Способ определения длин сопряженных поверхностей в паре трения качения

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН И 9) (11) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ ИЯ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 11итут инженеропорта ионные харакников - Проб 1977,2,В 1 Ю5 ЮЗС Д,7 675 7,75 8.7 Х Я,7 Х ЩЮ ЮВ ЯЮ 1371 Щ 7 Ю %7 мрмсвик рЕщса, ц, = 1 и 3(ц) лгюэл(71) Куйбышевский инсжелезнодорожного тран(56) Гунт и др, Вибрацтеристики шарикоподшилемы трения и смазки.с. 152,5 И 4 б 01 В 15/00 Е 01 В 37 00(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЛИН СОПРЯ;(57) Изобретение относится. к технике, где используются направлякщиес трением качения и трением скольжения. Цель изобретения - повышениедолговечности пары трения каченияза счет исключения возникновенияволнообразного износа поверхностей1219918 1 О 20 25 Длину одной из сопряженных поверхностей определяют в соответствии с зависимостью в а К, где Са иС,1 кС - соответственно скорости распределения продольной волны в перемещающемся объекте и направляющей, 2 и 2 - соответственно длина окружности плоскости катания перемещающегося объекта или длина направляющей; К - КоэфФициент, учитыИзобретение относится к технике где используются направляющие с тре нием качения и трением скольжения, а именно к железнодорожному транспорту, машиностроению, приборостроению, станкостроению, и может быть использовано для предупреждения образования волнообразного износа на поверхностях направляющей и перемещающегося по ней объекта, например рельса железнодорожного пути и колеса транспортного средства. Цель изобретения - повышение долговечности пары трения качения за15 ;счет исключения возникновения волнообразного износа поверхностей. На чертеже. изображен граФик для определения коэффициента К.Способ определения длин сопряженных поверхностей в паре трения качения заключается в том, что длину одной иэ сопряженных поверхностей определяют в соответствии с зависи- мостью где С и С - соответственно скорос- ЗОгти распространенияпродольной волны в пе-,ремещающемся объекте инаправляющей;Х и Х - соответственно длина З 5окружности плоскостикатания перемещающегося объекта или длинанаправляющей;ц вающий соотношений между параметрами, представляемый последовательностями чисел, Собственные (резонансные) частоты направляющей и перекатывающегося объекта будут распределены таким образом, что на всей дискретной последовательности частот не будет их совпадения. Не будет возникать резонансное состояние системы направляющая - перекатывающийся объект. 1 ил. К- коэффициент, учитывающий соотношения между параметрами, представленный последовательностями чисел: 1/2 п, где п - ряд натуральных чисел, нли 2/п, где п- нечетные числа натурального ряда, начиная с 3, или 4/п, где и- нечетные числа натурального ряда, начиная с 5.При таком соотношении К собственные (резонансные) частоты направляющей и перекатывающегося объекта распределены таким образом, что на всей дискретной последовательности частот не будет их. совпадения, т.е. не возникнет резонасное состояние системы направляющая - перекатывающийся объект и, следовательно, уменьшится их износ. Выбор такого соотношения является следствием экспериментальных и теоретических исследований.При возбуждении в рельсе ударных колебаний (легким молотом) и передачи возникающих сигналов колебаний с помощью преобразователя (датчика) на осциллограф на экране последнего возникает сеть хаотических иэображений этих колебаний, которые на отдельных каналах длительности синхронизируются через 0,5-1,5 с, Явление синхронизации (например, для рельса Р 65, 2 = 3,5 м) имеет место на частотах 360, 840, 2320, 5000При возбуждении в рельсе (любой длины) синусоидальных колебаний с помощью электродинамического возбудителя (на низких частотах) или с помощью пьезоизлучателя (на высоких)При возбуждении в колесе стоящего вагона упругих колебаннй на поверхности качения также образуется бесконечный ряд резонансных частот, на которых наблюдаются соответствующие узлы и пучности.Возбуждение стоячих волн на отдельных частотах в рельсе, поражен-ном волнообразным износом (на магистральном участке пути), показывает, что узлы строго сходятся с выпуклостями неровностей.При изучении под поездной нагрузкой частот колебаний рельса (Р 75, длина 25 м) с наибольшими амплитудами с помощью селективного фильтра- анализатора установлены частоты, гЦ: 50, 130, 360, 900, 2600, 14900.Таким образом, в соответствии с экспериментом рельс является линейной колебательной системой с собственными частотами, которые образуют бесконечную дискретную последовательность (как тонкий стержень со 55 свободными концами). Эта последовательность практически точно описывается выражением 40 и приеме сигналов на осциллограф с помощью датчика наблюдается бесконечный гармонический ряд резонансных частот, некоторые из которых сходятся по величине с указанными частотами. 5При любой резонансной частоте по всей длине рельса образуются стоячие волны с характерными узлами и пучностями как по поверхности головки рельса, подошвы, так и на торцо О вых поверхностях.При воздействии излучателя на рельс в пределах любой пучности по всей длине рельса и в тех же местах наблюдаются узлы. При воздействии 15 излучателя на узел явление стоячих волн исчезает по всему рельсу. Узлы и пучности фиксируются в тех же местах при одновременном перемещении :,вдоль рельса рядом стоящих излучате ля и датчика. Установка одинаковых датчиков на соседних пучностях.и приеме сигналов на двухлучевой осциллограф позволяет наблюдать синфазные колебания. В случае установ ки в одном сечении рельса (в пределах пучности) одного датчика на поверхности головки рельса,. другого - на поверхности подошвы колебания происходят в одной фазе (асимметричные изгибные волны),= и - и = 1/2, 3/2, 5/2,7/2,где и - номер собственных (нормальных) асимметричных колебаний;С - скорость продольных волн врельсе (4740 м/с), найденаэкспериментально,Х - длина рассматриваемого объекта (направляющей).Так для рельса длиной, равной12,5 м, последовательность частотравна, Гц: 95, 284, 474, 663, 853, .1043, 1232, 1422 , для У = 25 мГ47, 142, 237, 232, 406, 522, 616,711, 806, 901, 995 , для Х . 3,5 м;338, 1015, 1692, 2369, 3046, 3723,4400, 5077В рельсе, в бандаже колеса, какв бесконечном стержне, возникаютбегущие вдоль направляющих изгибныеволны. Наложение встречных волн обра.зует стоячие волны, длина которых наотдельных резонансных частотах описы-.вается выражением1 В1ЧЬ 1где Е - модуль Юнга для рельсовойстали,К - радиус инерции поперечногосечения рельса относительногоризонтальной оси- акустическая плотность рельсовой стали.Известно, что резонанс в колебательной системе возникает при совпа. дении частоты гармонической величи- . ны силы в одной из собственных частот. Внешней гармонической силой при движении поезда является колеблющееся колесо, а также силы, возникающие при колебании отдельных элементов самого пути (шпал, балластного слоя, подкладок).Учитывая, что при какой-либо резонансной частоте 1. образуются стоячие волны с постоянным расположением узлов и пучностей по длине рельса, а также по окружности колеса, то становится очевидной природа образования волнообразного износа рельсов при взаимодействии с движущимся колесом.При качении объекта по нвправлакг. щей за счет макро- и микронеровнос30 5 12199тей на поверхностях качения объектаи направляющей образуется широкийспектр частот, часть из которых входит в резонанс с объектом и направляющей, последние, в свою очередь,входят в резонансное состояние междусобой на отдельных частотах последовательностей.Исключение совпадения ряда частотсобственных колебаний объекта и направляющей возможно подбором длинФокружности поверхности каченияобъекта или самой направляющей в соответствии с зависимостьюС 1,/С 1 = К. 15Способ реализуется следующим образом,Имеем цельнокатаную колесную паруот грузовой железнодорожной платформы, стоящую на рельсах. Длина окружности поверхности качения У == 2,98 м. Железнодорожный рельс длиной 3,50 м типа Р 65, лежит на деревянных подкладках.Определяем длины рельсов, при которых не возникнет совместное сколесом резонансное состояние,С помощью пьеэоиэлучателя и генератора синусоидальных колебаний наповерхности качения колеса колеснойпары возбуждается на отдельной частоте 1 к, например 2220 Гц, резонансное колебание, Преобразованные с помощью пьезопреобразователя колебания поверхности качения колеса в35виде электрических сигналов подаются на осциллограф. Путем перемещения пьезодатчика по смазанной солидолом поверхности качения колеса находятся такие сечения бандажа, в которых сигнал на осциллографе минимальный (близок к нулю). Эти местасоответствуют узлам стоячих волн.Определив таким образом местоположение узлОВ по Всей Окружности ка 45чения колеса, можно определить номер гармоники п и длину стоячейводы п = 8, - это количество отрезков по всей окружности катания.длина стоячей волны Ъ= /и = 5 О= 0,3725 м.Скорость распространения волнывдоль поверхности катания колесапри .частоте= 2220 Гц находимиз выражения55С= 2 я= 1653,9 м/с.4Таким же образом находим указанные параметры в рельсе длиной 18 Ф3,50 м на резонансной частоте (гармоника, наиболее близкая к гармонике, рассмотренной в колесе).1 = 2140 Гц 1% ст = УР/пр(и + 3/ф),Отсюда С Р = 1274,9 м/с.Определим скорость волны в рельсепри частоте Р = . В соответствиис известной формулой скорость можноопределить как4 г,С =- 2,5 фПодставив С и 1 , можно дляданного объекта определить величинукак постоянную.Формула скорости распространенияволны в рельсе приобретает вид С р == 27,559 4 Ч , по которой можно Определить С при частотеР= 2220 Гц.С27,559 ЮГ 220 = 129 В,5 и/с.Из предыдущих формул для колесаи рельса можно написатьФ=и - =и - .Р Р 2 Ъст, 22 рРезонансное состояние системыколесо-рельс происходит приПриравняем и получимС Ср п Ср 1 тк р Р к рВ последнем соотношении отношение СР/С можно считать постоянным при всех частотах ЯР = 1. Соотношение будет справедливо только при определенных величинах п,т и п , а при некотором отношении и/пр резонансного состояния вообще может не быть, Эти отношения удобно находить графически (на чеРтеже по абсциссе отложены значения пр, а по ординате - и ). Пересечения сетки показывают, что при таких соотношениях п и пР происходит резонанс, На графике можно найти такие соотношения, при которых резонанс отсутствует. Эти соотношения представляются в виде последовательности К = и/и71 1, 11/1 --- где и - натук 2 3иральный ряд чисел. Тогда из последнего выражения длины рельса Х , при которых не наблюдается резонайс,к 2 33964/К у Ср Р Скт.е, 2,34, 4,68; 7,19, 9,36, 11,70;14,04, 16,38; 18,72 ф, 21,06; 23,40 2,34 и (п = 1, 2, 3, , и - натуральный ряд).Для подтверждения этого использованы исследования частот колебаний шарикоподшипника с диаметром окружности центров шариков, равным 48,514 мм, и диаметром шариков 7,9375 мм.СПо формуле 1 = и - (при скоросп 2 Ути С = 5100 м/с) определены .дискретные последовательности собственных колебаний наружного и внутреннего колец подшипника, За длину направляющих приняты длины окружностей желобов наружного и внутреннего колец. Получены последовательности для наружного кольца, Гц: 7203, 21610, 36017, 50424, 64831 , для внутреннего кольца, Гц: 11039, 30117, , 50195, 70273Из последовательностей видно, что резонансы могут возникнуть на частотах 7-8, 30-36 и особенно на 50- 51 кГц. Эти частоты близки к резонансным частотам, изображенным на амплитудно-частотных характеристиках исследованного шарикоподшипника.Применяя зависимость С Х,/С, 1 = К при К = 2/3 (оставляя, например, тот же диаметр внутреннего кольца), получим идеальный в отношении износа подшипник, не содержащий резонансов. между колебаниями элементов по всей последовательности частот, с отношением диаметра шарика к диаметру внутреннего кольца 1/4, а к диаметру наружного - 1/6. Для легкой серии подшипников целесообразно применять К = 4/5.СПо формуле 1 = и - подсчитаныипоследовательности собственных частот колебаний трамвайного рельса типа Р 65 с длиной 12,5 м и железнодорожного рельса типа Р 75 с длиной 25 м, а также последовательности по длине окружности катания колес: трамвайного (с диаметром 0,65) и 1219918 8вагонного (с диаметром 0,95 м).Найдены совпадения (резонансы) частот свободных колебаний соответственно для условий трамвая и железнойдороги. Рассчитанные длины стоячихволн (неровностей на рельсах) порезонансам полностью подтвердилисьполевыми замерами длин неровностей.Если принять скорость распростра.,1 О нения продольной волны 5100 м/с вколесах трамваев и железнодорожныхвагонов и соответствующие диаметры0,65 и 0,95 м, то по зависимостиС 2,/С,У = К при К = 1, 2, 1/4,15 1,6можно определить соответствующие длины рельсов, при которыхпо всей последовательности частотне будет резонансов, Для трамвайныхрельсов, м: 3,870, 7,739", 11,61;20 15,478 ф 19,35, 30,956 ф для железнодорожных рельсов, м; 5,656, 11,32,16,968; 22,623, 28,28, 33,936,45,246,25 Ф о р м у.л а и з о б р е т е н и яСпособ определения длин сопряженных поверхностей в паре трения качения, преимущественно рельса и колеса, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью повышения долговечности пары трения качения за счет исключения возникновения волнообразногоизноса поверхностей, длину одной;йз сопряженных поверхностей опреде ляют в соответствии с зависимостьюгде С и С - соответственно скорости распространенияпродольной волны в перемещающемся объектеи направляющей;11 и 1 - соответственно длинаокружности плоскостикатания перемещающегося объекта или длинанаправляющей;К - коэффициент, учитывающий соотношения междупараметрами, представляемый последовательностями чисел: 1/(2 п),где и - ряд натуральных чисел, или 55 2/п 1, где п 1 - нечетные числа натурального ряда, начиная с З,.или4/п , где п - нечетные числа натурального ряда, начиная с 5.