Уточнений міцностний розрахунок та оптимізація внутрішньої геометрії циліндричних підшипникових вузлів

Автор(и)

  • Anatoliy Girshfeld ПАТ «У.П.Е.К.» вул. Маршала Батицького, 4, м. Харків, Україна, 61038, Україна https://orcid.org/0000-0002-3759-7280
  • Eduard Simson Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» вул. Кирпичова, 2, м. Харків, Україна, 61002, Україна https://orcid.org/0000-0003-4178-4828

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.204013

Ключові слова:

закритий підшипниковий вузол, бомбіна, ролик, мультиконтактна задача, метод скінчених елементів, математична модель

Анотація

Закриті підшипникові вузли для залізничного рухомого складу повинні забезпечувати 800.000 км або 8 років пробігу (а найближчим часом – 1 млн км та 10 років) без будь якого обслуговування. Для досягнення настільки високих експлуатаційних показників необхідно вже під час проектування закритих підшипникових вузлів забезпечити практичну відсутність зносу протягом майже всього вказаного пробігу.

Наведені результати оптимального проектування елементів внутрішньої геометрії закритих підшипників на уточнених математичних моделях на прикладі циліндричного буксового підшипникового вузла «DUPLEX» для рухомого складу простору колії 1520. Основною математичною моделлю було обрано геометричну нелінійну контактну задачу теорії пружності, для вирішення якої авторами використовувався метод скінчених елементів.

Розроблено оригінальну нелінійну скінчено-елементну модель мультиконтактної задачі, яка враховує: контактні деформації «рейка-колесо», деформування осі колісної пари, деформування букси та кілець підшипника при контактній взаємодії зі всіма роликами. Модель дозволяє уточнити розподіл навантажень в окружному напрямку та, відповідно, – максимальне навантаження на ролик. Ця ж модель може бути використана в том числі для аналізу зносу гребня колеса та впливу різнозазорності на знос підшипника.

Розроблено математичну модель та цільову функцію для оптимізації профіля ролика («бомбіни», твірної бокової поверхні обертання) з урахування накопичення пошкоджень від «нерегулярного» навантаження точок поверхні ролика від контактів як з зовнішнім, так і внутрішнім кільцем.

Проведена оптимізація форми контактуючих в осьовому напрямку торця ролика та робочого борта кільця, в результаті якої встановлено, що оптимальними є «антропологічні форми» опуклого торця ролика та увігнутого борта кільця. Для технологічного спрощення конструкції замість увігнутого борта кільця прийнято варіант з конічною поверхнею борту з оптимальним значенням «розвалу»

Біографії авторів

Anatoliy Girshfeld, ПАТ «У.П.Е.К.» вул. Маршала Батицького, 4, м. Харків, Україна, 61038

Президент

Eduard Simson, Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» вул. Кирпичова, 2, м. Харків, Україна, 61002

Доктор технічних наук, професор, Лауреат державної премії України в галузі науки та техніки, заслужений діяч науки та техніки України

Кафедра механіки суцільних середовищ та опору матеріалів

Посилання

  1. Harris, T. A., Kotzalas, M. N. (2006). Essential Concepts of Bearing Technology. CRC Press, 392. doi: https://doi.org/10.1201/9781420006599
  2. Brändlein, J., Eschmann, P., Hasbargen, L., Weigahd, K. (1999). Ball and Roller Bearings: Theory, Design and Application. Wiley, 642.
  3. Harnoy, A. (2002). Bearing Design in Machinery. Engineering Tribology and Lubrication. CRC Press, 664. doi: https://doi.org/10.1201/9780203909072
  4. Mason, M. A., Cartin, C. P., Shahidi, P., Fetty, M. W., Wilson, B. M. (2014). Hertzian Contact Stress Modeling in Railway Bearings for Assorted Load Conditions and Geometries. 2014 Joint Rail Conference. doi: https://doi.org/10.1115/jrc2014-3846
  5. Yang, K., Zhang, G., Wang, Y. W., Cai, S. (2019). Finite element analysis on contact stress of high-speed railway bearings. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 504, 012073. doi: https://doi.org/10.1088/1757-899x/504/1/012073
  6. Gopalakrishnan, T., Murugesan, R. (2015). Contact analysis of roller bearing using finite element method. Vels Journal of Mechanical Engineering, 2 (2), 30–33. Available at: https://www.researchgate.net/publication/305768098_CONTACT_ANALYSIS_OF_ROLLER_BEARING_USING_FINITE_ELEMENT_METHOD
  7. Pandiyarajan, R., Starvin, M. S., Ganesh, K. C. (2012). Contact Stress Distribution of Large Diameter Ball Bearing Using Hertzian Elliptical Contact Theory. Procedia Engineering, 38, 264–269. Available at: https://cyberleninka.org/article/n/531103
  8. Shah, D. B., Patel, K. M., Trivedi, R. D. (2016). Analyzing Hertzian contact stress developed in a double row spherical roller bearing and its effect on fatigue life. Industrial Lubrication and Tribology, 68 (3), 361–368. doi: https://doi.org/10.1108/ilt-06-2015-0082
  9. Nabhan, A., Ghazaly, N. (2015). Contact Stress Distribution of Deep Groove Ball Bearing Using ABAQUS. Journal of the Egyptian Society of Tribology, 12 (1), 49–61. Available at: https://www.academia.edu/25070023/Contact_Stress_Distribution_of_Deep_Groove_Ball_Bearing_Using_ABAQUS
  10. Pușcașu, A. M., Lupescu, O., Bădănac, A. (2017). Analysis of cylindrical roller bearings design in order to optimize the classical process using FEM. MATEC Web of Conferences, 112, 06017. doi: https://doi.org/10.1051/matecconf/201711206017
  11. Li, S., Motooka, M. (2017). A finite element method used for contact analysis of rolling bearings. The 8th International Conference on Computational Methods (ICCM2017). Available at: https://www.sci-en-tech.com/ICCM2017/PDFs/2199-9211-1-PB.pdf
  12. Demirhan, N., Kanber, B. (2008). Stress and Displacement Distributions on Cylindrical Roller Bearing Rings Using FEM#. Mechanics Based Design of Structures and Machines, 36 (1), 86–102. doi: https://doi.org/10.1080/15397730701842537
  13. Hao, X., Gu, X., Zhou, X., Liao, X., Han, Q. (2018). Distribution characteristics of stress and displacement of rings of cylindrical roller bearing. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 233 (12), 4348–4358. doi: https://doi.org/10.1177/0954406218820551
  14. Lin, F., Zhao, Y. X. (2008). Finite Element Analysis on the Fatigue Stresses of a Railway Vehicle Roller Bearing. Advanced Materials Research, 44-46, 935–941. doi: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amr.44-46.935
  15. Chen, G., Wang, H. (2016). Contact stress and radial stiffness of a cylindrical roller bearing with corrected roller generator. Transactions of the Canadian Society for Mechanical Engineering, 40 (5), 725–738. doi: https://doi.org/10.1139/tcsme-2016-0059
  16. Tong, V.-C., Hong, S.-W. (2017). Modeling and analysis of double-row cylindrical roller bearings. Journal of Mechanical Science and Technology, 31 (7), 3379–3388. doi: https://doi.org/10.1007/s12206-017-0627-x
  17. Simson, E. A., Anatskiy, Yu. P., Ovcharenko, V. V., Trohman, M. V., Zenkevich, Yu. A. (2009). Optimizatsiya obrazuyushchey poverhnosti rolika podshipnika kacheniya. Vestnik Nats. tehn. un-ta "KhPI", 30, 8–11. Available at: http://library.kpi.kharkov.ua/files/Vestniki/2009_30.pdf
  18. Simson, E. A., Anatskiy, Yu. P., Ovcharenko, V. V., Trohman, M. V., Zenkevich, Yu. A. (2009). Optimizatsiya bortov kolets i tortsevoy poverhnosti rolika podshipnika kacheniya. Vestnik Nats. tehn. un-ta "KhPI", 42, 8–11. Available at: http://library.kpi.kharkov.ua/files/Vestniki/2009_42.pdf
  19. Wang, Z. W., Meng, L. Q., Hao, W. S., Zhang, E. (2010). Finite Element Method Analysis and Optimal Design of Roller Convexity of Tapered Roller Bearing. Advanced Materials Research, 139-141, 1079–1083. doi: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amr.139-141.1079
  20. Hirshfeld, A. M., Anatskyi, Y. P., Simson, E. A., Ovcharenko, V. V. (2009). Pat. No. 44588. Method for designing optimal geometric parameters of contacting end surfaces of roller bearing. No. u200903804; declareted: 17.04.2009; published: 12.10.2009, Bul. No. 19.
  21. Ovcharenko, V. V., Simson, E. A., Hirshfeld, A. M., Anatskyi, Y. P. (2009). Pat. No. 44969. Method for designing optimal geometric parameters of generatrix of working surface of roller of roller bearing. No. u200903761; declareted: 17.04.2009; published: 26.10.2009, Bul. No. 20.
  22. Girshfel'd, A. M., Rukavishnikov, V. F., Semykin, S. I., Shcherbina, A. V. (2009). Pat. No. 2425767 RF. Buksoviy podshipnikoviy uzel. declareted: 14.12.2009; published: 10.08.2011.
  23. Girshfel'd, A. M., Simson, E. A., Ovcharenko, V. V. (2010). Pat. No. 98790 RF. Rolikoviy podshipnik.

##submission.downloads##

Опубліковано

2020-06-30

Як цитувати

Girshfeld, A., & Simson, E. (2020). Уточнений міцностний розрахунок та оптимізація внутрішньої геометрії циліндричних підшипникових вузлів. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3(7 (105), 66–78. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.204013

Номер

Том 3 № 7 (105) (2020): Прикладна механіка

Розділ

Прикладна механіка

Ліцензія

Авторське право (c) 2020 Anatoliy Girshfeld, Eduard Simson

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.