чем определяется тип колесной пары
Содержание материала
Глава 2 КОЛЕСНЫЕ ПАРЫ
2.1. Назначение, классификация и устройство колесных пар
Колесная пара является одной из главнейших и весьма ответственных частей вагона. Она несет на себе массу вагона, направляет его движение по рельсовому пути и воспринимает все нагрузки, передающиеся от вагона на рельсовый путь и обратно. В связи с этим вагонная колесная пара должна обладать достаточной прочностью и износостойкостью, иметь возможно меньшую массу и обеспечивать безопасность движения поездов, которая во многом зависит от конструкции, материала, технологии изготовления, ремонта и качества осмотра колесных пар.
Конструкция и содержание колесных пар оказывают влияние на плавность хода, на силы, возникающие при взаимодействии вагона и пути, и на сопротивление движению.
Типы, основные размеры и технические условия на изготовление определяются государственным стандартом, а ремонт и содержание — специальной Инструкцией по осмотру, освидетельствованию, ремонту и формированию вагонных колесных пар и Правилами технической эксплуатации железных дорог СССР.
Рис. 2.1. Колесная пара.
Колесная пара состоит из оси 2 и двух колес 1, прочно насаженных на ось (рис. 2.1).
ГОСТ 4835—71 предусматривает шесть типов колесных пар для вагонов магистральных железных дорог: 111-1050, 111-950; РУ-1050; РУ-950;
РУ1-950; РУ1Ш-950. Цифры и буквы до дефиса указывают тип оси, цифры после дефиса — диаметр колеса в миллиметрах.
Колесные пары типов Ш-1050 и РУ-1050 для новых вагонов не изготовляются, их используют только при ремонте вагонов.
Колесные пары с осями III типа приспособлены для подшипников скольжения, а колесные пары с осями РУ, РУ1 и РУ1Ш — для роликовых подшипников. При этом РУ означает роликовая унифицированная для подшипников 280 мм, т. е. предназначенная как для грузовых, так и для пассажирских вагонов; РУ1 — роликовая унифицированная для подшипников диаметром 250 мм на горячей посадке с торцовым креплением гайкой; РУ1Ш — то же, с торцовым креплением шайбой.
Чтобы обеспечить безопасность движения вагона по рельсовому пути, особенно по стрелочным переводам, колеса укрепляются на оси так, чтобы расстояние между внутренними вертикальными гранями ободьев колес было равно (1440±3) мм, а у вновь формируемых колесных пар — мм.
Для повышения плавности хода, что особенно существенно при высоких скоростях движения, а также для уменьшения боковых сил, передаваемых от колес на рельсы, целесообразно сократить возможные поперечные перемещения колесных пар относительно рельса. Это уменьшает износ колес и рельсов, снижает сопротивление движению, повышает устойчивость колесных пар. Уменьшению поперечного перемещения колесных пар способствует переход в СССР к колее шириной 1520 мм вместо 1524 мм.
Чтобы избежать перекосов и скольжения колес по рельсам, повышающих сопротивление движению и вызывающих неравномерный и увеличенный износ поверхностей катания колес, последние должны иметь минимальную разность диаметров поверхностей катания колес одной и той же колесной пары не более 1 мм.
Чтобы не возникали силы инерции от дисбаланса, колесные пары должны быть уравновешенными (ГОСТ 4835— 71).
Оси колесных пар, их конструкции и основные размеры
Вагонные оси представляют собой стальные брусья круглого, переменного по длине поперечного сечения, в зависимости от усилий, возникающих в отдельных частях осей.
На рис. 2. 2 показаны стандартные типы осей железных дорог широкой колеи СССР, а в табл. 2.1 — их основные размеры.
Рис. 2.2. Вагонные оси:
а — для подшипников скольжения; б — для подшипников качения.
Концевые части 4 оси, имеющие цилиндрическую форму, называются шейками и служат для размещения на них подшипников и передачи нагрузки от вагона.
Таблица 2.1. Основные размеры стандартных осей
Диаметр пред-
подступичной части d2, мм
НАЗНАЧЕНИЕ И УСТРОЙСТВО КОЛЕСНОЙ ПАРЫ
В данную страницу сайта мы внесли значительные изменения по замечаниям Алексея Николаевича Дывыдова. Они связаны, прежде всего с ГОСТ 4835-2006, который устанавливает новые типы и размеры колесных пар. Обращаем внимание читателей, что согласно этому ГОСТу оси РУ1 (с резьбой и корончатой гайкой) больше не выпускаются, а диаметр колеса по кругу катания не 950 мм, как было раньше, а 957 мм.
Колёсные пары относятся к ходовым частям и являются одним из ответственных элементов вагона. Они предназначены для направления движения вагона по рельсовому пути и восприятия всех нагрузок, передающихся от вагона на рельсы при их вращении. Работая в сложных условиях нагружения, колёсные пары должны обеспечивать высокую надёжность, так как от них во многом зависит безопасность движения поездов. Поэтому к ним предъявляют особые, повышенные требования Госстандарта, Правила технической эксплуатации железных дорог, Инструкция по освидетельствованию, ремонту и формированию вагонных колёсных пар, а также другие нормативные документы при проектировании, изготовлении и содержании. Конструкция и техническое состояние колёсных пар оказывают влияние на плавность хода, величину сил, возникающих при взаимодействии вагона и пути, и сопротивление движению.
Работая в современных режимах эксплуатации железных дорог и экстремальных условиях окружающей среды, колёсная пара вагона должна удовлетворять следующим основным требованиям: обладать достаточной прочностью, имея при этом минимальную необрессоренную массу с целью снижения тары подвижного состава и уменьшения непосредственного воздействия на рельсовый путь и элементы вагона при прохождении неровностей рельсовой колеи; обладать некоторой упругостью, обеспечивающей снижение уровня шума и смягчение толчков, возникающих при движении вагона по рельсовому пути; совместно с буксовыми узлами обеспечивать, возможно, меньшее сопротивление при движении вагона и возможно большее сопротивление износу элементов, подвергающихся изнашиванию в эксплуатации.
КЛАССИФИКАЦИЯ КОЛЕСНЫХ ПАР. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ИХ КОНСТРУКЦИЙ
Колёсная пара (рис. 1) состоит из оси 1 и двух укрепленных на ней колёс 2. Типы, основные размеры и технические условия на изготовление вагонных колёсных пар определены Государственными стандартами, а содержание и ремонт «Правилами технической эксплуатации железных дорог» (ПТЭ) и «Инструкция по осмотру, освидетельствованию, ремонту и формированию вагонных колесных пар ЦВ/3429», а также другими нормативными документами при проектировании, изготовлении и содержании. Конструкция и техническое состояние колёсных пар оказывают влияние на плавность хода, величину сил, возникающих при взаимодействии вагона и пути, и сопротивление движению.
Тип колёсной пары определяется типом оси и диаметром колес (табл. 1).Согласно ГОСТ 4835-2006 устанавливают пять типов колесных пар с осями типов РУ1Ш и РВ2Ш и колесами диаметром по кругу катания 957 мм в зависимости от типа вагона и максимальной расчетной статической нагрузки от колесной пары на рельсы (таблица 1).
Таблица 1
Типы колесных пар вагонов
Конструкционная скорость вагона, км/час
Мксимальная расчетная статистическая нагрузка от колесной пары на рельсы, кН (тс)
Пример условного обозначения колесной пары для грузового вагона с осью типа РУ1Ш и колесами диаметром 957 мм с буксовыми узлами:
Колесная пара РУ1Ш-957-Г ГОСТ 4835-2006
То же, без буксовых узлов:
Колесная пара РУ1Ш-957 без буксовых узлов ГОСТ 4835-2006
В настоящее время из ГОСТ 4835-2006 исключены оси РУ1 с торцевым креплением гайкой М110 и большинство заводов прекратило выпуск осей данного типа. Колесные пары РУ1-950 и РУ1Ш-950 еще можно встретить в эксплуатации.
Диаметры шеек 3, (рис. 1), подступичной 5 и средней 6 частей оси определяют исходя из расчётной нагрузки. Предподступичная часть 4 является ступенью перехода от шейки к подступичной части оси и служит для установки уплотняющих устройств корпуса буксы. На nодступичных частях 5 прочно закрепляются колёса 2. На шейках 3 размещаются подшипники.
Колёсные пары с осями, предназначенными для эксплуатации с роликовыми подшипниками, различают между собой конструкцией торцового крепления внутренних колец роликовых подшипников на шейке:
Большое внимание прочности и надёжности колёсных пар уделялось при создании первых вагонов. Нормальная ось до 1892 г. выпуска имела диаметры шеек, подступичных и средней частей соответственно 100, 135 и 126 мм. В связи с увеличением грузоподъёмности и тары вагонов, а также скорости движения поездов возрастали нагрузки, действующие на колёсные пары, что требовало усиления их элементов. В результате возрастали диаметры осей, совершенствовались конструкции колёс и повышалась прочность посадки их на ось.
В дореволюционной России колёсные пары оснащали составными (бандажными) колёсами, состоящими из колёсного центра, бандажа и укрепляющих его элементов. До 1892 г. применяли колёса, центры которых были деревянными (рис. 2) (колеса Мензеля). Их изготовляли из дерева твёрдых пород. В колёсном центре помещали деревянный диск 2, состоявший из 16 секторов тикового дерева. Он находился между бандажом 1 и ступицей 3, был скреплён с ними при помощи колец 4 и 5, стянутых болтами 6.
Рис.2 Колесо с деревянным центром
Как отмечалось, в те времена такие колёса обладали бесшумным и сравнительно спокойным ходом, смягчали вертикальные толчки. Однако вследствие усушки дерева в процессе эксплуатации болты ослабевали, что нарушало безопасность движения поездов и приводило к необходимости постоянного наблюдения за состоянием крепления.
Поэтому колёса с деревянными центрами (колёса Мензеля) изъяли из эксплуатации. До 1900 г. распространение получили кованые центры, затем литые спицевые, дисковые стальные и чугунные. В 1948 г. изготовление чугунных центров было прекращено вследствие большой массы, малой прочности и частых повреждений при формировании колёсных пар. Прекратилось также изготовление спицевых центров из-за неравномерной жёсткости обода и ослабления соединения с бандажом, завихрения воздуха. Завихрение воздуха вызывало попадание песка на трущиеся поверхности ходовых частей и повышенный износ и задиры металла.
В 1931 г. был совершен переход от бандажных колёс к более совершенным безбандажным, который завершился в 70-х годах. В 1953 г. было также прекращено производство чугунных колёс, поскольку на них часто появлялись выщербины, раковины и отколы, угрожавшие безопасности движения поездов и сокращавшие срок их службы. Более надёжными в эксплуатации зарекомендовали себя стальные литые. С 1935 г. было организовано производство цельнокатаных колёс, обладающих существенными преимуществами перед литыми. С годами цельнокатаные колёса совершенствовались, и они получили широкое распространение.
Для безопасного движения вагона по рельсовому пути на ось 1 прочно закрепляются колёса 2 (рис. 3) с соблюдением строго определённых размеров. Расстояние между внутренними гранями колёс 2s составляет: для новых колёсных пар, предназначенных для вагонов, обращающихся со скоростями до 120 км/ч – (1440±3), свыше 120, но не более 160 км/ч – (1440
) мм. Номинальное расстояние между кругами катания колес 2l равно 1580 мм, а между серединами шеек 2b – 2036 мм.
Рис.3. Основные размеры колесной пары
Рис.4 Колесная пара с тормозными дисками (3)
Колёсная пара моторного вагона электропоезда (рис. 5) состоит из оси 5 и двух бандажных колёс 6 с литыми спицевыми колесными центрами 2 и бандажами 1. Один колёсный центр имеет удлинённый фланец 7, к которому прецизионными болтами крепится фланец зубчатого колеса 3 редуктора. Редуктор устанавливается на подшипнико-редукторном узле 4. Колёсные пары вагонов промышленного транспорта, предназначенные для эксплуатации с повышенными нагрузками, имеют увеличенные диаметры, в частности, диаметр шеек составляет 180 мм.
Колёсные пары с раздвижными колёсами на оси имеют более сложную конструкцию. На Брянском машиностроительном заводе в 1957 г. была создана колёсная пара с раздвижными на оси колёсами (рис. 6). Передвижение колёс из одного положения в другое происходит автоматически при движении вагона по специальному переводному стенду, соединённому одним концом с колеёй 1520 мм, а вторым – с колеёй 1435 мм. Раздвижная колёсная пара состоит из оси 2, вдоль которой могут перемещаться колёса 1 при переходе вагона с колеи одной ширины на колею другой ширины.
Колесная пара: устройство, вес, типы и виды неисправностей
Колесная пара — состоит из оси, соединенной с колесным центром и зубчатыми колесами тяговой передачи, которые вращаются как единое целое. На колесные центры закреплены бандажи, которые на локомотивах сменные, а на вагонах, как правило колеса цельнолитые. Такая конструкция позволяет выдерживать пробег в несколько сотен тысяч километров при условии своевременной замены бандажей, профилактике зубчатой тяги и нужного типа рельс.
Меню страницы:
Прохождение кривых большого радиуса (порядка 500 м или более) выполняется из-за разницы диаметров колес вдоль окружностей колеса, которая возникает, когда колесная пара смещается по всей траектории. Это различие характеризуется тем, что плоскость колес (профиль колеса) является не цилиндрической, а конической формы: диаметр обода колеса снаружи меньше, чем изнутри, что с учетом профиля поверхности рельса позволяет колесной паре смещаться от центра рельса к внешней стороне поворота. Это позволяет переключаясь на разные колеса во время движения поезда. Движение колесной пары по на стрелочных переводах, где радиус дуги гораздо меньше, осуществляется за счет наличия гребней на колесах. Поверхность рельса и гребня внешнего колеса контролируется силами, возникающими в результате движения колесной пары и контакта внутренней боковой поверхности рельса. При движении состава по прямой гребни колёс выполняют стабилизирующую функцию для поддержки прямолинейного направления движения.
Во время движения поезда между колесом и рельсом наблюдаются микродеформации, за счет того что металл не является сверх плотным. Это создает постоянное нарастание силы скрепления колеса и рельса, во время увеличения скорости и увеличения сил трения. Существуют системы из пары колёс, позволяющих вращаться с разными относительными скоростями. Такие колеса не являются колесными парами и применяются исключительно в мало скоростных подвижных составах.
Колесные пары
1 Классификация и особенности устройства колесных пар
Колесные пары относятся к ходовым частям и являются одним из ответственных элементов вагона. Они предназначены для направления движения вагона по рельсовому пути и восприятия всех нагрузок, передающихся от вагона на рельсы при их вращении. Работая в сложных условиях загружения, колесные пары должны обеспечивать высокую надежность, так как от них во многом зависит безопасность движения поездов. Поэтому к колесным парам предъявляются особые, повышенные требования Госстандартами, Правилами технической эксплуатации железных дорог, Инструкцией по осмотру, освидетельствованию, ремонту и формированию вагонных колесных пар, а также другими нормативными документами при проектировании, изготовлении и содержании в эксплуатации. Конструкция и техническое состояние колесных пар оказывают влияние на плавность хода, величину сил, возникающих при взаимодействии вагона и пути, и сопротивление движению.
Работая в современных режимах эксплуатации железных дорог и экстремальных условиях окружающей среды, колесная пара вагона должна удовлетворять следующим оновным требованиям: обладать достаточной прочностью, имея при этом минимальную необрессоренную массу (с целью снижения тары подвижного состава и уменьшения непосредственного воздействия на рельсовый путь и элементы вагона при прохождении неровностей рельсовой колеи); обладать некоторой упругостью, обеспечивающей снижение уровня шума и смягчение толчков, возникающих при движении вагона по рельсовому пути; совместно с буксовыми узлами обеспечивать возможно меньшее сопротивление при движении вагона и возможно большее сопротивление износу элементов, подвергающихся изнашиванию в эксплуатации.
Колесная пара (рис. 3.6) состоит из оси 1 и двух укрепленных на ней колес 2. Тип колесной пары определяется типом оси и диаметром колес, а также конструкцией подшипника и способом крепления его на оси (табл. 3.1). Типы вагонных осей различают по размерам и форме шейки — для роликовых подшипников качения и подшипников скольжения. Размеры оси устанавливают в зависимости от величины расчетной нагрузки, воспринимаемой ею при эксплуатации.
В эксплуатации еще находится небольшое количество колесных пар с осями типа РУ с диаметром шеек 135 мм, которые в настоящее время заменяются более современными. Основным типом колесных пар являются конструкции с цельнокатаными стальными колесами с диаметром по кругу катания 950 мм. В старотипных пассажирских вагонах осталось малое количество колесных пар с диаметром 1050 мм.
Для безопасного движения вагона по рельсовому пути на ось 1 прочно закрепляются колеса 2 (рис. 3.7) с соблюдением строго определенных размеров (табл. 3.2). Расстояние между внутренними гранями колес L составляет: для новых колесных пар, предназначенных для вагонов, обращающихся со скоростями до 120 км/ч — (1440 ± 3), свыше 120, но не более 160 км/ч (1440-1+3). Во избежание неравномерной передачи нагрузки на колеса и рельсы разность размеров от торца оси до внутренней грани обода допускается для колесной пары не более 3 мм. Колеса, укрепленные на одной оси, не должны иметь разность по диаметру D более 1 мм, что предотвращает односторонний износ гребней и не допускает повышения сопротивления движению. С целью снижения инерционных усилий, колесные пары скоростных вагонов подвергаются динамической балансировке: для скоростей 140—160 км/ч допускается дисбаланс не более 6 Н*м; для скоростей 160—200 км/ч — не более 3 Н*м.
Кроме колесных пар, изготавливаемых в соответствии ГОСТ 4835-80, поставляются конструкции, выполненные по специальным чертежам и техническим условиям для вагонов промышленного транспорта, для вагонов электропоездов и дизель-поездов, а также с раздвижными на оси колесами для эксплуатации на железных дорогах с различной шириной колеи и др. В вагонах, оснащенных дисковыми тормозами, на оси 1 (рис. 3.8), кроме двух колес 2, прочно укреплены диски 3.
р
2 Вагонные оси
Вагонные оси (рис. 3.9) являются составной частью колесной пары и представляют собой стальной брус круглого переменного по длине поперечного сечения.
На подступичных частях 3 оси располагаются колеса, укрепленные жестко или подвижно, а на шейках 1 размещаются подшипники. Вагонные оси различают между собой: размерами, определяемыми в зависимости от заданной нагрузки; формой шейки оси в соответствии с применяемым типом подшипника — для подшипников качения и подшипников скольжения; формой круглого поперечного сечения — сплошные или полые; способом торцового крепления подшипников качения на шейке оси — корончатой гайкой или шайбой. Кроме того, оси классифицируются по материалу и технологии изготовления. Между шейками 1 и подступичными частями 3 находятся предподступичные части 2, служащие для размещения деталей задних уплотняющих устройств букс, а также снижения концентрации напряжений в переходных сечениях от подступичных частей к шейкам оси. В местах изменения диаметров для снижения концентрации напряжений имеются плавные сопряжения — галтели, выполненные определенными радиусами: от шейки 1 к предподступичной 2, от предподступичной к подступичной 3 и от средней 4 к подступичной частям. Снижение концентрации напряжений, вызванных посадкой внутреннего кольца роликового подшипника, обеспечивается разгружающей канавкой, расположенной у начала задней галтели шейки оси (рис. 3.9, г). Оси для подшипников качения на концах шеек имеют нарезную часть К (рис. 3.9, а) для навинчивания корончатой гайки, а на торце имеется паз с двумя нарезными отверстиями для постановки и крепления двумя болтами стопорной планки. В вагонных осях с креплением подшипников качения при помощи приставной шайбы в торцах шеек делаются нарезные отверстия для болтов (рис. 3.9, б) в двух вариантах: при помощи трех или четырех болтов. Оси для подшипников скольжения по торцам шеек имеют буртики М (рис. 3.9, в), служащие для ограничения смещения подшипников вдоль оси наружу при движении вагона. На торцах всех типов осей предусмотрены центровые отверстия (рис. 3.9, д, ё), служащие для установки и закрепления оси или колесной пары в центрах при обработке на токарном станке. Форма и размеры центровых отверстий стандартизированы. Оси колесных пар, оборудуемых дисковым тормозом, а также оси, на которых предусмотрена установка привода подвагонного генератора, имеют посадочные поверхности для установки тормозных дисков или деталей редуктора. Основные размеры и допускаемые нагрузки для стандартных типов осей вагонов широкой колеи, кроме вагонов электропоездов и дизель-поездов, приведены в табл. 3.3.
На шейке осей РУ-1 и РУ-1Ш устанавливаются роликовые подшипники с наружным диаметром 250 мм, а на шейке оси РУ — 280 мм, поэтому посадочные диаметры у них разные. Для грузовых вагонов с повышенными нагрузками на ось 245 кН предусмотрена усиленная ось, которая также применяется для специализированных грузовых вагонов с нагрузкой на ось 30 тс (сталь ОС ГОСТ 4728-96).
3 Вагонные колеса
По конструкции вагонные колеса можно разделить на: безбандажные (цельные); бандажные (составные, состоящие из колесного центра, бандажа и предохранительного кольца); упругие, имеющие между бандажом и колесным центром упругий элемент; раздвижные на оси, вращающиеся на оси колеса. По способу изготовления колеса делятся на катаные и литые. В зависимости от размеров диаметра, измеренного в плоскости круга катания, — 950 и 1050 мм.
В эксплуатации колеса, перекатываясь по рельсовому пути и передавая ему значительные статические и динамические нагрузки через небольшую площадку, работают в сложных условиях окружающей среды. Одновременно с этим в процессе торможения между колесами и колодками, а также в контакте с рельсами возникают силы трения, вызывающие нагрев и износ обода, что способствует образованию в нем ряда дефектов. Удары на стыках могут вызывать появление трещин и отколов в ободе колес. В этой связи от их исправного состояния во многом зависит безопасность движения поездов.
Учитывая сложные условия работы и повышение надежности в эксплуатации, поверхность катания колеса должна обладать высокой прочностью, ударной вязкостью и износостойкостью, а металл диска и ступицы, удерживающихся на оси силами упругости, необходимой вязкостью. Этим требованиям удовлетворяют составные колеса, в которых бандаж можно изготовлять из стали повышенной прочности и твердости, а колесный центр — из более вязкой и дешевой стали. Кроме того, при достижении предельного износа или появлении друго¬го повреждения в эксплуатации бандаж можно заменить без смены колесного центра.
Однако в современных условиях эксплуатации железных дорог из-за существенных недостатков по прочности и надежности, значительной трудоемкости формирования колесной пары и повышенной массы бандажные колеса в нашей стране были заменены безбандажными. Причем наиболее совершенными и надежными в эксплуатации признаны стальные цельнокатаные. Конструкция, размеры и технология изготовления колес определяются Гос. стандартами.
Стальное цельнокатаное колесо (рис. 3.10) состоит из обода 7, 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 с ободом 1 объединены 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 10791-89 цельнокатаные колеса изготовляются из сталей двух марок: 1 — для пассажирских вагонов локомотивной тяги, немоторных вагонов электропоездов и дизель-поездов; 2 — для грузовых вагонов железных дорог колеи 1520 мм.
Химический состав сталей, в %, марки 1 — углерода 0,44—0,52, марганца 0,80—1,20, кремния 0,40—0,60, ванадия 0,08—0,15; марки 2 — углерода 0,55—0,65, марганца 0,50—0,90, кремния 0,20—0,42; для обеих марок сталей допускается не более: фосфора 0,035 и серы 0,040. Ободы колес подвергаются упрочняющей термической обработке путем прерывистой закалки и отпуска. Механические свойства стали ободов после упрочняющей термической обработки должны соответствовать нормам (табл. 3.4).
Ударная вязкость стали дисков колес при температуре 20 °С должна быть не менее: для стали марки 1 — 0,3 МДж/м² для стали марки 2 — 0,2 МДж/м².
На процессы взаимодействия колес с рельсами и безопасность движения поездов существенное влияние оказывает профиль поверхности катания. Стандартный профиль поверхности обода колеса (рис. 3.11) распространяется на колеса для колесных пар тележек грузовых и пассажирских вагонов локомотивной тяги. Он имеет гребень, служащий для направления движения и предохранения от схода колесной пары. Гребень 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 колесной пары на рельсах и уменьшает износ.
Стандартный профиль (см. рис. 3.11) имеет конусность рабочей части 1:10, которая обеспечивает центрирование колесной пары при ее 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 45° наружная грань (см. рис. 3.11) приподнимается над головкой рельса даже при наличии допустимого проката, наплыва металла и других дефектов поверхности катания колес, обеспечивая безопасный проход стрелочных переводов. Профиль поверхности катания обода для колесных пар пассажирских вагонов, эксплуатируемых со скоростями движения свыше 160 км/ч, имеет горизонтальную площадку между размерами 60,7 до 70 мм, а далее конусности 1:50; 1:10; 1:3,5 и фаску 6 мм х 45°. Наружная грань гребня составляет 65° к горизонтали вместо 60°, как это предусмотрено в стандартном профиле (см. рис. 3.11), переходные радиусы закруглений также изменены.
Цилиндрическая часть катания, обработанная в соответствии с горизонтальной частью профиля, исключает извилистое движение колесной пары, а вместе с уменьшенной конусностью до 1:50 рабочей части колеса не допускает ухудшения плавности хода вагона. Увеличение угла наклона наружной грани гребня, совместно с изменением профиля рабочей части поверхности катания колеса, улучшает устойчивость движения колесной пары, способствует уменьшению износа гребня, повышает безопасность движения вагонов скоростных поездов. Технология изготовления стальных колес основана на штампованно-катаном способе, включающем в себя процессы подготовки заготовок, их нагрева, горячей деформации, противофлоксной, термической и механической обработки, контроля и испытания.
В процессе изготовления колес на наружной грани обода в горячем состоянии наносят знаки и клейма (рис. 3.12).
Упругие колеса имеют более сложную конструкцию. Включая упругие элементы между ободом и колесным центром, они обладают целым рядом преимуществ, особенно важных для вагонов скоростных пассажирских поездов, трамваев и метрополитена: смягчают вертикальные и боковые толчки; имеют минимальную необрессоренную массу; уменьшают шум при движении вагона; обеспечивают упругую передачу крутящего момента в моторных вагонах при движении и торможении.
4 Соединение колеса с осью
Безопасность движения поездов во многом зависит от надежного соединения колеса с осью, которое осуществляется главным образом посредством прессовой посадки. При этом способе колеса, посаженные на ось, удерживаются на ней благодаря наличию натяга, образующегося за счет несколько большего диаметра подступичной части оси по сравнению с диаметром ступицы колеса. При этом от величины натяга существенно зависит прочность соединения: недопустимы как завышенные, так и заниженные натяги. Кроме того, на надежность 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 4835-80 и другим указанным в нем стандартам, а также требованиям нормативно-технической документации МПС России, в которых установлены нормы контроля прочности посадки и способы устранения неисправностей, возникающих в процессе запрессовки. Формирование вагонных колесных пар и процесс запрессовки колес на ось осуществляют в колесных цехах вагоностроительных (ВСЗ) и вагоноремонтных (ВРЗ) заводов и вагонных колесных мастерских (ВКМ), оснащенных станками для обработки осей и колес, стендами для дефектоскопии осей и колес, гидравлическими прессами с индикатором качества запрессовки, подъемными кранами, транспортными механизмами и др. Перед запрессовкой производят обработку сопрягаемых поверхностей ступицы колеса и подступичной части оси с соблюдением норм натяга, допусков округлости (овальности), профиля продольного сечения (конусообразности), волнистости, шероховатости.
Для обеспечения плавного захода оси в ступицу колеса при запрессовке наружный конец подступичной части оси обтачивается на конус с разностью диаметров не более 1 мм и длиной 7—15 мм (запрессовочный конус). Для обеспечения установленной шероховатости подступичные и средняя части оси после механической обработки упрочняются накатыванием специальными роликами и затем испытывают магнитным дефектоскопом. Посадочная поверхность ступицы колеса растачивается на карусельном станке с обеспечением натяга в пределах 0,1—0,25 мм. Во избежание задиров в процессе запрессовки и снижения концентрации напряжений в оси внутренние кромки отверстия ступицы выполняют с закруглением радиусом 4—5 мм.
Процесс запрессовки колес на ось выполняется следующим образом. Подготовленное колесо и ось подвешивают на балке пресса так, чтобы геометрические оси отверстия ступицы, плунжера пресса и вагонной оси совпадали. Сопрягаемые поверхности оси и колеса покрывают ровным слоем натуральной олифы или другого вареного растительного масла (льняного, конопляного или подсолнечного). Конец оси вставляют в отверстие ступицы, а торец другого конца оси упирают в торец плунжера, для защиты от повреждения резьбовой части на шейку оси надевают предохранительный стакан, включают электродвигатель пресса, что обеспечивает продвижение плунжера со скоростью не более 2 мм/с, необходимой для качественной запрессовки. После посадки одного колеса ось поворачивается и процесс повторяется.
Благодаря натягу, сопрягаемые поверхности деформируются под действием силы пресса Р (рис. 3.13, а), преодолевая силы сопротивления деформации оси Р1 и ступицы колеса Р2, а также силу трения Рт. Причем сила трения по мере продвижения оси относи¬тельно ступицы колеса возрастает по закону, близкому к прямолинейному, а сила для ее преодоления — по линии 0а (рис. 3.13, б).
Суммарная кривая Оd 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 диаграммы запрессовки должна быть плавно нарастающей, несколько выпуклой кривой и почти горизонтальной в конце. На каждую формируемую колесную пару индикатор вычерчивает две диаграммы — для левого и правого колес.
Качество запрессовки устанавливают анализом диаграммы. При этом контролируемыми параметрами диаграммы являются конечное усилие, длина сопряжения и форма кривой. Конечное усилие (рис. 3.14, а) определяют положением верхней точки кривой 3 от нулевой линии. В случае расположения начала и конца кривой выше или ниже нулевой линии (кривые У и 2, например) конечное усилие определяется с учетом величины этого смещения, т.е. так, как показано на рис. 3.14, а величинами Р´зк и Р´´зк, а при перекосе диаграммы конечное отклонение от нулевой линии также учитывается. В этих случаях при соответствии нормам конечного усилия запрессовка не бракуется. Минимально допустимая длина сопряжения L, определяемая по диаграмме (рис. 3.14, а), должна быть не менее 145i мм для колес номинального диаметра 950 мм и 155i мм для колес диаметра 1050 мм (i — передаточное число индикатора, т.е. масштаб диаграммы по длине). Вследствие некачественной обработки сопрягаемых поверхностей ступицы колеса и подступичной части оси, а также наличии других отклонений диаграммы будут иметь особенности по сравнению с нормальной (рис. 3.14, 6): 1 — вогнутость диаграммы, получаемая при наличии прямых конусов или впадин на посадочных поверхностях; 2—диаграмма с резкими колебаниями давления в средней части, получаемая при наличии на посадочных поверхностях резко выраженных неровностей; 3—диаграмма со скачком давления в конце запрессовки, получаемая в результате замедленного прекращения поступления масла в цилиндр пресса при окончании запрессовки; 4 — диаграмма с резкими колебаниями давления на большой длине, получаемая при наличии неровностей, расположенных на большой длине посадочных поверхностей; 5—диаграмма с плавным колебанием давления, получаемая при наличии на посадочных поверхностях более длинных неровностей; 6— нормальный вид диаграммы.
В случае получения неудовлетворительной диаграммы по форме, длине сопряжения или несоответствия нормам конечного усилия запрессовки соединение бракуется, а колесная пара подлежит расформированию. При отсутствии после распрессовки задиров на посадочных поверхностях разрешается повторно насадить колесо на ту же ось без дополнительной механической обработки. Более двух раз перепрессовывать колесо на один и тот же конец оси не разрешается без дополнительной механической обработки. На типовом бланке диаграммы записывают следующие данные: дату запрессовки, тип колесной пары, диаметры подступичной части оси и отверстия ступицы с точностью до 0,01 мм, номер оси, натяг, длину ступицы, конечное усилие запрессовки, маркировку цельнокатаного колеса правого (со стороны маркировки на торце оси) и левого.
Диаграмму запрессовки подписывают: в линейных предприятиях — мастер или начальник ВКМ, а при отсутствии начальника — старший мастер или заместитель начальника вагонного депо (ВЧД); на заводах МПС — мастер или инспектор ОТК, а на заводах промышленного транспорта, кроме того, заводской инспектор-приемщик МПС. На каждой забракованной диаграмме делается отметка «Брак» с указанием причины браковки. Годные и забракованные диаграммы запрессовки после оформления и приемки колесных пар хранятся в течение 20 лет.
У сформированных колесных пар подлежат проверке: расстояние между внутренними боковыми поверхностями ободов колес, разность расстояний между внутренними боковыми поверхностями ободов колес 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 производится обработка поверхности катания, обточка и накатка шеек, а затем проверяют основные размеры колесной пары. Обработанные колесные пары передаются на участок окраски, где они покрываются краской черного цвета на олифе, лаком или эмалью. Окраске подлежат: колеса по всей поверхности, кроме поверхности катания у пассажирских и ободов 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. 3.15): 1 — знак формирования; 2 — клеймо ОТК; 3 — условный 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 оси (рис. 3.16): 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). Колесные пары, подвергшиеся динамической балансировке, имеют клеймо «Б», выбитое на ободе каждого колеса рядом с маркировкой. После опробования ступиц колес на сдвиг в сторону распрессовки на торце оси с правой стороны колесной пары выбивают знаки и клейма: две округленные буквы ФФ, номер завода или ВКМ, дату опробования на сдвиг, приемочные клейма МПС.
Одним из важнейших преимуществ прессового соединения вагонных колес с осью является наличие контроля качества запрессовки путем анализа индикаторной диаграммы, что обеспечивает надежность работы колесной пары и безопасность движения поездов. Однако при прессовой посадке колес 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 надежность колесной пары, а также сдвиги колес с оси в процессе эксплуатации вагонов.
С целью устранения перечисленных недостатков проводились исследования по применению тепловой посадки, при которой нагретую ступицу колеса, имеющую предварительный натяг, свободно надевают на ось, а после остывания колесо прочно соединяется с осью.