Разработка надежной тяговой передачи с ремонтопригодной и контролепригодной муфтой электропоездов серии ЭР9

1. Неисправности тяговой передачи и их анализ

1.1 Анализ данных эксплуатации тяговых передач электропоездов с механической частью типа ЭР2, ЭР9, ЭР2Р И ЭР2Т

Количество неисправностей по тяговому приводу класса II составляет более 50% от всех неисправностей по механическому оборудованию. Анализ количества неисправностей, приходящихся на 1 миллион километров пробега, взятых по годам в течении ряда лет [2, с. 8], показывает, что существенной тенденции к снижению их числа не наблюдается, несмотря на то, что появляется новые, более совершенные серии электропоездов.

Так, например, новые серии электропоездов ЭР2Р и ЭР2Т с вновь разработанными тяговой муфтой и тяговым редуктором имеют, в среднем тот же уровень неисправностей, что ЭР9П, ЭР2 и ЭР9.

Для того, чтобы выяснить причины такого положения, необходимо рассмотреть структуру видов неисправностей, а так же учесть такой фактор как влияние времени года на появление ряда неисправностей.

Как уже говорилось выше, в 1962 году РВЗ стал выпускать электропоезда серии ЭР2, а с 1964 года — электропоезда ЭР9, у которых тяговый привод имел резинокордовую муфту и серповидную подвеску редуктора. Совершенствование конструкции этих электропоездов продолжалось до 1971 года, когда стали выпускаться электропоезда с тяговой передачей, имеющей резинокордовую муфту и подвеску редуктора в виде стержня с резиновыми амортизаторами в местах крепления к раме тележки и корпусу редуктора.

В период с 1964 по 1975 годы была выпущена партия электропоездов серии ЭР22 и их модификации ЭР22М и ЭР22 В, на которых впервые была применена стержневидная подвеска редуктора. С 1964 года по 1976 год РВЗ выпускает серию электропоездов ЭР9П для железных дорог, электрифицированных на переменном токе. Тяговый привод этих электропоездов был аналогичен электропоездам ЭР2, но имел серповидную подвеску редуктора.

По данным эксплуатации электропоездов серии ЭР9 и ЭР9П в тяговой передаче появилась группа неисправностей, которая в настоящее время стала преобладающей для всех электропоездов — разрушение болтов на фланцах резинокордовой муфты — 23,48% от всего числа неисправностей по тяговой передаче.

Обычно, при разработке новой серии электропоездов вносились изменения в конструкцию тяговой передачи с целью устранения ненадёжных узлов. Так была устранена кулачковая муфта электропоездов серии ЭР1 и замена на резинокордовую муфту, изменена конструкция подвески корпуса редуктора электропоездов ЭР2, ЭР22 и ЭР9М, изменена схема подшипникового узла шестерни на электропоездах ЭР22М и ЭР22 В. В этом узле был применён шариковый подшипник, который воспринимал осевые силы, действующие на вал шестерни, и препятствовал таким образом выдавливанию крышек шестерни. Удачная эксплуатация одного из редукторов на электропоезде ЭР22 В (приблизительно 1,5 млн. км пробега без разборки) стала основанием для применения подобной схемы на новых сериях электропоездов ЭР2, ЭР2Т и ЭД9Т.

При разработке рабочего проекта был внесён ряд изменений в конструкцию. При изготовлении электропоездов были поставлены подшипники, несоответствующие железнодорожным техническим условиям (сборные сепараторы вместо литых), которые после месяца эксплуатации стали выходить из строя. Это привело к массовым переборкам узла шестерни с предварительным демонтажем муфты. Конструкция в целом оказалась не ремонтопригодной. Это сказалось на большом количестве неисправностей в 1984 году.

Разработка модифицированного варианта узла шестерни и модификация редуктора привели к появлению серии ЭР2Т, а доводка конструкции происходила до 1986 года.

В настоящее время накопился фактический материал по эксплуатации электропоездов ЭР2Р и ЭР2Т, что бы можно было сравнить эту серию с самой распространённой серии ЭР2 по эксплуатационной возможности тяговой передачи. Это сравнение произведено.

Анализ неисправностей проведён на фактическом материале депо Брянск-1 (ЭР9П), депо Железнодорожная (ЭР2Р) и депо Апрелевка (ЭР2).

Электропоезда ЭР2Р начали поступать в депо Железнодорожная в 1983 году. В таблице 1.1. показано количество электропоездов и электросекций, вводимых по годам (1993;1998 гг.) в эксплуатацию, что необходимо учитывать при анализе количества неисправностей по годам.

Таблица 1.1. Ввод в эксплуатацию электропоездов и электросекций в депо Железнодорожная

Для анализа неисправностей колёсно-редукторных блоков использованы материалы технологического сектора депо. Анализ отказов проводился начиная с 1996 года, так как количество электропоездов было достаточно для проведения обобщений.

В результате анализа фактического материала по неисправностям за 1996;1998 годы все виды неисправностей были сгруппированы следующим видом:

1. Неисправности резинокордовой муфты:

1.1 Обрыв болтов упругой муфты;

1.2 Вырыв упругой оболочки из её крепления.

2. Неисправности узла малого зубчатого колеса (шестерни):

2.1 Осевой люфт вала шестерни сверх допустимого,

2.2 Обрыв болтов крышки подшипникового узла шестерни,

2.3 «Выдавливание» крышки подшипникового узла шестерни (ослабление всех болтов).

3. Неисправности корпуса редуктора:

3.1 Трещины в тарелке корпуса редуктора,

3.2 Трещины в корпусе редуктора,

3.3 Обрыв болтов, скрепляющих верхнюю и нижнюю части корпуса редуктора.

4. Неисправности опорного подшипникового узла редуктора:

4.1 Разрушение опорных подшипников,

4.2 Обрыв и ослабление болтов крышек опорного узла.

Из сравнения диаграмм видно, что происходит не только относительный, но и абсолютный рост обрывов упругой муфты.

Анализ влияния времени года на количество неисправностей показал ряд закономерностей. Количество неисправностей были сгруппированы по месяцам, сходным по климатическим условиям.

Болты упругой муфты разрушаются в период интенсивных перевозок — летом, когда муфта работает в условиях повышенных расцентровок и больших тяговых и тормозных моментов.

Анализ количеств неисправностей в зависимости от пробега электропоездов позволяет заключить следующее:

1. количество неисправностей по разрыву и вырыву упругой оболочки распределяется равномерно в периоде эксплуатации от ТР-2 до ТР-3, что говорит о конструктивном недостатке этого узла;

2. болты упругой муфты выходят из строя в наибольшей степени после ТР-3.

Здесь заметим, что для электропоездов с механической частью типа ЭР2 (в том числе и для поездов ЭР9П) РВЗ в соответствии с инструкцией МПС «Правила деповского ремонта электропоездов и секций» ЦТ-2614 установил следующие виды и периодичность технического обслуживания. Эти же сроки применялись первоначально и для обслуживания ЭР2Р [3, стр. 7].

Таблица 1.2. Виды и периодичность осмотров и ремонтов

Исходя из опыта эксплуатации, и в соответствии с Правилами текущего ремонта и технического обслуживания электропоездов ЦТ-3972 РВЗ установил новые сроки технического обслуживания и величины межреморнтых пробегов электропоездов [4, стр. 76], которые приведены в таблице 1.3.

Объём каждого из видов технического обслуживания (ремонта) установлен соответствующими Правилами МПС, а так же руководствами и инструкциями по эксплуатации заводов изготовителей как для электропоезда в целом, так и для отдельных узлов и аппаратов.

Выкатка колёсной пары с редуктором из-под тележки, а следовательно и разборка резинокордовой муфты (это может делаться так же и длоя снятия тягового электродвигателя с тележки), может производиться при необходимости при ТР-2 и обязательно производиться при ТР-3, КР-1 и КР-2 [4, стр. 88−130].

Таблица 1.3. Виды и периодичность осмотров и ремонтов электропоездов ЭР2Т

В соответствии с Правилами текущего ремонта и технического обслуживания электропоездов ЦТ-3972 величина пробега при постановке электропоезда в ремонт может быть принята в пределах +10% от указанной в руководстве по эксплуатации, для равномерной загрузки ремонтных цехов и заводов.

Анализ отказов тяговых передач электропоездов ЭР2 по депо Апрелевка показал устойчивый характер выхода из строя, в частности резинокордовых муфт по обрыву болтов и разрушению корда. В 1998 году из 298 случаев отказа эти составляли 42,3%, а в 1999 году из 285 случаев — 42,1%.

В месте с обрывом сочленяющих болтов корпуса редуктора и осевым разбегом вала малой шестерни с выдавливанием крышки малой шестерни, эти три группы неисправностей являются основными и составляют 95% всех неисправностей.

Нужно заметить, что в данном случае большое количество неисправностей и устойчивая их группировка вызваны большим общим износом тяговых передач, так как поезда в этом депо были старыми.

Анализ неисправностей по месяцам одного года показывает сезонную зависимость количества выходов из строя по неисправности муфты. Нарастание числа неисправностей происходит с началом летнего графика движения.

Зависимость числа неисправностей от пробега после последнего деповского ремонта (ТР-2 или ТР-3) показывает, что неисправности по узлу малой шестерни и по муфте имеют близкий характер распределения с максимумом около 100 тыс. км пробега, что указывает на их низкую надёжность и необходимость неплановых ремонтов (2, стр. 10−21).

1.2 Условия эксплуатации тяговых приводов электропоездов

Условия эксплуатации тяговых приводов электропоездов в общем случае можно охарактеризовать воздействиями, выделенными в три группы.

Первую группу составляют различные воздействия от окружающей среды. Сюда можно отнести действия пыли, влаги, температуры (низкой и высокой), различного рода загрязнении.

При движении с большой скоростью на ходовые части воздействуют частица песка и щебня, поднимающихся с верхнего строения пути, низкая температура косвенно влияет на работу ходовых частей и выражается в увеличении жёсткости резинотехнических изделий и увеличений ускорений колёсных пар из-за увеличения жёсткости пути при замерзании балластного слоя.

Вторая группа воздействий связана с силами и моментами, вызывающими сам процесс движения — это тяговые силы и моменты, которые в общем случае переменны, так как определяются условиями сцепления колеса с рельсом, сопротивлением движению, скоростью движения, режимом движения (тяга, выбег, торможение). Интенсивность действия этих нагрузок на ходовые части электропоездов пригородного движения очень велика, так как всё время реализуется режим:

— разгон до установленной скорости движения по участку;

— выбег;

— торможение до полной остановки.

В третью группу входят силовые воздействия, связанные с движением экипажа по железнодорожному пути, обладающему различными неоднородностями структуры, которые проявляют себя изменением траектории движения колёс в пространстве, главным образом по вертикали.

Так как неоднородности структуры пути являются в большей части случайными, то и возмущающая функция (траектория пути оси колёсной пары) является случайной функцией проходимого пути или, при постоянной скорости движения, случайной функцией времени.

Под неоднородностью структуры пути понимается изменение жёсткости пути вдоль направления движения, появления неровностей.

Это параметрические и кинематические возмущения соответственно, а воздействия, выделенные нами во вторую группу, вместе с периодическим силами от дисбаланса вращающихся частей различных узлов и аппаратов, относятся к силовым возмущения [1, стр. 25].

Вертикальная составляющая движения колёсной пары является возмущающей функцией для моторной тележки электропоезда, на которой установлена тяговая муфта.

Тележка представляет с точки зрения механики сложную динамическую систему со всеми присущими ей свойствами, что проявляется возникновении вынужденных колебаний и возможности возникновения резонансных явлений, как в системе рессорного подвешивания тележки, так и в системе тягового привода.

Для удобства анализа весь диапазон спектра возмущений условно делится на два — низкочастотные возмущения до 50 Гц, и высокочастотные — свыше 50 Гц и до 5000 Гц. Соответственно классифицируются и нагрузки, действующие на элементы тягового привода и передачи.

Высокочастотные нагрузки возникают при взаимодействии плохо обработанных или изношенных кинематических пар. Они зачастую являются следствием износов и неудачных вмешательств в систему при обслуживании и ремонте, то есть носят технологический характер.

Низкочастотные нагрузки присущи тяговым приводам класса II и возникают из-за специфической кинематической схемы тяговой передачи. Специфика кинематической схемы заключается в том, что тяговый редуктор кинематически связан с рамой тележки, которая в свою очередь покоится на упругих элементах, опирающихся на колёсные пары.

Траектории движения последних задаются неровностями пути и скоростью движения по ним. Второй стороной редуктор опирается жёстко на ось колёсной пары. Таким образом имеем редуктор, который совершает движения в пространстве из-за того, что двум его точкам опирания заданы разные траектории движения.

Из-за этой зависимости, при проходе неровности пути, малой шестерне задаётся не только поступательное (координата Z), но и вращательное (ц_ш) движение, которое, будучи передана якорю тягового двигателя с моментом инерции I_Я относительно оси вращения, вызовет появление динамического момента.

М_дин = I_я (1+И) ц_р, при щ_к = const (1.2)

или М_дин = I_я ц_я, при щ_к = const (1.3)

где: ц_р ц_я — угловое ускорение корпуса редуктора и якоря соответственно, рад/с².

Из рассмотрения условий работы тяговых приводов электропоездов, особенностей кинематической схемы тягового привода класса II, можно сформулировать ряд требований, которые должны быть учтены при разработке конструкции тяговой муфты.

Для снижения низкочастотных динамических моментов и сил в тяговой передаче и приводе должны быть предусмотрены технические решения, ослабляющие кинематическую связь корпуса редуктора с рамой тележки. Особенно это необходимо при тяговой муфте с большой торсионной жёсткостью (свыше 400 кНм/рад).

В случае применения тяговой муфты с низкой торсионной жёсткостью степень ослабления кинематической связи должна быть определена после динамических расчётов, в которых учитывается допустимые па конструкции муфты величины расцентровки (несоосности) валов редуктора и двигателя.

2. Особенности конструкции и ремонта резинокордовой муфты

Так как муфта расположена между тяговым редуктором и тяговым электродвигателем и соединяет их, то понятно, что её конструкция оказывает существенное влияние на работу и того и другого. От конструкции муфты зависит конструкция узлов тягового редуктора, вала якоря тягового электродвигателя, выбор его подшипников.

Тяговая муфта является неотъемлемым элементом тягового привода класса II, являясь в тоже время узлом, на который отведено наименьшее пространство.

В тяговых передачах серии ЧС тяговая муфта в виде карданного механизма находится в полом вале тягового электродвигателя, являясь его частью и занимает наименьшее пространство между двигателем и редуктором.

При той мощности тягового электродвигателя, который применяется для привода электропоездов (мощность 235−245 кВт) ещё возможно разместить муфту в пространстве между двигателем и редуктором, что не требует дорогостоящего усложнения конструкции тягового электродвигателя (то есть устройства полого вала).

В упругой муфте взаимная подвижность валов обеспечивается благодаря деформациям резинокордовой оболочки.

Муфта состоит из следующих частей:

ь ведущего фланца;

ь ведомого фланца, напрессованных на конические хвостовики валов якоря электродвигателя и осевого редуктора;

ь разрезного кольца и неразрезного кольца;

ь разгружающие втулки.

С помощью болтов к фланцам крепится торообразный резинокордовый упругий элемент, состоящий из каркаса двух металлических колец, наружного и внутреннего защитных резиновых покрытий.

Каркас оболочки выполнен из перекрещивающихся под углом 45? десяти слоёв капронового корда, пропитанного синтетической резиной. Края корда для надёжного его крепления в бортовых частях упругого элемента завёрнуты вокруг металлических колец. Для предотвращения механических повреждений кордовый каркас покрыт слоем резины, снаружи толщиной 9−12 мм и внутри 1,4−2 мм. В муфте нет подвижных соединений с поверхностным трением, по этому не требуется постоянный уход за ними, в частности её смазывание. Снижение торсионной жесткости по отношению к жёсткости кулачковой муфты привело к уменьшению максимальных динамических нагрузок передачи примерно в два раза.

Недостатки муфты:

ь высокая радиальная жёсткость;

ь значительные осевые силы, возникающие при высоких частотах вращения.

Появление этих сил объясняется тем, что под действием центробежных сил Р_цi оболочка муфты (рис. 1.8 а) деформируется таким образом, что её боковые поверхности принимают коническую форму (показано штриховыми линиями).

Силы в каждой радиальной полоске корда действуют под углом б_цi к вертикали (рис. 1.8 б), при этом появляется осевая составляющая:

Т = У Р_цi sin б_цi, (1.4)

где: Р_цi — результирующая центробежных сил в радиальных полосках корда.

Действие осевых сил на фланцы упругой муфты Для снижения осевых сил Т впервые на скоростном электропоезде ЭР200 в 1973 году была изменена форма оболочки муфты (осевые линии старой и новой оболочек показаны соответственно на рис. 1.8 б и в), так, что угол б_ц стал близок к нолю при деформации оболочки и осевые силы снизились. В такой муфте резинокордовая оболочка снабжена дополнительным «экваториальным» кордным поясом, в результате чего каркас приобрёл вместо арочной характерную вогнутую форму. «Экваториальный» пояс имеет высокую жёсткость на растяжение, что препятствует развитию деформации, приводящей к появлению осевой составляющей реакции от центробежных сил. Такая конструкция резинокордовой оболочки позволило снизить аксиальные (осевые) силы в четыре-пять раз и теперь устанавливается на всех пригородных электропоездах, начиная с ЭР2Р.

Прежняя муфта с размером оболочки 580×130 мм обладала большой радиальной жёсткостью (порядка 700 кН/м) и передавала на валы двигателя и редуктора при расцентровке большие динамические силы. В новой муфте с размером оболочки 520×150 мм радиальные силы так же как и осевые были снижены в силы в четыре-пять раз.

В эксплуатации возможны следующие неисправности упругой муфты:

— распрессовка фланцев двигателя или шестерни;

— повреждение упругой оболочки или трещины верхнего слоя резины в месте крепления к металлическим поверхностям;

— ослабление болтов, крепящих упругую оболочку.

Муфты, имеющие хотя бы одну из указанных неисправностей, к эксплуатации не допускаются.

При разборке муфты, которая необходима при ТР-2, ТР-3, КР-1, КР-2, происходит нарушение посадок как между разгружающими втулками и отверстиями во фланцах, так и в месте крепления резины к металлическими поверхностям.

Анализ характера неисправностей показал, что причина неисправностей является образование зазоров между втулками и отверстиями под эти втулки во фланцах муфты.

Схема образования зазоров во втулках и фланцах: а — во фланцах, б — во втулках, штриховкой показаны зона износа

Образование зазоров связано с рядом факторов:

1. низкая точность изготовления фланцев, особенно несоблюдение размеров отверстий, (разношаговость) их расположения по окружности;

2. выработка отверстий, которое происходит уже после образования зазоров, особенно это проявилось с применением на электропоездах электрического торможения.

Образование зазоров приводит к неравномерной выработке отверстий и создаётся такая схема передачи сил фланцам, при которой втулки передают силы только частью своей поверхности, которая контактирует с поверхностью отверстий фланцев.

Разная направленность передачи сил создаёт равнодействующую этих на валу, не равную нулю. Эта сила, действуя на вал и кольцо или полукольцо муфты, вызывает интенсивные радиальные колебания фланца, которые ещё больше разбивает отверстия. Кольца и полукольца иногда разрушают болты и резинокордовую оболочку, вылетает в вагон салона, выбивая смотровой люк.

Разработке отверстий способствуют крутильные колебания шестерни, которые поддерживаются плохим состоянием зубчатого зацепления или из-за пересопряжения зубьев.

Анализ посадочных размеров на чертежах показывает, что втулки в кольцо запрессовываются с натягом, а во фланцы с зазором, который может быть от 0,339 мм до 0,439 мм [2, стр. 78]. Это вызывает работу болтов на изгиб, так как посадочные размеры кольца во фланец допускают образование зазора.

Попытки увеличить прочность болтов за счёт применения лучших марок стали, изготовления резьбы методом накатки, дали временные незначительные увеличения межремонтых пробегов.

Из анализа работы тяговой муфты, проведенного в этом разделе, можем сделать следующие выводы:

1. несмотря на появление новых серий электропоездов и постоянное совершенствование тяговой передачи, она остаётся ненадёжной системой;

2. более 60% от всех неисправностей тяговой передачи приходится на упругую муфту;

3. резинокордовая муфта не удовлетворяет одному из главных условий, предъявляемых к тяговой муфте — выполнять функции и соединительной муфты (приспособленность беспрепятственной её разборки без нарушения типа посадки). Частые монтаж и демонтаж муфты приводят к изменению посадочных размеров из-за нарушения приработанности втулок к отверстиям во фланцах,

4. в муфте, работающей в реверсивном режиме, не должно быть несущих элементов с зазорами.

Таким образом, можем заключить, что для повышения надёжности тяговой передачи требуется модернизация существующей муфты или разработка новой муфты, которая удовлетворяла бы вышеперечисленным требованиям.

В данной работе исследуем возможность модернизации существующей муфты с целью обеспечения её ремонтопригодности.

3. Разработка вариантов ремонтопригодной резинокордовой муфты тяговой передачи на эскизе

3.1 Расчёт размерной цепи двигатель — редуктор для определения габаритов муфты

С помощью чертеже ДМЗ 302.30.01.013 СБ «Балка поперечная. Сборочный чертёж» определим размер BC между внутренним кронштейном подвески двигателя и кронштейном подвески редуктора.

Определение размера ВС на поперечной балке

Расчёт допусков неизвестных размеров производим методом максимума-минимума, учитывающим предельные отклонения звеньев размерной цепи и самые неблагоприятные их сочетания, то есть арифметически складываем допуски в ту или иную сторону [6, стр. 251].

ВС = АС — АВ = (770 ± 1) — (186,5 ± 1) = 583,5 ± 2 мм.

По чертежу завода «Сибстанкоэлектропривод» (г. Новосибирск) ГПИН.652 432.001 ГЧ «Электродвигатель тяговый постоянного тока ТДЭ — 235 У1. Габаритный чертёж» определяем габарит щита двигателя, обращенного к муфте.

Габарит щита двигателя

Конструкция нижних кронштейнов подвески двигателя на поперечной балке предусматривает возможность смещения двигателя вдоль его оси, в ту или иную сторону. Это обеспечивают отверстия под болты крепления, имеющие вертикальный диаметр ш 50 мм, а горизонтальный диаметр ш 75 мм.

Для удобства построения габаритов муфты найдём расстояние между хвостовиком вала якоря тягового электродвигателя и точкой подвески редуктора как разность размера ВС = 583,5 ± 2 и размера 280 ± 3 из рисунка 2.2: (583,5 ± 2) — (280 ± 3) = 303,5 ± 5 мм.

На этом расстоянии от габарита щита электродвигателя строим на листе 2 габарит редуктора с помощью чертежа ДМЗ 302.30.10.000 СБ «Колёсная пара с редуктором и буксами. Сборочный чертёж».

Расстояние от точки подвески редуктора до поперечной балки 157 мм определяем из чертежа поперечной балки, а расстояние от точки подвески редуктора до оси колёсной пары 648 мм рассчитываем как разность расстояния от точки подвески редуктора до центра большого зубчатого колеса 740 мм (из чертежа ДМЗ 302.30.10.020 СБ «Корпус верхний. Сборочный чертёж») и радиуса оси колёсной пары на данном участке 184/2 мм: (740 ± 1) — (184/2) = 648 ± 1 мм.

На рисунке представлен упрощённый, а на листе 2 точный габарит тяговой муфты. При построении использовались минимальные значения размеров, штриховкой указан зазор 5 мм между узлами привода и резинокордовой муфты.

Габариты тяговой муфты

3.2 Эскизные варианты ремонтопригодной муфты

Эскизные варианты разрабатываем на основании имеющихся габаритных ограничений. Резинокордовую оболочку не изменяем и оставляем на том же месте. Из листа 2 видно, что габариты не позволяют произвести какие-либо изменения конструкции со стороны редуктора, поэтому усовершенствовать конструкцию муфты будем со стороны тягового электродвигателя, тем более, что согласно технологии разъединения муфты должно производиться именно здесь.

Для всех вариантов общим является следующее:

применение двух, диаметрально расположенных прямоугольных зубьев для передачи вращающего момента;

разделение фланца электродвигателя на кольцо, зажимающее вместе с полукольцами резинокордовую оболочку и поводок, обеспечивающий доступ к болтам, стягивающим оболочку;

ступицу фланца двигателя, насаженную на хвостовик вала якоря тягового электродвигателя, оставляем без изменений.

Зуб может быть расположен как на кольце, так и на поводке. Фиксация поводка и кольца относительно друг друга осуществляется с помощью горизонтальных поверхностей, стягиваемых четырьмя или восемью болтами М10, расположенными вертикально. Болты воспринимают радиальную и осевую нагрузки, а в случае образования зазора в зубчатом зацеплении — и окружную нагрузку.

Недостатками данного варианта является следующее:

невозможность применения болтов диаметром более 10 мм, из-за недостатка места под ключ и малой возможной глубины отверстий под болты, определяемой высотой зуба;

необходимость нарезки резьбы и в поводке и в кольце;

трудность сборки при совмещении вертикальных поверхностей зуба и паза, но и горизонтальных поверхностей соединения кольца и поводка.

Зуб размещён на поводке, а в кольце имеется сквозной паз под зуб. Центрирование кольца и поводка относительно друг друга осуществляем с помощью кольцевых буртиков, имеющих зазор и не воспринимающих поэтому никаких нагрузок. Соединение кольца и поводка производим по вертикальной плоскости и фиксируем горизонтально расположенными болтами М16. Болты передают радиальную и осевую нагрузки, а при зазоре в зубчатом зацеплении — и окружную нагрузку.

Вариант 2 имеет ряд преимуществ перед вариантом 1:

лёгкость сборки из-за совмещения только вертикальных плоскостей;

доступность болтов поводка;

набольшая доступность болтов кольца;

возможность применения болтов диаметром более 16 мм;

имеется всего четыре болта на поводке вместо восьми болтов М10.

Недостатками варианта 2 является следующее:

большая масса кольца и поводка, а соответственно и момент инерции;

наличие опасно тонких сечений в поводке и кольце;

большой диаметр и изгиб деталей, что будет вызвать большие амплитуды колебаний поводка и кольца в осевом и радиальном направлениях.

Так как вариант 2 имеет неоспоримые преимущества перед вариантом 1 по лёгкости сборки и разборки, а так же по возможностям совершенствования конструкции, для дальнейшей разработки выбираем вариант 2.

3.3 Расчёт сил, действующих на элементы муфты

Максимальную частоту вращения колёсной пары определяем при конструкционной скорости V_к = 130 км/ч по формуле:

где: Д_КП — диаметр колёсной пары по кругу катания, Д_КП = 1050 мм = 1,05 м Отсюда:

Максимальная частота вращения вала якоря тягового электродвигателя определяется по формуле:

n _{дв max}= n _{КП max} и, с^-1, (2.2)

где: и — передаточное отношение редуктора, и = 72/22 = 3,41

Тогда, из выражения 2.2:

n _{дв max}= 10,95×3,41 = 37,34 с^-1.

Максимальный момент, развиваемый тяговым электродвигателем определяем по формуле:

где: 2 П _max — нагрузка от оси моторного вагона на рельс при максимальной населённости вагона (7 пассажиров на квадратный метр),

2 П _max = 14,9 тс = 194×10³ Н;

ц_р - расчётный коэффициент сцепления,

ц_р = 0,33.

Подставляем данные в формулу (2.3) и получаем:

Максимальную окружную силу, приложенную к деталям муфты по касательной к траектории вращения, может определить из выражения:

где: К_д — коэффициент динамики;

R _i — расстояние от оси вращения муфты до точки, в которой определяем окружную силу, м.

Коэффициент динамики для электропоездов определяем по эмпирической формуле [1, стр. 194]:

К_д = (а + 0,022 (V — 55)) / f_ст, (2.5)

где: а — коэффициент, равный 0,05 — для элементов кузова, и, 0,10 — для обрессоренных. элементов тележки;

f_ст, — суммарный статический прогиб рессорного подвешивания,

f_ст, = 120 мм.

Тогда для V = V_к = 130 км/ч, и, учитывая, что рассматриваемая часть муфты находится на тележке и обрессорена, из выражения 2.5 определяем:

К_д = (0,10 + 0,022 (130 — 55)) / 120 = 0,114

Окружную силу на расстоянии R ₁ = 290 мм и равную 0,29 м от оси вращения муфты (для соединительных болтов поводка и кольца тягового электродвигателя и для зубьев поводка) определяем по формуле 2.4:

Максимальную радиальную силу, приложенную к элементам муфты перпендикулярно к оси вращения муфты, определяем по эмпирической формуле [13, стр. 250]:

F_{r max} = (1 + К_д) 2 Ж^рад_об (1 + 0,3×10^-3 М _{дв max} + 0,35×10^-6 n² _{дв max}) Д_max, Н, (2.6)

где: 2 — коэффициент, учитывающий увеличение жёсткости оболочки при температуре -35°С;

Ж^рад_об — жёсткость резинокордовой оболочки 520×150 в радиальном направлении,

Ж^рад_об = 2,7×10⁵ Нм [13, стр. 250];

Д_max — максимальная допустимая расцентровка муфты при частоте оборотов свыше 2000 об/мин,

Д_max = 6 мм = 6×10 —³ м [13, стр. 249].

Величину частоты вращения вала якоря n _{дв max} для подстановки в формулу (2.6) переведём из с^-1 в обороты в минуту:

n _{дв max} = 37,34×60 = 2240 об/мин Подставляем данные в зависимость 2.6. получаем:

F_{r max} = (1 + 0,114) 2×2,7×10⁵ (1 + 0,3×10^-3 х 98,56 + 0,35×10^-6 х 2240²⁾ 6×10^-3 = 20 620 Н Максимальную осевую силу так же определяем по эмперической формуле [13, стр. 250]:

F_{а max} = 0,25 М _{дв max} — 0,45×10^-4 n² _{дв max}, Н, (2.7)

Из расчёта по формуле 2.7 получаем:

F_{а max} = 0,25×9856 — 0,45×10^-4 2240² = 2238 Н Таким образом, теперь нам известны все три силы, действующие на элементы муфты:

1. окружная сила

2. радиальная сила

F_{r max} = 20 620 Н

3. осевая сила

F_{а max} = 2238 Н Так как прочность деталей муфты рассчитываем в разделе 3 методом конечных элементов, то здесь оценим только контактную прочность зуба, сравнивая наибольшее давление на площадке контакта с допускаемым значением, для сталей Ст. 45 равным [1, табл. 8.3]:

р₀ = 1050−1350 Н/мм², (2.8)

Наибольшее давление на площадке контакта определяем по формуле:

где: 2 — коэффициент, учитывающий действие силы F _{t max} на два зуба;

0,5642 — коэффициент площади контакта;

S — площадь контактирующей поверхности зуба, из приложения 2 S = 38×14 = 532 мм².

Подставив данные в выражение 2.9, получаем:

Как видно из сравнения полученного значения р₀ с [р₀ ], конструкция зуба имеет значительный запас контактной прочности.

3.4 Расчёт болтового соединения поводка и кольца

На болты действуют радиальная и осевая силы, а окружную силу передают зубья.

Нагрузка от осевой сила на один болт определяем по следующей формуле:

Нагрузка от радиальной силы на один болт определяем по следующей формуле:

Из условия плотности стыка, усилие затяжки болтов выбираем по соотношению [11, стр. 350]:

Т = k (1 — ч) Р, Н, (2.12)

где: k — коэффициент затяжки, для переменной нагрузки k = 1,5;

ч — коэффициент внешней нагрузки,

ч = 0,25 [11, стр. 350].

Подставляя значения в формулу 2.12, получаем:

Т = 1,5 (1 — 0,25) 559,5 = 629,5 Н Сила затяжки, обеспечивающая силу трения, которая удерживает стыкуемые детали, определяется по формуле:

где: i — число плоскостей сдвига,

i = 1;

f — коэффициент трения в стыке,

f = 0,3 [12, стр. 30].

Подставляя значения в формулу 2.13, получаем:

Суммарная сила затяжки определяется по формуле:

F _{зат У} = Т + F _зат, Н, (2.14)

Подставив данные в формулу 2.14, определяем суммарную силу затяжки:

F _{зат У} = 629,5 + 25 775 = 26 404,5 Н Момент затяжки определим по формуле [11, стр. 352]:

М_к = о F _{зат У} d, Н/м, (2.15)

где: о — коэффициент, зависящий от трения в резьбе,

о = 0,12;

d — наружный диаметр резьбы, d = 16 мм = 0,016 м Подставив данные в формулу 2.15, определяем момент затяжки:

М_к = 0,12×26 404,5×0,016 = 50,7 Н/м Данный момент затяжки соответствует интервалу М_к = 49−57 Н/м [5, прил. 4], установленному для болтов М16 класса прочности 3.6.

Номинальные напряжения от осевых нагрузок определяем по формулам:

ь напряжение затяжки

ь напряжение от внешней нагрузки

где: F — площадь поперечного сечения болта, мм², определяемая по формуле:

где: d₁ — внутренний диаметр резьбы, d₁ = 15 мм.

Таким образом, по формулам (2.16) — (2.18):

Суммарное напряжение составляет:

у = у _зат + у _вн; Н/мм²; (2.19)

Таким образом:

у = 149,4 + 3,2 = 152,6 Н/мм²

Напряжение от кручения в нарезанной части составит:

По формуле (2.20) определяем:

При действии на болт осевых нагрузок и крутящего момента запас по пластическим деформациям определяем по следующей формуле:

где: [у _т ] - предел текучести, для стали Ст. 45 [у _т ] = 400 Н/мм²

Подставив данные в выражение (2.21), получаем:

Полученные значения n соответствуют интервалу n = 1,5 — 3,0, следовательно болтовое соединение обладает достаточным запасом прочности.

4. Расчёт динамики и прочности деталей муфты методом конечных элементов

Расчёт динамики и прочности деталей муфты методом конечных элементов выполняем для поводка, как наименее прочного элемента, на электронно-вычислительной машине с помощью прикладной программы COSMOS/M.

Исследуем напряжения и колебания поводка при приложении к нему сил F_{t max}, F_{r max} и F_{a max}. Схема приложения сил к поводку представлена на рисунке 3.1.

Схема приложения сил к поводку Модель поводка показана в приложении 3. Она упрощена — отсутствует ступичная часть. Как видно, максимальные напряжения (как сжатие так и растяжение) возникают на плоскости касания зуба и паза у нижней кромки зуба. Это обусловлено концентрацией напряжений в месте перехода от внутренней поверхности поводка к зубу.

Что бы устранить концентратор напряжений осуществим переход данных плоскостей через галтель радиусом 5 мм, что показано на листе.

В остальных объёмах поводка напряжения меньше и обусловлены так же переходами одних форм сечений в другие.

По величине напряжения, если изготавливать поводок из стали Ст. 3, приближаются к пределу текучести (для Ст. 3 [у _т ] = 220−240 Н/мм², а у _max = 347,64 Н/мм²), по этому для поводка и кольца оставляем материал Ст. 45 как и у фланца двигателя, у которого материал с пределом текучести [у _т ] = 400−600 Н/мм², а предел прочности [у _в ] = 600−700 Н/мм².

В таблице 3.1 приведены возможные частоты колебаний для поводка, которые находятся в пределах от 1675,1 Гц до 13 552,9 Гц. В приложении 5 указаны формы колебаний, соответствующие восьми низшим частотам собственных колебаний.

Наиболее неблагоприятной формой колебаний является колебание с частотой 1675,1 Гц, так как это самая низкая частота, и её величина может совпасть с одной из частот возмущений от зубчатой передачи, а форма колебаний вызывает ослабление болтовых соединений, поэтому болтовые соединения должны иметь надёжную контровку.

Поскольку, в целях снижения трудоёмкости рассоединения муфты предусмотрено минимальное количество болтов, то для надёжности их контровки предусматриваем применение храповых шайб и корончатых гаек со шплинтовкой.

Болты должны быть изготовлены из стали не ниже Ст. 45.

Частоты собственных колебаний поводка

5. Динамический расчёт участка передачи шестерня-якорь тягового электродвигателя

Расчётная модель участка передачи: J₁ — момент инерции шестерни и участка вала; J₂ — момент инерции фланца шестерни и вала; J₃ — момент инерции кольца и вала; J₄ — момент инерции кордооболочки; J₅^/ — момент инерции двух полуколец и вала; J₅^// — момент инерции кольца электродвигателя; J₅^/// — момент инерции поводка; J₆ — момент инерции якоря тягового электродвигателя; С_{i j} — жёсткость участка вала и оболочки; L_я, L_в, L_д — индуктивности якоря, обмотки возбуждения и дополнительных полюсов; r_я, r_в, r_д — сопротивления обмоток При расчёте производим исследование реакции системы на воздействие единичной силой P_z на шестерню. Эта сила создаёт момент М_z. Система реагирует моментом сопротивления М_с. Так же при моделировании учитываем зазор в болтах и втулках фланца шестерни. Суммарный зазор во всех восьми втулках д = 0,55 мм. Зазор образуется на расстоянии R_д = 124 от оси муфты.

Моделирование зазора:

К = 0 при | R_д (ц₂ — ц₃) |? д;

К = 1 при | R_д (ц₂ — ц₃) | < д.

Дифференциальные уравнения колебаний системы В уравнениях таблицы 4.1 ц_i — углы поворота элементов системы вокруг оси вращения; в_ij — коэффициенты демпфирования крутильных колебаний, вычисляемые по формулам:

для в₁₂ и в₅₆

в_ij = 0,01×2 v С_{i j} J_j; Нм/рад/с; (4.1)

для в₂₃ и в₄₅ и в₃₄

в_ij = 0,05×2 v С_{i j} J_j; Нм/рад/с; (4.2)

Значение жесткостей для базовой и новой муфт:

с₁₂ = 9,05×10⁶; Нм/рад;

с₂₃ = 1,3×10⁵; Нм/рад;

с₃₄ = 2,0×10⁵; Нм/рад;

с₄₅ = 2,0×10⁵; Нм/рад;

с₅₆ = 5,1×10⁶; Нм/рад.

Значение моментов инерции для базовой и новой муфт:

J₁ = 0,2535 кг м²;

J₂ = 0,6207 кг м²;

J₃ = 0,2250 кг м²;

J₄ = 0,2780 кг м²;

J₆ = 28 кг м².

Для базовой муфты момент инерции полуколец и фланца двигателя J₅ = 1,4522 кг м². Для новой муфты остаётся неизменным момент инерции полуколец J₅^/ = 0,8238 кг м². Моменты инерции кольца двигателя и поводка J₅^// и J₅^/// рассчитывают с помощью рисунка 4.2 в таблице 4.2.

Расчёт моментов инерции кольца двигателя и поводка

Таким образом, момент инерции кольца тягового электродвигателя J₅^// = 1,6499 кгм², момент инерции поводка J₅^/// = 0,8969 кг м², а суммарный момент инерции полуколец, кольца тягового электродвигателя и поводка J₅ = J₅^/ + J₅^// + J₅^/// = 0,8238 + 1,6499 + 0,8969 = 3,3706 кг м².

Сопротивление обмоток якоря, обмотки возбуждения и дополнительных полюсов равны соответственно:

ь r_я = 0,69 414 Ом;

ь r_в = 0,13 372 Ом;

ь r_д = 0,24 564 Ом.

Магнитная характеристика тягового электродвигателя

Далее линеаризуем магнитную характеристику построением касательной в точке, соответствующей часовому току тягового электродвигателя I_ч = 350 А (см. рис. 4.3.) и получаем величину индуктивности обмотки возбуждения по формуле [15, стр. 15]: