0860 / Чертежи оборудования электровоза / Колесные пары

Стальное цельнокатаное колесо (рис.11) состоит из обода 1, диска 2 и ступицы 3. Рабочая часть колеса представляет собой поверхность катания 4. Номинальный размер ширины обода составляет 130 мм. На расстоянии 70 мм от внутренней грани а обода, являющейся базовой, расположен воображаемый круг катания, используемый для измерения специальными инструментами диаметра колеса, толщины обода и проката.

Противоположная грань б называется наружной. Ступица 3 объединена с ободом 1 диском 2, расположенным под некоторым углом к плоскости круга катания, что придает колесу упругость и способствует снижению уровня динамических сил во время движения вагона. Ступица служит для посадки колеса на подступичной части оси. Поверхность катания 4 обрабатывается по стандартному профилю.

В соответствии с ГОСТ 10791 цельнокатаные колёса изготовляют из сталей двух марок: 1 - для пассажирских вагонов локомотивной тяги, немоторных вагонов электро - и дизель - поездов; 2 - для грузовых вагонов дорог колеи 1520 мм с нагрузкой от оси на рельсы до 228 кН. Химический состав сталей в %: марки 1 - углерода 0,44...0,52, марганца - 0,8...1,2, кремния - 0,4...0,6, ванадия - 0,08...0,15; марки 2 - углерода 0,55...0,65, марганца 0,5...0,9, кремния 0,2...0,42; для обеих марок сталей допускается не более: фосфора - 0,035 и серы - 0,04.

Рис.11. Стальное цельнокатаное вагонное колесо

Ободья колёс подвергаются упрочняющей термической обработке путём прерывистой закалки и отпуска. Механические свойства стали ободьев после упрочняющей термической обработки должны соответствовать нормам (табл. 4).

Таблица 4. Механические свойства стали ободьев вагонных колёс

Марка стали колеса	Временное сопротивление, МПа	Относительное удлинение, %	Относительное сужение, %	Твердость на глубине 30 мм, НВ
		Не менее
1	882…1078	12	21	248
2	911…1107	8	14	255

Ударная вязкость стали дисков колёс при температуре 20⁰С должна быть не менее: для стали марки 1 - 0,3 МДж/м²; для стали марки 2 - 0,2 МДж/м².

На процессы взаимодействия колёс с рельсами и безопасность движения поездов существенно влияет профиль поверхности катания. Стандартный профиль поверхности обода колеса (рис. 12, а) распространяется на колёса для колёсных пар грузовых и пассажирских вагонов локомотивной тяги, немоторных вагонов электро- и дизель-поездов, а также путевых машин. Профиль поверхности обода колеса, приведенный на рисунке 12 б, применяется для колес колесных пар пассажирских вагонов, эксплуатируемых со скоростями движения свыше 160 км/ч, а для колёс вагонов промышленного транспорта используется специальный криволинейный профиль (рис.12, в).

Каждый из приведенных профилей поверхности катания колеса имеет гребень, служащий для направления движения и предохранения от схода колёсной пары. Он имеет высоту 28 мм, измеряемую от его вершины до горизонтальной линии, проходящей через точку пересечения круга катания с профилем. Угол наклона наружной грани гребня оказывает влияние на безопасность движения: его увеличение повышает устойчивость колёсной пары на рельсах и уменьшает износ. Стандартный профиль (см. рис.12, а) имеет конусность рабочей части 1:10, которая обеспечивает центрирование колёсной пары при её движении на прямом участке пути и предотвращает образование неравномерного износа по ширине обода колеса, а также улучшает прохождение кривых участков пути. Вместе с тем, конусность 1:10 создает условия для появления извилистого движения, что неблагоприятно влияет на плавность хода вагона. Поверхность профиля катания колеса с конусностью 1:3,5 гораздо реже катится по рельсу, поэтому она меньше изнашивается. Благодаря наличию этой конусности и фаски 6 мм х 45⁰ наружная грань б (см. рисунок 11) приподнимается над головкой рельса даже при наличии допустимого проката, наплыва металла и других дефектов поверхности катания колёс, обеспечивая безопасный проход стрелочных переводов.

Рис. 12. Профили поверхности катания колёс: а - для грузовых и пассажирских вагонов локомотивной тяги, немоторных вагонов электро- и дизель-поездов, а также путевых машин; б – для пассажирских вагонов, эксплуатируемых со скоростями движении свыше 160 км/ч; в - вагонов промышленного транспорта

Профиль поверхности катания обода для колёсных пар пассажирских вагонов, эксплуатируемых со скоростями движения свыше 160 км/ч (см. рисунок 12, б), имеет горизонтальную площадку между размерами от 60,7 до 70 мм, а далее конусности 1:50; 1:10; 1:3,5 - и фаску 6 мм х 45⁰. Наружная грань гребня составляет 65⁰ к горизонтали вместо 60⁰, как это предусмотрено в стандартном профиле (см. рис.12, а), переходные радиусы закруглений также изменены. Цилиндрическая часть катания, обработанная в соответствие с горизонтальной частью профиля, исключает извилистое движение колёсной пары. Вместе с уменьшенной конусностью до 1:50 рабочей части колеса она не допускает ухудшения плавности хода вагона. Увеличение угла наклона наружной грани гребня совместно с изменением профиля рабочей части поверхности катания колеса улучшает устойчивость движения колёсной пары, способствует уменьшению износа гребня, повышает безопасность движения вагонов скоростных поездов.

Технология изготовления стальных колёс основана на штамповано-катаном способе, включающем в себя процессы подготовки заготовок, их нагрева, горячей деформации, nротивофлоксной, термической и механической обработки, контроля и испытания. В процессе изготовления колёс на наружной грани обода в горячем состоянии наносят знаки и клейма (рис.13).

Рис. 13 – Знаки и клейма на наружной грани обода стального цельнокатаного колеса: 1 – месяц и год изготовления; 2 – номер плавки; 3 – приемочное клеймо МПС; 4 – номер завода изготовителя; 5 номер колеса

Упругие колёса - более сложной конструкции. Имея упругие элементы между ободом и колесным центром, они обладают целым рядом преимуществ, особенно важных для вагонов скоростных пассажирских поездов, трамваев и метрополитена. При конструировании учитывается, чтобы в эксплуатации такое колесо обладало следующими качествами: смягчало вертикальные и боковые толчки; имело минимальную величину необрессоренной массы; уменьшало шум при движении вагона; обеспечивало упругость передачи крутящего момента в моторных вагонах при движении и торможении; снижало напряжения в элементах колёсной пары и сопряжённых с ней деталей.

Идея применения упругих колёс появилась давно. Известны колёса с деревянными элементами (см. рис.2), бумажные колёса с дисками из прессованной бумажной массы, колёса с резиновой прокладкой между бандажом или ободом и центром и др. Деревянные и бумажные колёса обладали существенными недостатками, поэтому они не получили распространения. Попытки конструировать колёса с резиновой поверхностью катания также не увенчались успехом вследствие того, что оказался чрезвычайно низким коэффициент сцепления между колесом и влажным рельсом. В дальнейшем проблема создания упругого колеса решалась путём введения в конструкцию резиновой про кладки между бандажом или ободом и центром, а также применения пневматической шины.

Упругое колесо с резиновой про кладкой между бандажом 1 и центром (рис.14) имеет внутренний фланец 2 с отверстиями, через которые проходят болты, снабжённые втулками. Для смягчения вертикальных толчков служит резиновое кольцо 4, расположенное между ободом колёсного центра и бандажом. С одной стороны кольцо прилегает к втулке, с другой стороны оно охвачено сегментом. Сегменты могут перемещаться с помощью установочных винтов 5, что облегчает центрирование бандажа и перестановку резино-

Рис.14. Упругое колесо с резиновой прокладкой

вого кольца. Для смягчения горизонтальных боковых толчков установлены резиновые прокладки 3.

Особенность другой конструкции заключается в том, что бандаж 1 (рис.15) имеет фланец 2, в котором по окружности равномерно расположены цилиндрические углубления. Такие же углубления имеются в колёсном центре 6 и прикреплённом к нему болтами 5 стягивающем кольце 4. В углублениях размещаются плоские резиновые прокладки 3 цилиндрической формы, смягчающие вертикальные и горизонтальные толчки. Подобная конструкция позволяет использовать как отдельные резиновые элементы, так и целиком изготовленные кольца.

К

Рис.15 – Упругое колесо с резиновыми элементами

ак отмечалось, известны упругие колёса, в которых в качестве упругих элементов при меняют пневматические резиновые шины. В подобной конструкции между колёсным центром 1 (рис. 16) и бандажом 3 расположены две шины 2, которых может быть и больше. Пневматические шины укреплены на внутренней поверхности бандажа с помощью соединения в виде ласточкина хвоста. Натягивают шины на тонкое металлическое кольцо 5,

охватывающее колёсный центр и укрепляют их кольцом и болтом. В моторных вагонах для пропуска обратного тока между бандажом и колёсным центром всех колёс устанавливают проводник. Для этой цели могут быть использованы гибкие медные электропроводы, медные полосы и др. в некоторых конструкциях проводники прокладывают в резиновых элементах. Из анализа рассмотренных выше упругих колёс наиболее простой является конструкция, приведенная на рисунке 16.

Рис. 16. Упругое колесо с пневматическими шинами

Одна из неразборных конструкций упругого колеса (рис.17) состоит из бандажа 10, соединенного с ободом 1, который посредством резиновых прокладок 2 и 3 связан с дисками 4 и 5, приваренными сварными швами 7 и 8 к ступице 6. Диски 4 и 5 также связаны между собой приваренными к ним пальцами 9. Резиновые прокладки привулканизированы к прилегающим к ним металлическим поверхностям и при сборке колеса предварительно сжаты.

О

Рис.17 – Упругое колесо неразборной конструкции

сновным видом деформации, возникающей в прокладках от эксплуатационных нагрузок, является сдвиг, что наиболее целесообразно для резиновых элементов. Размещение резиновых элементов в данной конструкции обеспечивает их защиту от воздействия ультрафиолетовых лучей, кислорода воздуха, масла и т.п. При изготовлении и ремонте предусмотрены меры по защите резиновых элементов от повреждений во время проведения сварочных и наплавочных работ, а также при обточке поверхности катания бандажа. Испытания показали достаточную прочность и долговечность стальных и резиновых частей.

В некоторых сериях вагонов Московского и других метрополитенов применяется упругое колесо, в котором бандаж 8 особой формы (рис. 18) насажен не на колесный центр, а на центральный диск 7.

Рис.18. Упругое колесо болтовой конструкции

Для дополнительного крепления бандажа предусмотрено предохранительное кольцо 9. Между центральным диском 7 и колёсным центром 11 расположены восемь резиновых вкладышей 6, подверженных деформации сдвига. Вкладыши с двух сторон армированы стальными листами. Посредством нажимной шайбы 3 и шпилек 2 с гайками 1, попарно связанными пластинчатыми шайбами 12, вкладыши 6 прижаты к колёсному центру 11 и центральному диску 7. Нажимная шайба 3 фиксируется штифтами 4 и болтами 5. Для отвода тока от колеса к рельсу имеются два гибких шунта 10, соединяющих колёсный центр с центральным диском.

Испытания показали, что применение таких колёс способствует уменьшению ускорений, особенно необрессоренных масс вагона, а также снижению уровня боковых сил и коэффициентов динамики, гашению высокочастотных шумовых колебаний. Однако болтовое крепление элементов в такой конструкции упругого колеса недостаточно надёжно, резиновые элементы имеют малый срок службы, который может быть увеличен при правильном подборе вкладышей по их жёсткости. Поэтому по сравнению с болтовой более целесообразной считается сварная конструкция упругого колеса с резиновыми прокладками (рис.19).

Повышение упругости колеса и уменьшение необрессоренной массы достигается также за счёт применения колёсных центров, изготовленных из алюминиевых сплавов. Такие центры из сплава марки АМг6 выпускались и испытывались в 70-х годах на российских и американских железных дорогах. Однако такие колёса, имея ненадёжную бандажную конструкцию, обладают существенным различием величин коэффициента объёмного расширения стального бандажа и алюминиевого центра. Сложным также является обеспечение надёжного соединения алюминиевого центра со стальной осью. Нарушение прочности этих соединений особенно проявляется при изменении температуры во время торможения. С целью предотвращения нагрева бандажей тормозными колодками при использовании таких колёс в некоторых странах применяют дисковые тормоза. В Германии велись исследования возможности применения колесных центров из стеклопластика.

Рис.19. Упругое колесо сварной конструкции

4. Соединение колеса с осью

Безопасность движения поездов во многом зависит от надёжного соединения колеса с осью. Это соединение осуществляется, главным образом, посредством прессовой посадки. При этом способе колёса, посаженные на ось, удерживаются на ней благодаря натягу, образующемуся за счёт несколько большего диаметра подступичной части оси по сравнению с диаметром ступицы колеса. Кроме того, на надёжность соединения колеса с осью влияет точность обработки посадочных поверхностей и процесс запрессовки. Поэтому размеры прессового соединения колеса с осью и технология запрессовки должны строго соответствовать ГОСТ 4835 и другим указанным в нём стандартам, а также требованиям нормативно-технической документации МПС, в которых установлены также нормы контроля прочности посадки и способы устранения неисправностей, возникающих в процессе запрессовки.

Б лагодаря натягу сопрягаемые поверхности деформируют под действием силы пресса Р (рис. 20, а), преодолевая силы сопротивления деформации оси Р₁ и ступицы колеса Р₂ а также силу трения Р_т. Причём, сила трения по мере продвижения оси относительно ступицы колеса возрастает по закону, близкому к прямолинейному, а сила для её преодоления - по линии Оа (рис. 20, б). Суммарная кривая Od учитывает преодоление сил Р₁ и Р₂ и представляет собой теоретическую диаграмму зависимости усилия запрессовки от величины продвижения колеса на оси. Рациональное усилие в конце запрессовки должно находиться в пределах 390...580 кН на каждые 100 мм диаметра подступичной части оси. Недопустимы как меньшие, так и большие величины конечных усилий запрессовки: меньшие не обеспечат необходимой прочности прессового соединения, а большие - вызовут перенапряжения материала оси и ступицы. Форма нормальной запрессовки должна быть плавной нарастающей, несколько выпуклой кривой и почти горизонтальной в конце. На каждую формируемую колёсную пару индикатор вычерчивает две диаграммы для левого и правого колёс.

К

Рис.20 – Схема процесса запрессовки колеса на ось:

а – схема распределения усилий

б – теоретическая диаграмма

ачество запрессовки устанавливается анализом диаграммы. При этом контролируемыми параметрами диаграммы являются конечное усилие, длина сопряжения и форма кривой.

В случае получения неудовлетворительной диаграммы по форме, длине сопряжения или несоответствию нормам конечного усилия запрессовки соединение бракуется, и колёсная пара подлежит расформированию.

У сформированных колёсных пар подлежат проверке следующие параметры: расстояние между внутренними боковыми поверхностями ободьев колёс, разница расстояний между внутренними боковыми поверхностями ободьев колёс до ближних к ним торцов оси, разность диаметров колес по кругу катания, отклонение от соосности кругов катания колес относительно оси базовой поверхности. После осмотра, обмера и проверки колесные пары передают на участок механической обработки, где обрабатывают поверхности катания, обтачивают и накатывают шейки, а затем проверяют основные размеры колесной пары. Обработанные колесные пары передают на участок окраски, где их покрывают краской черного цвета на олифе, лаком или эмалью. Окраске подлежат: колеса по всей поверхности, кроме поверхности катания у пассажирских и ободьев у грузовых вагонов; подступичные и предподступичные части оси между лабиринтными кольцами и ступицами колес (после монтажа буксовых узлов); средняя часть оси.

На каждой принятой колесной паре в холодном состоянии выбивают знаки маркировки и клеймения. На торце шейки правой стороны колесной пары наносят (рис.22): 1 – знак формирования; 2 – клеймо ОТК; 3 – условный

Рис.22. Знаки и клейма, наносимые на торцы шейки правой стороны колесной пары: а – с осью типа РУ1; б – с осью типа РУ1Ш

номер предприятия, сформировавшего колесную пару; 4 – приемочные клейма МПС; 5 – дата формирования; 6 – клейма, относящиеся к изготовлению оси. При монтаже буксовых узлов на предприятиях, которые не производили формирование колесных пар, знаки и клейма о производстве монтажа выбиваются на торце левой шейки (рис. 23): 1 – условный номер предприятия, производившего монтаж буксовых узлов; 2 – знак монтажа буксовых узлов; 3 – дата монтажа. При постановке редукторно-карданного привода генератора от торца шейки оси колесная пара подлежит полному освидетельствованию с нанесением клейма - букв РК и даты установки (месяц римской цифрой и две последние цифры года). Колёсные пары, подвергшиеся динамической балансировке, имеют клеймо "Б", выбитое на ободе каждого колеса рядом с маркировкой (см. рис. 14). После опробования ступиц колёс на сдвиг в сторону распрессовки на торце оси с правой стороны колёсной пары выбивают знаки и клейма: две округлённые буквы ФФ, номер завода или ВКМ, дату опробования на сдвиг. приёмочные клейма МПС.

О дним из важнейших преимуществ прессового соединения вагонных колёс с осью является наличие контроля качества запрессовки путём анализа индикаторной диаграммы, что обеспечивает надёжность работы колёсной пары и безопасность движения поездов: Однако, при прессовой посадке колёс. на оси обычно до 25...30% напрессовок имеет несоответствие конечных усилий нормам или отклонение формы индикаторной диаграммы от допустимой. Кроме того, при прессовой посадке иногда возникают механические повреждения сопрягаемых поверхностей, снижающие усталостную прочность и надёжность колёсной пары, а также сдвиги колёс с оси в процессе эксплуатации

Рис. 23. Расположение знаков и клейм на левой шейке оси колесных пар: а – типа РУ - 950; б – типа РУ1Ш - 950

вагонов.

С целью устранения перечисленных недостатков проводились исследования по применению тепловой посадки, при которой нагретую ступицу колеса, имеющую предварительный натяг, свободно надевают на ось. После остывания колесо прочно соединяется с осью. Преимущества такой посадки по сравнению с прессовой: повышаются усилия распрессовки колёс, по величине которых оценивают надёжность соединения колеса с осью; исключаются механические повреждения сопрягаемых поверхностей в процессе напрессовки, что увеличивает усталостную прочность колёсной пары.

Вместе с тем, такое соединение вагонного колеса с осью обладает существенными недостатками: отсутствие индикаторной диаграммы лишает возможности надёжного контроля прочности посадки; потребность в больших затратах электроэнергии на подогрев колёс перед насадкой на ось и их снятием при переформировании колёсной пары; необходимость в дополнительной площади колёсного цеха, потребной для отстоя колесных пар с целью охлаждения колёсных пар после насадки колёс; усложнение снятия колёс с оси, так как без предварительного подогрева ступицы требуются большие усилия распрессовки и возникают при этом задиры посадочных поверхностей.

Для решения вопроса целесообразности использования тепловой посадки вагонных колёс на ось необходимо технико-экономическое обоснование с подробной оценкой всех положительных и отрицательных факторов, а также обеспечение гарантированного контроля прочности теплового соединения. Вследствие отсутствия надёжного контроля качества посадки, усложнения снятия колёс с оси при расформировании колёсных пар и значительно больших затрат энергии на нагрев тепловое соединение в настоящее время на наших дорогах не применяется.

С целью устранения некоторых недостатков тепловой посадки проводились специальные исследования. В частности, для устранения задиров посадочных поверхностей и снижения распрессовочных усилий применяют маслосъём: в стенке ступицы колеса просверливают отверстия и на посадочной поверхности ступицы протачивают канавку. Через эти отверстия и канавку под большим давлением нагнетают масло, которое просачивается по всей поверхности сопряжения оси и ступицы и обеспечивает полужидкостное трение при снятии колеса с оси. Проводились также исследования по применению клеевого соединения колёс с осью при уменьшенном натяге тепловой посадки. Как показали результаты исследований, проведенных в Германии, уменьшение натяга в 3-5 раз снижает напряжения от посадки в ступице колеса, а в подступичной части оси втрое, что повышает прочность колесной пары при меньшей ее массе.

Контрольные вопросы

1.Назначение колесных пар. Основные требования к их конструкции.

2. Классификация колесных пар.

3. Эскиз колесной пары типа РУ1-950.

4. Эскиз колесной пары типа РУ1Ш-950.

5. Эскиз колесной пары типа РУ-950.

6. Эскиз колесной пары типа РУ-1050.

7. Эскиз колесной пары типа III-950.

8. История развития конструкций колесных пар и их элементов.

9. Расстояние между внутренними гранями колес колесных пар в зависимости от скорости движения.

10. Допускаемая разность диаметров колес одной колесной пары.

11. Допускаемая величина дисбаланса в зависимости от скорости движения.

12. Эскиз колесной пары с дисковыми тормозами.

13. Эскиз колесной пары моторного вагона электропоезда.

14. Эскиз колесной пары с раздвижными колесами.

15. Эскиз колесной пары колеи 750.

16. Эскиз оси типа РУ1.

17. Эскиз оси типа РУ1Ш (сплошной).

18. Эскиз оси типа РУ1Ш (полой).

19. Эскиз оси типа РУ.

20. Эскиз оси типа III.

21. Материал вагонных осей.

22. Маркировка на чистовой оси.

23. Классификация колес.

24. Эскиз цельнокатаного колеса.

25. Материал колес.

26. Профиль катания вагонных колес для скоростей движения до 160 км\ч.

27. Профиль катания вагонных колес пассажирских вагонов для скоростей движения более 160 км\ч.

28. Профиль катания колес вагонов промышленного транспорта.

29. Знаки и клейма на вагонах.

30. Конструкция упругих колес.

31. Соединение колес с осью. Прессовая посадка.

32. Тепловая посадка (сущность, преимущества, недостатки).

33. Знаки и клейма на левом и правом торцах шеек оси.