Анализ прочностных характеристик различных конструктивных схем дифференциальных колесных пар
Приведен анализ прочности различных вариантов конструкций дифференциальных колесных пар железнодорожных вагонов
Создание вагонов с дифференциальными колесными парами необходимо для снижения энергозатрат на транспортные операции на горно-обогатительных комбинатах, на металлургических комбинатах и заводах и других промышленных предприятиях, т.к. для их перемещения требуется значительно меньшая тяговая сила. Обусловлено это тем, что в карьерах добавляются затраты энергии на преодоление огромных сил сопротивления движению вагонов в кривых участках железнодорожных путей, составляющих более 90% их общей протяженности. Радиус кривизны путей в карьерах, являющегося определяющим фактором повышения необходимых тяговых сил, на много меньше, чем у обычных железнодорожных путей, и является недопустимым для железных дорог РЖД. Аналогичные проблемы известны и на других промышленных предприятиях, например, металлургических комбинатах, где используются чугуновозы, шлаковозы, думпкары и др. железнодорожные транспортные средства.
Долговечность колес промышленных железнодорожных вагонов на Лебединском, Стойленском, Михайловском, Коршуновском, Павловскгранит и др. горно-обогатительных комбинатах составляет 2 - 3 месяца. Гребни колес за этот период превращаются в невидимую стальную пыль. На истирание тысяч колес и рельс из очень прочной стали расходуется огромное количество энергии. Разборка вагонов при их ремонте, наплавка гребней, восстановление ж.д. путей и т.д. – все это также весьма энергоемкие процессы. Использование вагонов традиционной конструкции дает также целый ряд других негативных результатов: повышенная нагруженность силовых передач и их низкая долговечность, низкая безопасность работ в рудниках и пр.
При использовании вагонов с дифференциальными колесными парами будет достигнуто также многократное повышение долговечности не только колесных пар, но и стойкости железнодорожных путей. Патентуется техническое решение промышленного вагона с дифференциальными колесными парами (заявка № 2011120210/11). Выполнен технический проект вагона в соответствии с патентуемым решением, по которому был изготовлен опытный думпкар на Лебединском ГОКе (г. Губкин). Планируется проведение комплекса исследований.
Положительные результаты исследований промышленных вагонов с дифференциальными колесными парами позволят приступить к разработке технического решения для модернизации эксплуатируемого подвижного железнодорожного состава различного назначения: пассажирских вагонов, грузовых и т.д.
В конструкциях вагонов метрополитена предлагается делать подвижным обод колеса относительно диска. На некоторых металлургических предприятиях изготовляют вагоны, в которых каждое колесо имеет отдельную ось. Использование таких решений приведет практически к замене имеющегося парка промышленных вагонов на новые вагоны, что потребует значительных материальных затрат.
Предлагаемые решения ориентированы на модернизацию имеющегося парка вагонов, а не на замену на новые вагоны, что позволяет решить задачу снижения энергоемкости транспортных работ с многократно меньшими затратами. Но необходимо не забывать о больших нагрузках, воспринимаемых деталями вагонов, и, поэтому, вопросы прочности остаются наиболее важными.
На рис.1, 2 приведены разработанные конструктивные схемы дифференциальных колесных пар думпкаров.
Описание конструкции, показанной на рис.1, приведено в работах [1, 2]. В работе [2] рассмотрено распределение контактных сил в клеммовом соединении дифференциальной колесной пары.
Рис.1.
Рис.2.
На ступицах колес колесной пары (рис.2) 2 и 5 выполняются проточки шириной 15 мм и глубиной 15 мм. В каждую проточку вставляются по 2 закладных полукольца 4. Одно из колес спрессовывается с оси 1, ось шлифуется до появления зазора между колесом и осью (примерно 0,1…0,15 мм). Закладные полукольца прикрепляются к фланцам распорной трубы (по 4 болта на каждое полукольцо). Свободно вращающееся на оси колесо через трубу опирается на колесо, напрессованное на ось. Смещению свободного колеса в обратном направлении препятствуют закладные полукольца.
Реализация
конструкции по рис.1приводит к исключению
существенного концентратора напряжений
по краю ступицы колеса, посаженного на
ось с натягом (
3,5),
т.к. посадка с натягом заменяется на
посадку с зазором. Влияние посадки с
натягом на снижение прочности оси
колесной пары более существенное, нежели
суммарное снижение от уменьшения
диаметра оси при выполнении проточки
и наличия концентрации напряжений в
галтельном переходе. Можно сделать
вывод о том, что прочность конструкции
колесной пары по рис.1 не уступает
прочности колесной пары традиционной
конструкции.
При изготовлении колесной пары по схеме, приведенной на рис.2, посадка с натягом одного из колес также заменяется на посадку с зазором. В этом случае на оси не выполняется проточек и других элементов, создающих концентрацию напряжений. Для этого варианта можно утверждать также о сохранении прочностных параметров колесной пары.
Таким образом, модернизация колесных пар по разработанным схемам не приведет к уменьшению их прочности.
Литература
1. Семеноженков В.С., Семеноженков М.В. Распределение контактных напряжений в клеммовом соединении дифференциальной колесной пары. Обеспечение качества продукции на этапах конструкторской и технологической подготовки производства. Меж. вуз. сб. науч тр. Вып. 9. 2012. С. 75 – 77.
2. Семеноженков В.С., Семеноженков М.В. Галкин В.Д. Контактное взаимодействие колеса дифференциальной колесной пары с рельсом. Инновационные технологии и оборудование машиностр. комплекса. Вып. 14. Межвуз. сб.науч тр. Воронеж 2011. С. 91…93.
Российский государственный открытый технический
университет путей сообщения
УДК 303.1
В.Н.Старов, В.Ф.Лазукин, Д.Е.Барабаш, А.Н.Внуков