Главная Минимаркер Железнодорожный транспорт Минимаркер Вагоны Минимаркер Вагонные оси

Вагонные оси

Страница 2 из 12

Вагонная ось представляет собой стальной брус круглого, переменного по длине поперечного сечения в зависимости от назначения отдельных частей и усилий, возникающих в них.

По своей конструкции оси различаются:

  • размерами основных элементов – в зависимости от величины воспринимаемой нагрузки;
  • формой шейки – для подшипников скольжения или качения (роликовых);
  • формой поперечного сечения – сплошные или полые.

Кроме этих признаков, определяющих конструкцию, оси классифицируются по материалу и технологии изготовления.

В окончательно обработанных вагонных осях различают следующие части (рис. 1): шейки с буртами или с резьбовой частью, предподступичные и подступичные части, галтели (переходные поверхности) и среднюю часть.

Шейки (3) имеют цилиндрическую форму и служат для размещения на них подшипников. Поверхность шеек обтачивают, шлифуют и накатывают роликами. У осей для подшипников скольжения шейки оканчиваются буртиками (7) (рис. 1, в), препятствующими смещению буксового подшипника в наружную сторону.

У осей для подшипников качения буртов нет (рис. 1, а, б), на концах оси (см. рис. 1, а) имеется резьба (4) для навинчивания гайки, а на торцах шейки – пазы (5) и два отверстия для размещения и крепления болтами стопорной планки. В направлении к средней части оси от шейки расположены предподступичные части (2), являющиеся переходными от шейки к подступичной части. Кроме того, на предподступичной части размещаются задние уплотняющие детали букс.

Вагонные оси

Рис. 1 – Вагонные оси

На подступичные части (1) оси напрессовывают колеса. Эти части имеют наибольший диаметр. Шероховатость их поверхности после токарной обработки должна быть не ниже 5-го класса и после накатки – 7-го класса. Для избежания концентрации напряжений все переходные поверхности оси выполнены в виде поверхностей, образующие которых являются кривыми определенного радиуса. Эти переходные поверхности называются галтелями. Переход от предподступичной части оси к подступичной осуществляется галтелью радиусом 20 мм.

Средняя часть оси, имеющая конический переход к подступичным частям, обрабатывается на токарном станке. Обработанная поверхность должна соответствовать 5-му классу шероховатости. Обточка средней части оси устраняет концентраторы напряжений, оставшиеся после ковки оси в виде неровностей, плен, закатов и других пороков, в результате чего повышается долговечность оси. Упрочнение осей накатыванием существенно повышает предел выносливости оси. Оси колесных пар, оборудованные дисковым тормозом или приводом генератора, имеют посадочные места под ступицу тормозного диска или редукторного зубчатого диска.

Для установки оси или колесной пары на центры токарных станков в середине торцов оси имеются отверствия (6), называемые центрами.

Форма и размеры центров для оси с подшипниками качения (рис. 2, а) и подшипниками скольжения (рис. 2, б) установлены ГОСТом. Кроме того, на каждом торце оси для подшипников скольжения наносятся контрольные окружности (рис. 2, е) диаметром 100 мм, внутри которых размещаются клейма, наносимые после изготовления, формирования, ремонта и очередного освидетельствования. В случае повреждения или износа отверстия центра оно должно быть восстановлено, ориентиром в этом случае служит контрольная окружность.

Центровые отверстия на торце шейки оси и контрольная окружность

Рис. 2 – Центровые отверстия на торце шейки оси и контрольная окружность

Оси вагонных колесных пар отличаются длиной и диаметром шеек, расстоянием между их серединами, общей длиной оси, диаметром подступичных и предподступичных частей (табл. 2), а также типом подшипника. В зависимости от назначения, типа, грузоподъемности и осности вагонов под них ставят различные оси.

В таблице 1 приведены регламентированные ГОСТ 22780–77 основные размеры (рис. 1) и допускаемая нагрузка для стандартных осей вагонов, кроме вагонов электро- и дизель-поездов.

Таблица 1

11042014_f3

Многообразие нагрузок, действующих на колесную пару при ее вращении, создает нестационарный режим загружения оси и вызывает в ней знакопеременные напряжения с различными амплитудами. Поэтому к материалу и способу обработки осей предъявляются высокие требования. В связи с повышенными скоростями движения пассажирских вагонов для обеспечения безопасного движения нагрузки на ось в них уменьшены по-сравнению с грузовыми вагонами.

Ось типа РУ отличается от оси III типа меньшим диаметром шейки, поскольку при роликовых подшипниках отпадает потребность в значительном резерве на возможные в эксплуатации переточки шеек, характерные для осей с подшипниками скольжения.

Уменьшение диаметра шейки оси позволяет уменьшить размеры, массу и стоимость буксового узла с роликовыми подшипниками, а также снизить динамические нагрузки, обусловленные этой массой. Поэтому оси РУ1 и РУ1Ш, предназначенные для подшипников с наружным диаметром 250 мм, имеют еще меньшие диаметр и длину шейки по сравнению с осью РУ, используемой для подшипников с диаметром 280 мм.

Материал вагонной оси изготовляют из углеродистой стали марки ОсВ, которая согласно ГОСТ 4728–79 имеет следующий химический состав (в %): углерода – 0,40–0,48; марганца – 0,55–0,85; кремния – 0,15– 0,35; фосфора – не более 0,04; серы – не более 0,045; хрома – не более 0,3; никеля – не более 0,3; меди – не более 0,25. Механические свойства металла оси после ее изготовления согласно ГОСТ 4008–79 должны удовлетворять нормам, указанным в таблице 2. Гарантийной срок эксплуатации оси установлен 8,5 лет, а срок службы – 15 лет.

Таблица 2

11042014_f4

Изготовление вагонной оси. Оси изготовляют из заготовки ковкой на молотах или прессах. Процесс изготовления оси состоит в следующем (рис. 3): заготовку сечением 210×210 мм, нагретую в методической печи до температуры 1100–1170°С, подают под пресс или молот и куют сначала одну половину оси, а затем другую в определенной последовательности (позиции 1–4). Ковку заканчивают при температуре 800–860°С.

Схема технологического процесса свободной ковки оси

Рис 3 – Схема технологического процесса свободной ковки оси

В процессе ковки придается определенная форма оси и улучшается структура металла. Ось после ковки охлаждают на воздухе до температуры 450°С, а затем загружают в печь и медленно нагревают до температуры 850–870°С с последующей выдержкой в течение 1,5 ч, затем быстро охлаждают в камере до температуры 550–600°С. Далее ось перемещают в камеру медленного охлаждения, где она остывает до температуры 70–80°С. В результате термической обработки, которая ведется в специальной печи при автоматической регистрации заданных режимов, значительно улучшаются механические свойства металла.

Каждую поковку осматривают, обмеряют и проверяют дефектоскопом. На осях не должно быть расслоений, следов усадочных раковин, трещин, песочин и волосовин. Глубина наружных пороков на поверхности черных осей, подлежащих обработке, не должна превышать 75% припуска на обработку оси. Для определения глубины залегания видимых дефектов завод-поставщик должен делать пробные местные вырубки.

На оси, удовлетворяющие утвержденным нормам, наносят клейма (рис. 4), которые обводят масляной краской. При обработке заготовки оси на токарных станках заводские клейма, поставленные на нее в горячем состоянии, переносятся на торец (рис. 4, б и в).

Знаки и клейма, нанесенные на ось колесной пары

Рис. 4 – Знаки и клейма, нанесенные на ось колесной пары: а – на цилиндрическую поверхность необработанной оси; б, в – на торец обработанной оси соответственно для подшипников скольжения и качения; 1 – условный номер завода-изготовителя; 2 – дата изготовления оси; 3 – приемочные клейма; 4 – номер плавки; 5 – номер оси; 6 – условный номер пункта, перенесшего знаки маркировки с подступичной части на торец; 7 – знак формирования; 8 – условный номер завода или вагоноколесной мастерской (ВКМ), производивших формирование; 9 – дата формирования; 10 – контрольная окружность; 11 – клеймо инспектора отдела технического контроля (ОТК) или колесного мастера

Изготовленные оси испытывают на прочность. Для этого одну ось из партии не более 100 штук, предъявляемой к сдаче, испытывают под копром. Ось укладывают на две опоры, расположенные на расстоянии 1,5 м одна от другой, и посередине нее наносят пять ударов свободно падающим грузом массой 1000 кг. Высота подъема груза определяется по формуле

H = D2/3700

где D – фактический диаметр средней части оси, мм.

После первого и третьего ударов испытываемую ось поворачивают на 180°. После испытания ось не должна иметь изломов, трещин и других признаков разрушения. Температура осей при испытании с помощью копра должна быть не выше 50°С.

Для определения механических свойств материала оси из наименее деформированной части оси, подвергавшейся ударному испытанию, вырезают брусок сечением 50×50 мм, из которого вытачивают образец диаметром d = 20 мм и длиной l = 100 мм и затем испытывают.

Вагонные оси изготовляют также методом поперечно-винтовой прокатки заготовок на трехвалковом стане (рис. 5). Форма и размеры осей после прокатки приближаются к ее чистовым размерам с минимальным припуском для механической обработки.

Схема изготовления стандартных (а) и пустотелых осей поперечно-винтовой прокаткой (б)

Рис. 5 – Схема изготовления стандартных (а) и пустотелых осей поперечно-винтовой прокаткой (б)

Поскольку нестационарный режим нагружения при вращении колесной пары вызывает в оси знакопеременные напряжения с амплитудами изменяющейся величины, большое значение имеют меры по повышению предела выносливости осевой стали. К таким мерам относятся обточка средней части оси и упрочнение всей оси накаткой роликами, а также контроль ультразвуком, позволяющий выявить оси с крупнозернистой структурой металла. Целесообразность и способы осуществления таких мероприятий рассматриваются в курсе «Технология вагоностроения и ремонта вагонов». Там же объясняется процесс изготовления осей способом поперечно-винтовой прокатки. В результате поперечно-винтовой прокатки расход металла на заготовку оси сокращается на 15%. Такой оси присвоен Государственный знак качества, а специалисты, создавшие прокатный агрегат «250» и комплексную технологию массового производства осей, в 1978 г. были удостоены Государственной премии.

Повышение усталостной прочности материала оси может быть также достигнуто совершенствованием термической обработки. Например, индукционная закалка по сравнению с обычной термообработкой, согласно японским исследованиям, повышает предел выносливости вдвое. Однако, как показали выполненные исследования, при этом резко снижается прочность прессового соединения таких осей с колесами.

Как известно, напряжения поперечного изгиба распределяются неравномерно по сечению детали, достигая наибольшей величины в наружных волокнах и наименьшей – во внутренней части. Поэтому для рассматриваемых условий целесообразно заменить сплошное сечение полым. Например, вал полого (кольцевого) сечения с наружным диаметром 125 мм и внутренним 75 мм имеет площадь сечения, а следовательно, и массу на 30% меньше, чем вал сплошного сечения диаметром 120 мм, хотя моменты сопротивления изгибу и кручению (прочность) сечений обоих валов одинаковы.

На этом основано стремление применять полые оси колесных пар вместо осей сплошного сечения. Кроме того, при изготовлении полых осей удается достичь улучшения структуры и механических свойств металла. Например, по данным Ассоциации американских железных дорог, предел выносливости полой оси, изготовленной из толстостенной трубы, составлял 132 МПа в средней части и 93 МПа в месте напрессовки колеса, а у осей сплошного сечения эти показатели соответственно равны 121 и 62–83 МПа

Изучались оси, изготовленные из толстостенных труб путем высадки шеек и подступичных частей, полученные центробежной отливкой, выполненные высверливанием внутренней части. Учитывается опыт применения полых осей для отечественных локомотивов и за рубежом. Колесные пары с полыми осями применяют на железных дорогах Швейцарии и некоторых других стран Западной Европы. Однако создание надежных колесных пар с полыми осями является сложной задачей, о чем, в частности, свидетельствует опыт США. В 1943 г. там для массового изготовления полых осей был создан специальный цех, но впоследствии из-за частого повреждения такие оси стали изымать из эксплуатации.

При создании колесных пар с полыми осями особое внимание уделяется обеспечению надежного соединения колеса с осью. Это объясняется тем, что в первых опытных партиях колесных пар с полыми осями усилия, необходимые для распрессовки колес, оказались ниже усилий напрессовки. У колесных пар со сплошными осями распрессовочные усилия, по которым судят о прочности соединения колеса с осью, обычно больше напрессовочных.

Снижение распрессовочных усилий может быть объяснено остаточными деформациями полой оси. Такие деформации снижаются при насадке на ось колеса со ступицей уменьшенной толщины и увеличенной длины, но в такой конструкции интенсивнее развивается коррозия трения, снижающая предел выносливости оси.

В 1964–1965 гг. Уральский вагоностроительный завод изготовил опытную партию полых осей (1000 шт.). В отличие от американских и прежних отечественных конструкций эти полые оси имели диаметр подступичных частей больший, чем у сплошных осей. При этом использовались стандартные колеса за счет соответствующей расточки отверстия в ступице. Колесные пары, сформированные с такими полыми осями, подвергались лабораторным и эксплуатационным испытаниям. Было установлено, что предел выносливости во всех частях полых осей не ниже, а чувствительность к концентрации напряжений меньше, чем у стандартных сплошных осей. Несущая способность, оцениваемая произведением предела выносливости на момент сопротивления сечения изгибу, в подступичной части полой оси на 15% превышает этот показатель для сравниваемой сплошной оси.

Вследствие снижения массы сплошной оси на 100 кг (на 25%) по сравнению со сплошной осью на каждые 100000 четырехосных вагонов достигается уменьшение расхода металла на сумму 4,2 млн. руб., а ежегодная экономия эксплуатационных расходов железных дорог благодаря уменьшению тары и соответствующему увеличению грузоподъемности может составить 2,2 млн. руб. Кроме того, уменьшается воздействие таких вагонов на путь, обусловленное уменьшением массы необрессоренных частей.

По результатам испытаний внесены коррективы в конструкцию полой оси (рис. 6) и принято решение изготовить крупную партию колесных пар с такими осями. Это позволит отработать технологию их промышленного производства и освоить методы осмотра и ремонта. Полые оси, как и сплошные, будут изготовляться методом поперечно-винтовой прокатки на Днепровском металлургическом заводе прокатного цеха.

Полая ось для крепления роликовых подшипников приставной шайбой

Рис. 6 – Полая ось для крепления роликовых подшипников приставной шайбой (одной звездочкой обозначены размеры, обусловленные технологией изготовления, двумя звездочками – для справок)


© 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