Моделирование и оптимизация внутренней конструкции кассетных подшипников для пространства колеи 1520

Abstract

Развитие скоростных пассажирских перевозок прочно связано с применением закрытых конических кассетных подшипниковых узлов. Вследствие того, что в упомянутых закрытых кассетных подшипниковых узлах не производится замена смазки, продукты износа на протяжении всего периода эксплуатации остаются внутри подшипника и в дальнейшем, накапливаясь, начинают работать как абразив, интенсифицируя износ подшипника почти экспоненциально. Для достижения высоких эксплуатационных показателей (8 лет службы или 800 тыс. км пробега без технического обслуживания) при проектировании закрытых подшипниковых узлов необходимо обеспечить предельное снижение износа. В статье рассмотрены основные особенности математического моделирования и оптимизации внутренней геометрии конических кассетных подшипников. Целью настоящего исследования стала разработка уточненных математических моделей для определения особенностей нагружения и напряженно-деформированного состояния, а также последующая оптимизация внутренней геометрии конических двухрядных кассетных подшипников для пространства железнодорожной колеи 1520. В качестве основного метода исследования был выбран метод конечных элементов. На первом этапе математическая модель включала находящиеся во взаимном нелинейном контактном взаимодействии адаптер, двухрядное наружное кольцо, конические ролики, два внутренних кольца, ось колесной пары, колесо и рельс. На втором этапе был исследован сам подшипниковый узел – закрытая коническая «кассета» для определения распределения нагрузки в окружном направлении. В результате проведенной работы были исследованы несколько типоразмеров конической кассеты двухрядных кассетных подшипников - 130х230 мм, 150х250 мм и 130х250 мм. Авторами была разработана комплексная мульти-контактная конечно-элементная модель для анализа напряженно-деформированного состояния, прочности и долговечности конической «кассеты» для пространства колеи 1520. Найдены основные закономерности напряженно-деформированного состояния и оптимальной внутренней геометрии конической кассеты.

Development of high-speed passenger transportation is closely related to the application of closed tapered cassette bearing units. Due to the fact that the above mentioned closed cassette bearing units do not have grease replacement, wear products remain inside the bearing during the whole operation period and later through increasing of their amount they start to work as an abrasive causing almost exponential intensified wear. To get high operational parameters (8 years of service life or 800 thousand kilometers of maintenance-free run) during designing of closed bearing units it is required to provide limited decrease of wear. Main features of mathematical simulation and optimization of inner geometry of tapered cassette bearings are considered in the paper. The goal of this research was development of specified mathematical models to define features of loading and stress-strain behavior as well as further optimization of inner geometry of double row tapered cassette bearings for 1520 gauge railways. Finite element method was taken as the main method of research. At the first stage mathematical model included adapter, double row outer ring, tapered rollers, two inner rings, wheel set axle, wheel and rail that were in mutual non-linear contact interaction. The bearing unit itself was explored at the second stage –closed tapered “cassette” to define distribution of loading in circumferential direction. In the result of performed work it was investigated several typical sizes of tapered cassette of double row cassette bearings – 130x230 mm, 150x250 mm and 130x250 mm. The authors developed complex multi-contact finite element model to analyze stress-strain behavior, strength and durability of tapered “cassette” for 1520 gauge railways. Main patterns of stress-strain behavior and optimum inner geometry of tapered cassette were developed.