2.3.
Колеса промышленных вагонов и их типы
Колеса вагонов по конструкции разделяют на безбандажные — цельные (рис.
2.4,а), состоящие из обода 1, диска 2 и ступицы 3, и бандажные —
составные (рис. 2. 4, б), состоящие из бандажа 4, колесного центра 5 и
предохранительного кольца 6.
Рис. 2.4. Вагонные колеса:
а — безбандажное цельнокатаное: б — бандажное.
Рис. 2.5. Профиль поверхности катания колеса:
а — стандартный; б— ЦНИИ МПС.
Безбандажные колеса бывают цельнокатаными и литыми, бандажные —
дисковыми и спицевыми. Дисковые
обычно катаные или литые, а спицевые — литые или
кованые.
Стальные цельнокатаные колеса обладают рядом существенных преимуществ
перед бандажными. В процессе движения вагона поверхности катания колес
постоянно находятся в контакте с рельсами и подвергаются интенсивному
действию различных нагрузок. При этом колеса, соприкасаясь с рельсами
малой поверхностью (порядка 2—2,5 см2), передают им большие статические
и динамические нагрузки (до 110 кН). В результате в месте
соприкосновения колеса с рельсом возникают значительные деформации и
большие контактные напряжения, вызывающие появление усталостных трещин
на поверхности катания колеса.
Таким образом, в наиболее сложных условиях загружения находится обод 1 и
особенно его поверхность катания. При движении по кривым, а также на
прямых участках пути вследствие извилистого движения колесной пары или
разницы диаметров колес, посаженных на одну ось, происходит их
проскальзывание, которое приводит к скалыванию пораженных контактными
усталостными трещинами мест и образованию раковин на поверхности катания
колес. Поэтому металл обода 1
должен обладать большой прочностью, высокой ударной
вязкостью и износостойкостью.
Металл ступицы 3, удерживающийся на оси силами упругости, должен
обладать необходимой вязкостью, а металл диска 2 — упругостью.
Раньше вагонные колеса изготовлялись только бандажными. Бандаж
изготовлялся из более твердого материала и подвергался отдельно от
центра дополнительной термической обработке. Когда он предельно
изнашивался или повреждался, его заменяли без смены колесного центра.
Такие колеса сейчас распространены в ряде западноевропейских стран, а
ранее преобладали и на дорогах СССР. Однако они имеют существенные
недостатки: меньшую прочность и эксплуатационную надежность, большие
затраты на формирование колесных пар, большую массу (на 36 кг для колес
диаметром 950 мм). Поэтому бандажные колеса вытесняются стальными
безбандажными цельнокатаными.
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 2430 МПа (248 ед.) и ударная
вязкость при температуре 293 К (+20°С) не менее 0,2 МДж/м2.
Цельнокатаные колеса обладают более высокой прочностью и
эксплуатационной надежностью по сравнению с бандажными, поэтому они
получили наибольшее распространение.
Для рационального взаимодействия колеса и рельсового пути важное
значение имеет форма поверхности катания — профиль катания колеса (рис.
2.5,а). С внутренней стороны обода имеется гребень 2У предохраняющий
колесную пару от схода с рельсов. Высота гребня 28 мм, толщина 33 мм,
измеренные на расстоянии 18 мм от его вершины. Угол наклона гребня 60°.
Коническая поверхность катания имеет уклоны 1 : 20 и 1 : 7 и фаску 1.
Такая форма поверхности катания колес обеспечивает свободный проход
вагонов но кривым участкам пути, центрирует колесные пары на прямых
участках и обеспечивает более равномерный износ поверхности катания
колес. Однако коническая форма поверхности катания вызывает извилистое
движение колесной пары, а вместе с ней и вагона в целом.
Конусность в 1 : 7 и фаска как бы приподнимают наружную грань колеса над
головкой рельса, обеспечивая прохождение стрелочных переводов при
наличии проката или наплыва металла на поверхности катания колес.
Круг катания находится на расстоянии 70 мм от внутренней грани колеса, а
расстояние между кругами катания одной колесной пары составляет 1580 мм.
Рис. 2.6. Упругое колесо.
Всесоюзным научно-исследовательским институтом железнодорожного
транспорта (ЦНИИ МПС) предложен новый профиль катания вагонного колеса
(рис. 2.5,6). Предварительные опыты показали, что колеса с таким
профилем имеют в 1,5—2 раза меньший износ гребней. Увеличенный до 65°
угол наклона наружной грани гребня повышает устойчивость колесных нар на
рельсах и безопасность движения вагонов.
Подобный профиль катания вагонного колеса вводится и в ряде стран
Европы. При этом угол наклона наружной грани гребня увеличен до 70°. По
исследованиям Международного союза железных дорог применение нового
профиля снижает износ колеса на 30%, уменьшает вероятность схода с
рельсов и улучшает плавность хода вагона.
Научно-исследовательскими, учебными институтами, вагоностроительными и
металлургическими заводами СССР проводятся исследования по созданию
колес более совершенной конструкции из низколегированных сталей,
обладающих повышенным сопротивлением образованию усталостных и
термических трещин и повышенной износостойкостью.
Для улучшения взаимодействия колесной пары и пути за счет снижения
сил, обусловленных действием необ-рессоренных масс,
во многих странах предпринимаются попытки создания упругих колес. Этим
же повышается плавность хода вагона и уменьшается шум, возникающий при
движении.
На рис. 2.6 показано упругое колесо, применяемое в некоторых сериях
вагонов Московского метрополитена. В этом колесе между ободом 1 и
колесным центром 3 расположены резиновые элементы 2, работающие на
сдвиг.
Колесо, соприкасаясь с рельсом малой поверхностью, передает ему большие
статические и динамические нагрузки. При прохождении рельсовых стыков,
крестовин и других неровностей пути развиваются большие ударные силы, а
при торможении возникают большие силы трения; все это приводит к
интенсивному износу и различным повреждениям поверхности катания колеса.
В этих условиях важное значение имеет правильный выбор диаметра и
толщины обода колеса, что является довольно сложной задачей. Ее решение
требует всестороннего учета многочисленных факторов, по-разно-му
влияющих на рассматриваемые параметры колеса.
Диаметр колеса в основном определяется нагрузками, передающимися от
колеса на рельс, скоростью движения поездов, грузонапряженностью и
другими условиями эксплуатации железных дорог.
Уменьшение диаметра колеса обеспечивает: снижение массы колеса, а
следовательно, и колесной пары, вследствие чего уменьшается воздействие
необрессоренных масс на путь, оси колесных пар и другие элементы вагона;
снижение центра тяжести вагона, что повышает устойчивость и улучшает
плавность хода вагона, а также уменьшает плечи сил, действующих на
вагон; улучшение условий движения вагона по кривым малого радиуса; умень-
шение износа гребней и боковых поверхностей рельсов
на кривых участках пути; снижение уровня пола, что позволяет увеличить
объем кузова в пределах существующих габаритов подвижного состава.
Увеличение диаметра колеса приводит к увеличению площадки контакта
колеса и рельса, в результате чего уменьшаются в них деформации,
контактные напряжения и обусловленные ими усталостные разрушения, а
также износы колес и рельсов; к уменьшению частоты вращения колесных
пар, что сокращает число циклов загружения колес, осей и роликовых
подшипников, снижает сопротивление движению, уменьшает частоты колебаний
колесных пар, тележек и кузова.
При большой грузонапряженности определяющее значение имеет усталостная
прочность колес и рельсов.
По данным ЦНИИ МПС уменьшение диаметра колес с 950 до 900 мм повышает
контактные напряжения на 4—6% и увеличивает усталостные повреждения на
30—35%. Поэтому уменьшение диаметра колеса должно сопровождаться
правильным выбором более рациональных марок стали, термической обработки
и других средств повышения усталостной прочности колес и рельсов.
На железных дорогах США нормальный диаметр колес грузовых вагонов
составляет 838 мм, а в новых большегрузных вагонах — 914 и 965 мм. На
железных дорогах Японии диаметр колес равен 910 мм, в Англии — 940 мм, в
ГДР и ФРГ — 1000 мм.
Уменьшение толщины обода существенно уменьшает массу колеса, так как 2/3
массы колеса приходится на обод; уменьшает пределы изменения диаметра
колеса в эксплуатации, что сокращает разность высот продольной оси
автосцепки в поезде, вследствие чего повышается безопасность движения
поездов. Однако уменьшение толщины
обода сокращает срок службы колеса. Поэтому
уменьшение толщины обода, равно как и уменьшение диаметра колеса,
необходимо компенсировать повышением прочности и износостойкости колес.
На железных дорогах СССР применяются колеса многократной обточки с
толщиной обода 75 мм. В США, Англии и Франции кроме колес многократной
обточки применяются колеса с более тонкими ободьями, рассчитанные на
одну-две переточки или без переточек.
В некоторых случаях сокращение срока службы колес окупается уменьшением
их массы.
2.4. Соединение колес с осью вагона ж/д
Одним из наиболее распространенных способов соединения колес с осью
является прессовая посадка. Это достигается уменьшением диаметра
отверстия ступицы относительно диаметра подступичной части оси на
величину натяга.
Для обеспечения необходимой прочности соединения колес с осью без
перенапряжения соединяемых частей колесной пары необходимо правильно
выбрать натяг и усилие напрессовки. Малый натяг может не обеспечить
необходимой прочности прессового соединения, а большой может вызвать
опасные для прочности ступицы и колеса напряжения.
Для колесных пар вагонов широкой колеи натяги выбирают в пределах от 0,1
до 0,25 мм. Колеса с осью соединяются на гидравлическом прессе, а
качество прессового соединения контролируется по индикаторной диаграмме.
В последнее десятилетие проводились исследования по внедрению тепловой
посадки при формировании колесных пар. При этом нагретую ступицу колеса
с установленным натягом свободно на-
девали на ось, и после остывания ступицы колесо
прочно соединялось с осью.
При тепловой посадке не повреждаются сопрягаемые поверхности ступицы
колеса и подступичные части оси и повышаются усилия распрессовки. Однако
при трении повреждается подсту-пичная часть оси у края ступицы от
коррозии, отсутствуют надежные средства контроля качества теплового
соединения, усложняется съем колеса с оси, увеличиваются затраты
электроэнергии и продолжительность формирования и расформирования
колесных пар.
Для предупреждения коррозионных повреждений подступичной части оси
применялись лаковые покрытия. Однако при торможении колеса нагревались
до температуры 60°С и выше, лаковая пленка размягчалась и усилия сдвига
колеса резко снижались. Поэтому все эти колесные пары изъяты из
эксплуатации.
Кроме неподвижно соединенных с осью колес в некоторых случаях применяют
вращающиеся относительно оси, а также специальные раздвижные колеса [5].