Назначение, условия эксплуатации и типы колесных пар

Колесная пара является наиболее ответственным узлом вагона, от исправного состояния которого в решающей степени зависит безопасность движения. Колесные пары несут на себе массу всего вагона, направляют его по рельсовому пути и воспринимают жест­кие и разнообразные по направлению удары от неровности пути, собственных дефектов и стыков рельсового пути. При торможении колесная пара имеет значительный износ от тормозных колодок, а при движении юзом на поверхности колеса образуются выработ­ки, называемые ползунами. Особенно быстро износ гребня колеса происходит при прохождении поездом кривых участков пути. Боль­шинство пассажирских вагонов в пути следования делают частые остановки, которые происходят после срабатывания автоматичес­ких тормозов. При торможениях отдельные участки колес нагре­ваются до высоких температур и получают местную закалку с об­разованием участков повышенной твердости, на которых в даль­нейшем из-за ударных нагрузок появляются трещины, что приво­дит к разрушению металла по поверхности колеса.

В настоящее время в России для вагонов, эксплуатируемых со скоростями движения до 160 км/ч, используются типы колесных пар, приведенные в табл. 2.1.

Тип колесной пары определяется типом оси и диаметром колес, а также конструкцией подшипников и способом крепления их на оси. Буквы РУ и Ш в обозначении типа оси означают: Р — роли­ковая, т.е. для подшипников качения; У — унифицированная, т.е. для грузовых и пассажирских вагонов; Ш — крепление подшип­ников на оси при помощи шайбы.

На тележках пассажирских вагонов последних лет постройки используют дисковые тормоза. В этом случае на средней части оси имеются посадочные места для крепления тормозных дисков. Ко­лесные пары пассажирских вагонов, эксплуатируемые со скоростями движения более 160 км/ч для увеличения устойчивости и сни­жению износов имеют измененный профиль поверхности ката­ния колеса.

Колесная пара (рис. 2.1) со­стоит из оси с напрессованными на неё двумя колесами. Наруж­ная поверхность колеса, сопри­касающаяся с рельсом, называет­ся поверхностью катания. Про­филь поверхности катания имеет определенную форму и размеры. Гребень обода направляет колесную пару и предохраняет вагон от схода с рельсов. Колесная пара является тем элементом, который обеспечивает непосредственный контакт вагона и пути. От точнос­ти геометрических размеров и других параметров колесной пары в значительной мере зависят безопасность движения и ходовые ка­чества вагона.

Колесные пары РУ 1-950 и РУ1Ш-950 отличаются друг от друга устройствами шеек осей. Колесные пары типа РВ2Ш-957-Г выпускаются для грузовых ваго­нов новой постройки с нагруз­кой от оси на рельсы до 245,2 кН (25,0 тс). Для грузовых вагонов Разработаны и проходят испыта­ния колесные пары с осевыми на­грузками 30 и 27 тс.

Таблица 2.1

Ширина обода нового колеса — 130 мм. Диаметр колеса изме­ряют по кругу катания, которым называется совокупность точек на поверхности катания колеса, удаленных от внутренней грани на расстояние 70 мм. В этом же сечении следует измерять толщи­ну обода колеса. Расстояние между кругами катания колес одной колесной пары — 1580 мм.

Расстояние между внутренними боковыми поверхностями колес составляет 1439—1442 мм.

2.2. Конструкция осей

Ось служит для размещения колес и буксовых узлов. Она пред­ставляет собой круглый стержень переменного по длине попереч­ного сечения, каждая часть которого имеет свое название и на­значение.

Ось (рис. 2.2) имеет шейки 1 для размещения роликовых под­шипников; предподступичные части 2, служащие ступенью пере­хода от шейки к подступичнои части оси и предназначенные для установки лабиринтных колен букс; подступичные части 3, на которые прочно насаживают колеса; среднюю часть 4. Все части оси имеют цилиндрическую форму. Средняя часть выполняется цилиндрической или с коническими переходами от подступичных осей к средней

 

части оси. Оси колесных пар с дисковыми тормоза­ми имеют цилиндрическую часть с посадочными местами для тор­мозных дисков. Колесные пары с приводом генератора от средней части оси также могут иметь посадочные места для установки де­талей крепления привода на оси.

Для снижения концентрации напряжений в местах изменения диаметров оси делают плавные переходы — галтели, выполненные определенным радиусом. Снижение концентрации напряжения, вы­знанных посадкой деталей подшипников качения, достигается раз­гружающей канавкой, расположенной у начала галтели на шейке оси. На торцах всех типов осей имеются центровые отверстия для установки и закрепления оси или сформированной колесной па­ры в центрах токарных станков. Основной деформацией в оси яв­ляется деформация поперечного изгиба. Поэтому в соответствии с нагрузками наименьший диаметр имеют шейки, а наибольший — подступичные части. Средние части имеются конические перехо­ды от подступичных частей к середине оси. Некоторые оси име­ют цилиндрическую форму средних частей. Увеличение диаметра подступичнои части оси обусловлено также наличием напряжений от посадки колеса и влияния коррозии трения.

В вагонных колесных парах наибольшее применение нашли оси Двух типов: РУ1 и РУ1Ш. Обе предназначены для размещения подшипников качения и различаются конструктивным исполне­нием шеек в зависимости от способа торцевого крепления под­шипников: гайкой или шайбой. Конструктивное исполнение оси РУ1 (рис. 2.2, а) характеризуется наличием на ее концах резьбо­вых частей М110 для гаек, а на торцах — пазов с двумя резьбовы­ми отверстиями (резьба М12) для размещения стопорных планок и крепления их болтами.

Ось РУ1Ш (рис. 2.2, б) имеет на торцах четыре резьбовых отверстия (резьба М20) для крепления приставной шайбы болтами. Ось при этом получается короче, а ее изготовление упрощается. В эксплуатации имеются оси и с тремя резьбовыми отверстиями. Свободные участки торцов осей используют для нанесения клейм и знаков об изготовлении, формировании и освидетельствовании колесных пар.

 

Диаметры отдельных частей оси d_1, d_2, d_3, d₄ ( см. рис. 2.2) со­ответственно составляет 130, 165, 194 и 172 мм. Гарантийный срок эксплуатации осей установлен 8,5 лет, а средний срок службы — 15 лет.

Для грузовых вагонов новой постройки с повышенными осевы­ми нагрузками выпускается колесная пара с усиленной осью типа РВ2Ш с нагрузкой на рельсы до 245,2 кН (25,0 тс). Колесная па­ра состоит из оси типа РВ2Ш с торцевым креплением подшипни­ков передней крышкой и тремя болтами М24 (или четырьмя бол­тами М20) и цельнокатаных колес из стали марок 2 или Т. У оси типа РВ2Ш диаметр шейки — 150 мм, диаметр предподступичной части — 185 мм, диаметр подступичнои части — 210 мм. Средняя часть имеет цилиндрическую форму диаметром 180 мм.

Завершены испытания пустотелых осей. Их применение обус­ловлено тем, что наибольшие напряжения при изгибе и кручении возникают в наружных волокнах оси и наименьшие — внутри ее. Поэтому у пустотелых осей величина моментов сопротивления при изгибе, кручении практически такие же, как и у сплошных, но мас­са у них меньше, что позволяет экономить металл. Пустотелые оси могут быть изготовлены прокаткой на специальных станках и ме­тодом центробежной отливки. По сравнению со сплошными осями полые оси имеют массу на 100—110 кг меньше, в результате рас­ход металла на изготовление оси сокращается на 15 %. Ось име­ет увеличенный диаметр подступичнои части, что позволяет повы­сить прочность соединения колеса с осью.

Вагонные оси изготавливают из стали ОС методом ковки, штам­повки, винтовой прокатки или радиально-ротационного горяче­го деформирования. В процессе изготовления оси проходят спе­циальную термообработку — нормализацию с обязательной про­веркой механических характеристик. Оси должны быть подверг­нуты механической обработке и упрочнению накаткой роликами по всей длине оси, включая галтели. Каждая ось при изготовле­нии и ремонте испытывается магнитопорошковым и ультразвуко­вым методами неразрушающего контроля и выборочно — на рас­тяжение и твердость.

 

Конструкция колес

Основным поставщиком колес для подвижного состава России является Выксунский металлургический завод — крупнейший в Европе колесопрокатный комплекс, выпускающий 850 тыс. колес ежегодно (на 2012 г.). Вагонные колеса, особенно поверхность ка­тания, являются наиболее изнашиваемыми и повреждаемыми час­тями вагона, поэтому к материалу колес, их размерам, форме и тех­нологии изготовления всегда предъявлялись повышенные требова­ния. На основании многолетнего опыта эксплуатации в настоящее время к серийному изготовлению приняты цельнокатаные сталь­ные колеса с номинальным диаметром 957 мм.

Конструкция и основные размеры колеса приведены на рис. 2.3. Цельно­катаное колесо имеет обод /, диск 2 и ступицу 3; ширина обода — 130 мм. По­верхность обода 4 называется поверх­ностью катания. Переход от ступицы к ободу выполнен в форме диска, распо­ложенного под некоторым углом к этим частям, что придает колесу упругость и снижает воздействие динамических сил. Диск слегка конусный: у ступицы его толщина больше, чем у обода. Тол­щина обода — 70 мм. Внутренняя по­верхность обода а называется внутрен­ней гранью, а наружная б — наружной.

Профиль катания колеса — это кон­ур, которым образована поверхность катания (рис.2.4) Правильно выбран­ные и обеспеченные механической обработкой размеры профиля катания имеют важное значение для рациональ­но взаимодействия колес с рельсами, устойчивости вагона от сходов, степени нарастания износов колес и плавности хода вагона.

 

Рис.2.4 Профиль катания колеса

 

 

Стандартный профиль поверхности катания (см. рис. 2.4) образован гребнем, скруглением 15 мм, как у головки рельса, для снижения износа, конической поверхностью с конусностями 1:10 1:3,5 и фаской 6x45°.

Гребень направляет движение и предохраняет колесную пар от схода с рельсов. Он имеет высоту 28 мм и толщину 33 мм, измеренную на высоте 18 мм; угол наклона наружной грани гребня составляет 60°. Наличие конусностей 1:10 и 1:3,5 центрирует ко лесную пару на рельсовом пути и обеспечивает прохождение кривых участков пути. Учитывая сложные условия эксплуатации ко лес, материал обода должен обладать большой прочностью, ударно вязкостью и износостойкостью; металл ступицы и диска — необходимой вязкостью (упругостью). Ободья колес для удовлетворения указанным требованиям подвергают после механической об работки упрочняющей термической обработке путем прерывисто закалки и отпуска.

Условия эксплуатации колес грузовых и пассажирских вагонов различны, поэтому их изготовляют из различных материалов. Пассажирские вагоны эксплуатируются с высокими скоростями и частыми торможениями, остановками, поэтому для колес пассажирских вагонов локомотивной тяги и немоторных вагонов электро и дизель-поездов применяется сталь, менее склонная к закалке, сталь марки «Л». Колеса грузовых вагонов работают в условиях более высоких напряжений в контакте колеса и рельса, поэтому дл таких колес используется сталь марки 2 ГОСТ 10791 с увеличенным содержанием углерода до 0,55—0,65 %, а в настоящее врем — сталь марки «Т» с твердостью обода 320—360 НВ.

Для перспективных вагонов с осевыми нагрузками 25—30 тс освоено производство колес из сталей марок «Т» или 2 с криволинейным диском. Как показал опыт эксплуатации, колеса из стал марки «Т» в 9—10 раз реже требуют ремонта обточкой, и излом дисков в таких колесах практически прекратились. Криволинейна форма диска и увеличение его толщины около обода до 19—22 м значительно повысили прочность колес.

В процессе изготовления колес на боковой поверхности обода наружной стороны в горячем состоянии наносят специальные знаки и клейма в последовательности: две последние цифры года изготовления, марка стали колеса, номер плавки, номер предприятия изготовителя, клейма приемки, порядковый номер колеса, а также клейма государств-собственников. Для повышения надежности ко­лес разработан метод непрерывной вакуумной разливки стали, что улучшило ее химический состав и структуру. Современные мето­ды термообработки позволили довести твердость материала обода до 350—380 НВ, обеспечивающую значительное увеличение срока эксплуатации колесных пар до образования предельно допусти­мых дефектов. Диск упрочняется наклепом дробью, толщина обо­да обеспечивает возможность многократного восстановления про­филя поверхности катания путем обточки колесных пар на стан­ках в вагоноремонтных предприятиях.

В вагонном депо Николаевка Московской ж.д. для увеличения межремонтной эксплуатации колесных пар производят плазменные напыления поверхности катания, снижающие в несколько раз ин­тенсивность образования износов.

Профиль колесных пар поездов, эксплуатируемых со скоростя­ми более 160 км/ч, изменен и имеет дополнительную конусность 1:50, а также увеличенный до 65° угол наклона наружной грани гребня. Кроме того, этот профиль имеет горизонтальную площад­ку длиной 9,3 мм, расположенную от круга катания к внутренней рани колеса. Такая форма профиля уменьшает извилистое движе­ние колесных пар, повышает их устойчивость, что особенно важ­но при увеличении скоростей движения.

Одним из мероприятий дальнейшего повышения надежности колес является применение колес с механической обработкой по всем поверхностям обода, диска и ступицы, а также использование для колес специальной бейнитной стали. Выксунский металлургический завод освоил выпуск колес для высокоскоростного движения.