колеса вагонів

У процесі руху вагона поверхню катання колеса постійно знаходиться в контакті з рейками і схильна до інтенсивного дії різних навантажень. Колесо, стикаючись з рейкою малої поверхнею (близько 2,5 см 2), передає йому великі статичні (60-110 кН) і динамічні навантаження. В результаті в місці зіткнення коліс з рейкою виникають значні деформації і великі контактні напруги. При русі по кривим, а також на прямих ділянках колії внаслідок звивистого руху колісної пари або різниці діаметрів коліс, посаджених на одну вісь, відбувається ковзання (тертя об рейки) коліс, яке призводить до сколювання і зминання дрібних виступаючих нерівностей на поверхні кочення. Сили тертя при ковзанні колеса по рейці досягають значної величини і викликають великий знос, що призводить до утворення плазунів. У процесі гальмування між колесом і гальмівною колодкою розвиваються великі сили тертя, що викликають інтенсивне нагрівання обода колеса, що може сприяти утворенню тріщин на поверхні катання. Удари про стики рейок сприяють утворенню поверхневих дефектів і більш швидкого виходу коліс з ладу.

Вогняна колеса за своєю конструкцією поділяються на дві основні групи:

1. безбандажние (цільні);
2. бандажні (складові, т. е. що складаються з бандажа, колісного центру і запобіжного кільця).

Безбандажние колеса в залежності від матеріалу діляться на сталеві і чавунні. За способом виготовлення сталеві колеса можуть бути катані і литі.

Бандажні колеса по конструкції колісного центру поділяються на дискові і спиць. Колісні центри в залежності від способу виготовлення бувають катані, литі, ковані і штамповані. За матеріалом колісні центри діляться на сталеві і чавунні. Відомі колісні центри, виготовлені з легких сплавів і інших матеріалів.

Крім того, колеса розрізняються залежно від розмірів діаметра кола катання і розмірів маточини, що залежать від типу осі. Безбандажние сталеві колеса в залежності від товщини обода використовуються з декількома або однією-двома переточуваннями, а також без переточування зношеної поверхні катання.

Крім звичайних коліс, виготовлених зі сталі або чавуну і тому є порівняно жорсткими конструкціями, відомі пружні колеса (із застосуванням гумових прокладок або пневматики).

Переважаючими конструкціями є колеса, нерухомо укріплені на осі і разом з нею обертаються. Однак зустрічаються обертові на нерухомої осі колеса. Більш складне з'єднання осі з колесами мається на досвідчених колісних парах, призначених для руху по залізницях з різною шириною колії.

Елементами конструкції колеса є обід (1) (рис. 1), диск (2) і маточина (3). У найбільш складних умовах навантаження знаходиться обід і особливо та його поверхню, якої він котиться по рейці (поверхню катання). Метал обода повинен володіти великою міцністю, ударною в'язкістю, зносостійкість; метал маточини, утримує на осі силами пружності, - необхідної в'язкістю. Пружність також бажана для металу диска. Ці вимоги задовольняються в конструкції складеного колеса, де бандаж виготовляється зі сталі високої міцності і твердості, а колісний центр - з більш вузький і дешевої сталі. При досягненні граничного зносу або появі іншого ушкодження бандаж можна замінити без зміни колісного центру.

Мал. 1 - суцільнокатані колеса

Однак у порівнянні з цільними колесами бандажним колесам притаманні значні недоліки: менші міцність і надійність (можливість ослаблення бандажа, часто з'являються тріщини в колесах і зрушення коліс з осі), велика трудомісткість формування колісної пари (необхідність розточення і насадки бандажів), велика маса (на 36 кг для колеса діаметром 950 мм). Ці недоліки особливо істотно позначаються при підвищенні швидкості руху поїздів і збільшення навантажень на колеса. Тому бандажні колеса замінені безбандажнимі, з яких найбільш досконалими є суцільнокатані.

Суцільнокатані колеса для вагонів широкої колії залізниць (див. Рис. 1) виготовляють по ГОСТ 9036-76. Від коліс колишньої конструкції такі колеса відрізняються більш раціональним розподілом металу по перетину диска і маточини, меншим ухилом внутрішньої поверхні обода, відсутністю отворів для водив колесотокарного верстата (є концентраторами напружень), а також посиленням допусків на відхилення розмірів окремих елементів, в результаті чого досягається зменшення дисбалансу колеса. Маса колеса становить 385 кг. Введення таких полегшених (на 20 кг кожне) коліс дозволяє щорічно економити 26 млн. Руб. і багато металу.

Полегшені колеса мають номінальний розмір діаметра по колу катання 950 і 1050 мм, причому колеса другого розміру призначені тільки для заміни несправних в колісних парах типів III-1050 і РУ-1050, що застосовуються в деяких вагонах колишньої будівлі. Діаметр d (див. Рис. 1) попередньо обробленого отвору маточини зазвичай дорівнює 190-4 мм. Згідно ГОСТ 10791-64 суцільнокатані колеса виготовляють зі сталі, що містить (в%): вуглецю - 0,52-0,63; кремнію - 0,20-0,42; марганцю - 0,5-0,9; фосфору - не більше 0,035 і сірки - не більше 0,04. Механічні властивості термічно оброблених коліс повинні відповідати наступним нормам: тимчасовий опір 880-1080 МПа, відносне подовження не менше 10%, відносне звуження не менше 16%, твердість по Брінеллю не менше 248 одиниць, ударна в'язкість при температурі + 20 ° С не менше 0 , 2 МДж / м 2.

Суцільнокатані колеса відрізняються від коліс інших типів більш високою експлуатаційною надійністю, особливо після здійсненого в останні роки вдосконалення технології їх виготовлення (переривчаста гарт з окремого нагріву і наступний відпустку, виконувані після механічної обробки коліс).

Вітчизняний досвід застосування сталевих литих коліс показав, що такі колеса по міцності і зносостійкості поступаються суцільнокатані.

Технологія виготовлення колеса

Технологічний процес виготовлення сталевих суцільнокатаних коліс складається з операцій (рис. 2) кування, пресування, прокатки, вигібкі і термічної обробки. Заготовки для коліс діаметром 950 мм, масою 475-500 кг вирізують з багатогранних злитків на верстатах. Потім заготовки поміщають в методичні печі, нагрівають рівномірно протягом 5-6,5 год до температури 1260-1280 ° С, подають під гідравлічний прес зусиллям 3500 тс і піддають спочатку вільної обтискача до зменшення висоти в два рази, а потім вторинної обтискача в подкладном штампі зі свердлінням отвору в центрі. Після цього заготовку подають під другий прес зусиллям 7000 тс і її знову обжимають, надаючи форму колеса з остаточними розмірами диска у маточини і отвори в ній, і направляють на прокатний стан для отримання необхідної форми диска у обода, обода і поверхні катання з гребенем. З прокатного стану колесо подають на прес зусиллям 2500 тс, де штампом вигинають диск і калібрують колесо.

Мал. 2 - Схема технологічного процесу виготовлення суцільнокатані колеса: а - заготовка; б - послідовність операцій; в - прокатка на стані; 1 - приводні обтискні валки; 2 - натискні валки; 3 - напрямні валки; 4 - головний приводний валок

На зовнішньої грані обода кожного колеса, що знаходиться в гарячому стані, штампують знаки і клейма (рис. 3).

Мал. 3 - Знаки і клейма на зовнішній грані обода суцільнокатані колеса: 1 - дата виготовлення; 2 - номер плавки; 3 - приймальні клейма; 4 - умовний номер заводу-виготовлювача; 5 - номер колеса

Після прокатки колеса направляють на верстати для механічної обробки поверхні кочення, гребеня, внутрішньої грані обода, зовнішнього торця маточини і попередньої її розточення. У диску свердлять отвори діаметром 55 мм. Для отримання необхідних механічних властивостей колеса після обробки піддають гарту і відпустки. Для цього колеса однієї плавки завантажують в кільцеві печі і нагрівають протягом 2-3 години до температури 860-880 ° С. Потім охолоджують на обертових столах окропленням поверхні кочення коліс водою, підігрітою до температури 30-40 ° С, протягом 90-140 секунд. Колеса з загартованої поверхнею кочення піддаютьвідпустки в печах: нагрівають до температури 480-520 ° С, після витримки протягом 2,5-3 години при цій температурі виймають з печі і охолоджують.

Механічні властивості термічно оброблених коліс повинні відповідати наступним нормам: тимчасовий опір 880-1080 МН / м 2; відносне подовження не менше 10%; відносне звуження не менше 16% і твердість НВ 2430 (248).

Суцільнокатані колеса після перевірки хімічного складу і механічних властивостей піддають ударному випробуванню, для чого колесо (2) (рис. 4) кладуть горизонтально гребенем вгору на металеве опорне кільце (3) товщиною не менше товщини обода колеса. Кільце (масою не менше 5 т), розташоване на шабота, призначається для того, щоб при ударі па ступиці деформувався головним чином диск колеса.

Мал. 4 - Установка суцільнокатані колеса при випробуванні на удар

При випробуванні використовується вантаж (1) масою 1 т, вільно падаючий послідовно з висоти 1,5; 3; 4,5 і 6 м до тих пір, поки сумарна робота А всіх ударів не досягне необхідної величини:

де 1,32 - постійний коефіцієнт;

R - радіус, виміряний від центру колеса до внутрішньої грані обода з боку гребеня, мм;

l - товщина диска в місці сполучення з перехідною криволінійною поверхнею від маточини до диску, мм.

Після такого випробування на колесі не повинно бути будь-яких тріщин, надривів і інших ознак руйнування.

профілі колеса

Для раціонального взаємодії коліс і рейкового шляху важливе значення має форма поверхні катання - профіль колеса. На (рис. 5, а) показаний стандартний профіль поверхні кочення, який має колесо після обточування. Профіль цього характеризується наявністю гребеня висотою 28 мм і товщиною 33 мм, яка вимірюється на відстані 18 мм від вершини, конічної поверхні кочення з конусної 1:10 і 1: 3,5 і фаски 6 × 6 мм.

Гребінь, що оберігає колісну пару від сходу з рейок, має кут нахилу зовнішньої межі 60 °. Конічна поверхня на відміну від циліндричної запобігає утворенню нерівномірного по ширині колеса зносу (прокату), полегшує проходження кривих і центрує колісну пару в прямих ділянках колії. Однак через конічної форми поверхні кочення з'являється звивисте рух колісної пари, досліджуване в курсі «Динаміка вагона». Поверхнею, розташованої біля зовнішньої вертикальної межі, колесо рідше спирається на рейок, тому вона менше зношується, ніж основна поверхню контакту. Завдяки наявності конусности 1: 3,5 і фаски зовнішня грань колеса піднімається над головкою рейки, чим полегшується проходження стрілочних переводів при наявності прокату або напливу металу на колесі.

Оскільки колесо має конічну поверхню, його діаметр, величину прокату і товщину обода вимірюють в певній площині - по колу катання, що знаходиться на відстані 70 мм від внутрішньої грані колеса. Відстань між колами катання коліс у вагонів широкої колії залізниць становить 1580 мм при номінальному розмірі 1440 мм.

ВНИИЖТ запропонований новий профіль вагонного колеса (рис. 5, б). Досліди показали, що колеса з таким профілем мають в 1,2-1,3 рази менший знос гребенів. Збільшення кута нахилу зовнішньої межі гребеня до 65 ° підвищує безпеку руху (стійкість колісної пари на рейках). Наприклад, при русі зі швидкістю 55 м / с (200 км / ч) коефіцієнт безпеки від сходу з рейок збільшується на 30%.

Аналогічний профіль колеса введений в ряді країн Європи. При цьому кут нахилу зовнішньої межі гребеня збільшений до 70 °. За дослідженнями Міжнародного союзу залізниць, завдяки застосуванню нового профілю знижується знос колеса на 30%, зменшується ймовірність сходження з рейок (при великих швидкостях руху в 1,5 рази), поліпшується плавність ходу. За даними англійських дослідників, пробіг колісних пар без обточування поверхні кочення зростає на 50% в порівнянні з колесами колишнього профілю.

Поліпшення плавності ходу за рахунок зменшення частоти коливань виляння, особливо істотних при великих швидкостях руху, досягається також шляхом заміни конусности 1:10 на конусність 1:20. Колеса з такою конусностью застосовуються для вагонів швидкісних ліній Японії і в ряді інших країн, а у Франції і Швейцарії - для всіх пасажирських вагонів. Конусность 1:20 мають колеса деяких вагонів залізниць нашої країни, до яких пред'являються підвищені вимоги по плавності ходу.

Перехід на новий профіль колеса пов'язаний з необхідністю модернізації колесотокарних верстатів і вимірювальних приладів. Крім того, при обточуванні зношених коліс, можливо, доведеться знімати стружку великої товщини. Дослідження щодо вдосконалення профілю колеса тривають.

пружне колесо

Для поліпшення взаємодії колісної пари і шляхи за рахунок зниження сил, обумовлених необрессореннимн масами, поліпшення плавності ходу і зменшення виникає при його русі шуму в багатьох країнах робляться спроби створення пружних коліс. Своєрідним прототипом пружного колеса є застосовувалася на вітчизняних залізницях конструкція колеса з дерев'яним диском. Одна з сучасних конструкцій пружних коліс показана на (рис. 6). Бандаж звичайним способом з'єднаний з ободом (1) таврового перетину, який за допомогою гумових прокладок (2) і (3) пов'язаний з дисками (4) і (5), привареними до маточини (6); зварювання виконана швами (7) і (8). Диски також пов'язані між собою привареними до них пальцями (9).

Мал. 6 - Пружне колесо

Гумові прокладки прівулканізіровани до прилеглих до них металевих поверхонь і при складанні колеса піддані попередньому стиску.

Основним видом деформації, що виникає в прокладках від експлуатаційних навантажень, є зрушення, що найбільш доцільно для гумових елементів. Розміщення гумових прокладок забезпечує їх захист від дії ультрафіолетових променів, кисню повітря, масла і т. П. При виготовленні (зварювання) і ремонті (зміна бандажа, наплавка гребеня, обточування поверхні кочення) передбачені заходи щодо захисту гумових елементів від пошкоджень. Проведені випробування показали достатню міцність і довговічність сталевих і гумові деталі.

При товщині гумових прокладок по 15 мм їх прогин від вертикального навантаження на колесо 5 т складає 3 мм; напруга зсуву в гумі дорівнює 1,5 кг / см 2. Ударне зусилля, що передається від бандажа до осі, у такого колеса на 20-25% менше, ніж у сталевого. Колеса з гумовими прокладками випробовуються в вагонах Московського метрополітену. Випробуваннями встановлено, що застосування таких коліс забезпечує різке зниження прискорень необрессоренних мас вагона, а також зменшення вертикальних і горизонтальних прискорень обрессоренних частин, бічних сил, що передаються на раму візка, і коефіцієнтів динаміки. Застосоване в перших досвідчених конструкціях коліс болтове кріплення їх елементів недостатньо ненадійно. Тому більш доцільна зварна конструкція колеса з гумовими прокладками (рис 7).

Мал. 7 - Пружне колесо вагонів Московського метрополітену

Гумові прокладки добре гасять високочастотні (в тому числі і шумові) коливання. Найбільший інтерес пружні колеса представляють при створенні пасажирських вагонів, призначених для руху з великими швидкостями і високим рівнем комфорту.

Інша конструкція пружних коліс, в яких замість гумових прокладок є пневматичні шини, застосовується в вагонах паризького метрополітену.