Колесные пары.

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 загрузки, 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 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.

Колесная пара (рис. 3.1) 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. 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.

Колесные пары Ш-950 предназначены для эксплуатации с подшипниками скольжения, а колесные пары РУ1-950, РУ1Ш-950, РУ-950 и РУ-1050 — с роликовыми подшипниками (РУ — роликовая унифицированная, Ш — торцевое крепление внутренних колец подшипников приставной шайбой). Исходя из расчетной нагрузки, определяются диаметры шеек 3, 4, 5 (см. рис. 3.1), подступичной 7 и средней 8 частей оси. Предподступичная часть 6 является ступенью перехода от шейки к подступичной части оси и служит для установки уплотняющих устройств буксы. На подступичных частях 6 прочно закрепляются колеса 2. В настоящее время в эксплуатации находятся еще небольшое количество колесных пар с осями III типа с подшипниками скольжения, которые заменяются на роликовые. На торцах их шеек 5 имеются буртики б, ограничивающие продольные перемещения подшипников скольжения, располагающихся в верхних частях.
Колесные пары с осями, предназначенными для эксплуатации с роликовыми подшипниками, различают между собой по конструкции торцевого крепления внутренних колец роликовых подшипников на шейке: 3 — с нарезной частью, а для навинчивания корончатой гайки; 4 — при помощи приставной шайбы, для чего на торцах делаются отверстия с нарезкой для болтов крепления. Такое крепление выполнено в двух вариантах: тремя или четырьмя болтами. Колесные пары с формой шейки 3 обозначаются РУ1-950, а с формой 4 — РУ1Ш-950.

Вагонные оси.

Вагонные оси (рис. 3.2) 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. 3.2, г). Оси для подшипников качения на концах шеек имеют нарезную часть К (рис. 3.2, 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. 3.2, б) в двух вариантах: при помощи трех или четырех болтов. Оси для подшипников скольжения по торцам шеек имеют буртики М (рис. 3.2, в), служащие для ограничения смещения подшипников вдоль оси наружу при движении вагона. На торцах всех типов осей предусмотрены центровые отверстия (рис. 3.2, 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.

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).

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 другого 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 х45° 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 х45°. Наружная грань гребня составляет 65° к горизонтали вместо 60°, как это предусмотрено в стандартном профиле (см. рис. 3.11), переходные радиусы закруглений также изменены.

Расчет оси колесной пары на прочность.

Оценка прочности осуществляется по допускаемым напряжениям, при таком методе ось рассматривается при статическом состоянии, на нее действуют силы:

1) Вертикальные силы на обе шейки от массы брутто

Q=1,25 P₀

2) Горизонтальные силы, как доля от вертикальных, приложенная в центре тяжести кузова

H=0,5 P₀,

Где P₀-максимальная статическая нагрузка от колесной пары на рельсы

1,25;0,5-коэфициенты учёта динамического воздействия сил в вертикальном и горизонтальном направлении.

Максимальная статическая нагрузка от колесной пары на рельсы при проектировании определенным заданием, при оценке прочности оси фактическая осевая нагрузка определяется по формуле:

P₀=P_ст+T/m_o

P_o=226,084кН,

Где P_ст.- статическая нагрузка вагона, представляющая собой силу тяжести груза в вагоне

T-собственная сила тяжести от тары вагона

m_o-число колесной пары вагона

Ось рассматривается как 2-х консольная шарнирная опертая балка. В расчетной схеме внесены силы приложенные на расстояние h_1,45 м от силы осевой линии колесной пары, вертикальной Q и горизонтальной H.Силы загружают вертикальные силы Р₁ левую и Р₂ правую шейки. В связи с учетом не благоприятных сочетаний несимметричных колебаний считаем, что нагрузка приложенная к середине левой шейки, а на другой она равна 0.

На левую шейку: Р₁= +

Правую шейку: Р₂= –

2b₂-расстояние между серединой шеек 2,036м.

При этом вертикальные реакции рельсов:

N₁= + – левое

N₂= + – правое

2S- расстояние между катанием колес КП

2S- радиус колеса, =450 мм

Горизонтальная реакция рельса уравнивает горизонтальную силу и приложенную к гребню левого колеса. Из схемы видно, что H_p=H является левая половина оси, хотя и правая может оказаться в таком же положении при вписывании вагона в кривой участок пути с поворотом в другую сторону. Из условия равновесия оси, изгибающие моменты вызванные действием расчетных нагрузок в этом условном расчетном методе подсчитывается в трех наиболее опасных сечениях.

1-1-у внутренние галтели шейки

2-2-у подступичные части в плоскости круга катания колеса

3-3 в среднем сечении оси

М₁=Р₁ ,

L₁-длина шейки оси (130, подступичной 194, средней 165)

М₂=Р₁ l₂+H

L₂-расстояние от середины шейки до плоскости круга катания колеса

М₃=Р₁ b₂+H -N₁

Момент сопротивления изгибу для i-того расчета сечения для сплошной оси.

W_i-=

Исходя из уравнения прочности на изгиб

M_i=W_i[ _i]

G_i- допускается направления в мПа.

В условном методе определении минимально допустимого диаметра оси обеспечивает необходимую прочность.

Шейка d₁=

Подступичная часть d₂=

Средняя часть d₃=

Р_о= = 226кН

Н=0.5 Р₀=0.5 226=113

Р₁= + =565,215+322,03=887,245

Р₂=565,215-322,03=243,185

N₁=565,215+ =565,215+0,54=565,755

N₂=565,215-0,54=564,675

М₁=887,245 =84,288

L₂=b₂-S=1,018-0,79=0,228

М₂=887,245 0,228+452,172 0,45=202,29+203,48=405,77

М₃=887,245 1,018+203,48-565,755 0=903,21+203,48-446,95=659,7+4

Р₁= + =141,25+80,5=221,75

Р₂=141,25+80,5=60,75

N₁= + =141,25+135,9=277,15

N₂=141,25-135,9=5,35

М₁=221,75 =221,75 0,095=21,06

М₂=221,75 0,228+113 0,45=50,5+50,85=101,35

М₃=221,75 0,228+113 0,45-227,15 0,79=225,7+50,85-219=57,55

d₃= = = 121

d₂= = = 186

d₃= = = =157

Вывод: В данном пункте я рассмотрел колесные пары, вагонные оси и рассчитал ось колесной пары на прочность.

Дата добавления: 2015-08-18