Главная Минимаркер Железнодорожный транспорт Минимаркер Вагоны Минимаркер Колеса вагонов

Колеса вагонов

Страница 3 из 12

В процессе движения вагона поверхность катания колеса постоянно находится в контакте с рельсами и подвержена интенсивному действию различных нагрузок. Колесо, соприкасаясь с рельсом малой поверхностью (около 2,5 см2), передает ему большие статические (60–110 кН) и динамические нагрузки. В результате в месте соприкосновения колес с рельсом возникают значительные деформации и большие контактные напряжения. При движении по кривым, а также на прямых участках пути вследствие извилистого движения колесной пары или разницы диаметров колес, посаженных на одну ось, происходит скольжение (трение о рельсы) колес, которое приводит к скалыванию и смятию мелких выступающих неровностей на поверхности катания. Силы трения при скольжении колеса по рельсу достигают значительной величины и вызывают большой износ, приводящий к образованию ползунов. В процессе торможения между колесом и тормозной колодкой развиваются большие силы трения, вызывающие интенсивный нагрев обода колеса, что может способствовать образованию трещин на поверхности катания. Удары о стыки рельсов способствуют образованию поверхностных дефектов и более быстрому выходу колес из строя.

Вагонные колеса по своей конструкции делятся на две основные группы:

  1. безбандажные (цельные);
  2. бандажные (составные, т. е. состоящие из бандажа, колесного центра и предохранительного кольца).

Безбандажные колеса в зависимости от материала делятся на стальные и чугунные. По способу изготовления стальные колеса могут быть катаные и литые.

Бандажные колеса по конструкции колесного центра разделяются на дисковые и спицевые. Колесные центры в зависимости от способа изготовления бывают катаные, литые, кованые и штампованные. По материалу колесные центры делятся на стальные и чугунные. Известны колесные центры, изготовленные из легких сплавов и других материалов.

Кроме того, колеса различаются в зависимости от размеров диаметра круга катания и размеров ступицы, зависящих от типа оси. Безбандажные стальные колеса в зависимости от толщины обода используются с несколькими или одной-двумя переточками, а также без переточки изношенной поверхности катания.

Помимо обычных колес, изготовленных из стали или чугуна и потому являющихся сравнительно жесткими конструкциями, известны упругие колеса (с применением резиновых прокладок или пневматики).

Преобладающими конструкциями являются колеса, неподвижно укрепленные на оси и вместе с ней вращающиеся. Однако встречаются вращающиеся на неподвижной оси колеса. Более сложное соединение оси с колесами имеется в опытных колесных парах, предназначенных для движения по железным дорогам с разной шириной колеи.

Элементами конструкции колеса являются обод (1) (рис. 1), диск (2) и ступица (3). В наиболее сложных условиях нагружения находится обод и особенно та его поверхность, которой он катится по рельсу (поверхность катания). Металл обода должен обладать большой прочностью, ударной вязкостью, износостойкостью; металл ступицы, удерживающейся на оси силами упругости, – необходимой вязкостью. Упругость также желательна для металла диска. Эти требования удовлетворяются в конструкции составного колеса, где бандаж изготовляется из стали высокой прочности и твердости, а колесный центр – из более вязкой и дешевой стали. При достижении предельного износа или появлении другого повреждения бандаж можно заменить без смены колесного центра.

Цельнокатаное колесо

Рис. 1 – Цельнокатаное колесо

Однако по сравнению с цельными колесами бандажным колесам присущи значительные недостатки: меньшие прочность и надежность (возможность ослабления бандажа, часто появляются трещины в колесах и сдвиги колес с оси), большая трудоемкость формирования колесной пары (необходимость расточки и насадки бандажей), большая масса (на 36 кг для колеса диаметром 950 мм). Эти недостатки особенно существенно сказываются при повышении скорости движения поездов и увеличении нагрузок на колеса. Поэтому бандажные колеса заменены безбандажными, из которых наиболее совершенными являются цельнокатаные.

Цельнокатаные колеса для вагонов широкой колеи железных дорог (см. рис. 1) изготовляют по ГОСТ 9036–76. От колес прежней конструкции такие колеса отличаются более рациональным распределением металла по сечению диска и ступицы, меньшим уклоном внутренней поверхности обода, отсутствием отверстий для водил колесотокарного станка (являются концентраторами напряжений), а также ужесточением допусков на отклонения размеров отдельных элементов, в результате чего достигается уменьшение дисбаланса колеса. Масса колеса составляет 385 кг. Введение таких облегченных (на 20 кг каждое) колес позволяет ежегодно экономить 26 млн. руб. и много металла.

Облегченные колеса имеют номинальный размер диаметра по кругу катания 950 и 1050 мм, причем колеса второго размера предназначены только для замены неисправных в колесных парах типов III-1050 и РУ-1050, применяемых в некоторых вагонах прежней постройки. Диаметр d (см. рис. 1) предварительно обработанного отверстия ступицы обычно равен 190–4 мм. Согласно ГОСТ 10791–64 цельнокатаные колеса изготовляют из стали, содержащей (в %): углерода – 0,52–0,63; кремния – 0,20–0,42; марганца – 0,5–0,9; фосфора – не более 0,035 и серы – не более 0,04. Механические свойства термически обработанных колес должны соответствовать следующим нормам: временное сопротивление 880–1080 МПа, относительное удлинение не менее 10%, относительное сужение не менее 16%, твердость по Бринеллю не менее 248 единиц, ударная вязкость при температуре +20°С не менее 0,2 МДж/м2.

Цельнокатаные колеса отличаются от колес других типов более высокой эксплуатационной надежностью, особенно после осуществленного в последние годы усовершенствования технологии их изготовления (прерывистая закалка с отдельного нагрева и последующий отпуск, выполняемые после механической обработки колес).

В связи со сложностью оборудования, необходимого для изготовления цельнокатаных колес, в некоторых странах (например, США) получили распространение стальные литые колеса. Для повышения прочности обода таких колес применяют центробежную отливку, а для увеличения износостойкости поверхности катания в металл обода вводят марганец или другие легирующие элементы. В США применяют также колеса, отлитые из стали с высоким содержанием углерода (1,35–1,55%). Однако эти колеса запрещены для использования в вагонах, перевозящих опасные грузы.

Отечественный опыт применения стальных литых колес показал, что такие колеса по прочности и износостойкости уступают цельнокатаным.

Технология изготовления колеса

Технологический процесс изготовления стальных цельнокатаных колес состоит из операций (рис. 2) ковки, прессовки, прокатки, выгибки и термической обработки. Заготовки для колес диаметром 950 мм, массой 475–500 кг вырезают из многогранных слитков на станках. Затем заготовки помещают в методические печи, нагревают равномерно в течение 5–6,5 ч до температуры 1260–1280°С, подают под гидравлический пресс усилием 3500 тс и подвергают сначала свободной обжимке до уменьшения высоты в два раза, а потом вторичной обжимке в подкладном штампе со сверлением отверстия в центре. После этого заготовку подают под второй пресс усилием 7000 тс и ее снова обжимают, придавая форму колеса с окончательными размерами диска у ступицы и отверстия в ней, и направляют на прокатный стан для получения необходимой формы диска у обода, обода и поверхности катания с гребнем. С прокатного стана колесо подают на пресс усилием 2500 тс, где штампом выгибают диск и калибруют колесо.

Схема технологического процесса изготовления цельнокатаного колеса

Рис. 2 – Схема технологического процесса изготовления цельнокатаного колеса: а – заготовка; б – последовательность операций; в – прокатка на стане; 1 – приводные обжимные валки; 2 – нажимные валки; 3 – направляющие валки; 4 – главный приводной валок

На наружной грани обода каждого колеса, находящегося в горячем состоянии, штампуют знаки и клейма (рис. 3).

Знаки и клейма на наружной грани обода цельнокатаного колеса

Рис. 3 – Знаки и клейма на наружной грани обода цельнокатаного колеса: 1 – дата изготовления; 2 – номер плавки; 3 – приемочные клейма; 4 – условный номер завода-изготовителя; 5 – номер колеса

После прокатки колеса направляют на станки для механической обработки поверхности катания, гребня, внутренней грани обода, наружного торца ступицы и предварительной ее расточки. В диске сверлят отверстия диаметром 55 мм. Для получения требуемых механических свойств колеса после обработки подвергают закалке и отпуску. Для этого колеса одной плавки загружают в кольцевые печи и нагревают в течение 2–3 часа до температуры 860–880°С. Затем охлаждают на вращающихся столах обрызгиванием поверхности катания колес водой, подогретой до температуры 30–40°С, в течение 90–140 секунд. Колеса с закаленной поверхностью катания подвергают отпуску в печах: нагревают до температуры 480–520°С, после выдержки в течение 2,5–3 часа при этой температуре вынимают из печи и охлаждают.

Механические свойства термически обработанных колес должны соответствовать следующим нормам: временное сопротивление 880–1080 МН/м2; относительное удлинение не менее 10%; относительное сужение не менее 16% и твердость НВ 2430 (248).

Цельнокатаные колеса после проверки химического состава и механических свойств подвергают ударному испытанию, для чего колесо (2) (рис. 4) кладут горизонтально гребнем вверх на металлическое опорное кольцо (3) толщиной не менее толщины обода колеса. Кольцо (массой не менее 5 т), расположенное на шаботе, предназначается для того, чтобы при ударе па ступице деформировался главным образом диск колеса.

Установка цельнокатаного колеса при испытании на удар

Рис. 4 – Установка цельнокатаного колеса при испытании на удар

При испытании используется груз (1) массой 1 т, свободно падающий последовательно с высоты 1,5; 3; 4,5 и 6 м до тех пор, пока суммарная работа А всех ударов не достигнет требуемой величины:

А ≥ 1,32Rl,

где 1,32 – постоянный коэффициент;

R – радиус, измеренный от центра колеса до внутренней грани обода со стороны гребня, мм;

l – толщина диска в месте сопряжения с переходной криволинейной поверхностью от ступицы к диску, мм.

После такого испытания на колесе не должно быть каких-либо трещин, надрывов и других признаков разрушения.

Профили колеса

Для рационального взаимодействия колес и рельсового пути важное значение имеет форма поверхности катания – профиль колеса. На (рис. 5, а) показан стандартный профиль поверхности катания, который имеет колесо после обточки. Этот профиль характеризуется наличием гребня высотой 28 мм и толщиной 33 мм, измеренной на расстоянии 18 мм от вершины, конической поверхности катания с конусностями 1:10 и 1:3,5 и фаски 6×6 мм.

Профили поверхности катания

Рис. 5 – Профили поверхности катания: а – стандартный; б – рекомендуемый ВНИИЖТ

Гребень, предохраняющий колесную пару от схода с рельсов, имеет угол наклона наружной грани 60°. Коническая поверхность в отличие от цилиндрической предотвращает образование неравномерного по ширине колеса износа (проката), облегчает прохождение кривых и центрирует колесную пару в прямых участках пути. Однако из-за конической формы поверхности катания появляется извилистое движение колесной пары, изучаемое в курсе «Динамика вагона». Поверхностью, расположенной у наружной вертикальной грани, колесо реже опирается на рельс, поэтому она меньше изнашивается, чем основная поверхность контакта. Благодаря наличию конусности 1:3,5 и фаски наружная грань колеса приподнимается над головкой рельса, чем облегчается прохождение стрелочных переводов при наличии проката или наплыва металла на колесе.

Поскольку колесо имеет коническую поверхность, его диаметр, величину проката и толщину обода измеряют в определенной плоскости – по кругу катания, находящемуся на расстоянии 70 мм от внутренней грани колеса. Расстояние между кругами катания колес у вагонов широкой колеи железных дорог составляет 1580 мм при номинальном размере 1440 мм.

ВНИИЖТ предложен новый профиль вагонного колеса (рис. 5, б). Опыты показали, что колеса с таким профилем имеют в 1,2–1,3 раза меньший износ гребней. Увеличение угла наклона наружной грани гребня до 65° повышает безопасность движения (устойчивость колесной пары на рельсах). Например, при движении со скоростью 55 м/с (200 км/ч) коэффициент безопасности от схода с рельсов увеличивается на 30%.

Аналогичный профиль колеса введен в ряде стран Европы. При этом угол наклона наружной грани гребня увеличен до 70°. По исследованиям Международного союза железных дорог, благодаря применению нового профиля снижается износ колеса на 30%, уменьшается вероятность схода с рельсов (при больших скоростях движения в 1,5 раза), улучшается плавность хода. По данным английских исследователей, пробег колесных пар без обточки поверхности катания возрастает на 50% по сравнению с колесами прежнего профиля.

Улучшение плавности хода за счет уменьшения частоты колебаний виляния, особенно существенных при больших скоростях движения, достигается также путем замены конусности 1:10 на конусность 1:20. Колеса с такой конусностью применяются для вагонов скоростных линий Японии и в ряде других стран, а во Франции и Швейцарии – для всех пассажирских вагонов. Конусность 1:20 имеют колеса некоторых вагонов железных дорог нашей страны, к которым предъявляются повышенные требования по плавности хода.

Переход на новый профиль колеса связан с необходимостью модернизации колесотокарных станков и измерительных приборов. Кроме того, при обточке изношенных колес, возможно, придется снимать стружку большой толщины. Исследования по совершенствованию профиля колеса продолжаются.

Упругое колесо

Для улучшения взаимодействия колесной пары и пути за счет снижения сил, обусловленных необрессореннымн массами, улучшения плавности хода и уменьшения возникающего при его движении шума во многих странах предпринимаются попытки создания упругих колес. Своеобразным прототипом упругого колеса является применявшаяся на отечественных железных дорогах конструкция колеса с деревянным диском. Одна из современных конструкций упругих колес показана на (рис. 6). Бандаж обычным способом соединен с ободом (1) таврового сечения, который посредством резиновых прокладок (2) и (3) связан с дисками (4) и (5), приваренными к ступице (6); сварка выполнена швами (7) и (8). Диски также связаны между собой приваренными к ним пальцами (9).

Упругое колесо

Рис. 6 – Упругое колесо

Резиновые прокладки привулканизированы к прилегающим к ним металлическим поверхностям и при сборке колеса подвергнуты предварительному сжатию.

Основным видом деформации, возникающей в прокладках от эксплуатационных нагрузок, является сдвиг, что наиболее целесообразно для резиновых элементов. Размещение резиновых прокладок обеспечивает их защиту от воздействия ультрафиолетовых лучей, кислорода воздуха, масла и т. п. При изготовлении (сварка) и ремонте (смена бандажа, наплавка гребня, обточка поверхности катания) предусмотрены меры по защите резиновых элементов от повреждений. Проведенные испытания показали достаточную прочность и долговечность стальных и резиновых частей.

При толщине резиновых прокладок по 15 мм их прогиб от вертикальной нагрузки на колесо 5 т составляет 3 мм; напряжение сдвига в резине равно 1,5 кг/см2. Ударное усилие, передающееся от бандажа к оси, у такого колеса на 20–25% меньше, чем у стального. Колеса с резиновыми прокладками испытываются в вагонах Московского метрополитена. Испытаниями установлено, что применение таких колес обеспечивает резкое снижение ускорений необрессоренных масс вагона, а также уменьшение вертикальных и горизонтальных ускорений обрессоренных частей, боковых сил, передающихся на раму тележки, и коэффициентов динамики. Примененное в первых опытных конструкциях колес болтовое крепление их элементов недостаточно ненадежно. Поэтому более целесообразна сварная конструкция колеса с резиновыми прокладками (рис 7).

Упругое колесо вагонов Московского метрополитена

Рис. 7 – Упругое колесо вагонов Московского метрополитена

Резиновые прокладки хорошо гасят высокочастотные (в том числе и шумовые) колебания. Наибольший интерес упругие колеса представляют при создании пассажирских вагонов, предназначенных для движения с большими скоростями и высоким уровнем комфорта.

Иная конструкция упругих колес, в которых вместо резиновых прокладок имеются пневматические шины, применяется в вагонах парижского метрополитена.


© 2013 - 2017 Учебно-образовательный портал "Все лекции"
Материалы, представленные на страницах нашего сайта, созданы авторами сайта, присланы пользователями, взяты из открытых источников и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Все авторские права на материалы принадлежат их законным авторам.
Разработка сайта - Скобелев Алексей





Яндекс.Метрика