40.

101. Daring D;W., Radzimovsky E.I. Misaligned roller bearings. Machine design, 1964, vol. 36, № 4, 175-179 p. •

102. Dominy J. Some aspects of the desin of high speed roller bearings // Tri-bology international. 1981. Vol. 14.-N3.-P. 139-245.

103. Dowson D., Higginson G.R. Elastohydrodynamic lubrication. N.Y.: Per-gamon Press. London, 1977. 235 p.

104. Ebert F. «Fail safe» concept and reliability in high speed bearing arrangements for aerospace, turbomachinery// Vibration and wear in high -speed rotating machintry/ Kliwer Academic Publischers. Printed in Netherlands. 1990. P.783 -803. . ; .

105. Harris T.A. An analytical method to predict skidding in high-speed roller bearings //ASLE Transactions. 1966. Vol. 9. N 3. - P. 229-241.

106. Koeber H. Design and calculation of high speed engine bearings // 60-th AGARD MEETING / Aircraft Gear and Tribological Systems, April 1985, San Antonio, Texas, Conference-Proceedings, № 394'. P.I .5.

107. O'Brien K.T., Taylor C.M. Cage slipe in roller bearings // Gournal of mechanical engineering sci. 1973. Vol. 15.- N 5. - P. 370-378.

108. Prakash J., Christensen H. A simplified model of elastohydrodynamic . lubrication1 of rollers the complete solution//ASLE Transactions. 1981. -Vol. 24.1. N 3. P. 362-370.

109. Zhilnikov E. P. The estimation of lambda ratio for predicting rolling bearing life. Friction and Wear. Vol. 16, № 5, 1995, p. 847-850.