ЦЕЛЬНОКАТАНОЕ КОЛЕСО ДЛЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА Российский патент 1997 года по МПК B60B3/02 

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта, в частности к конструкции вагонного колеса колесной пары рельсового транспортного средства.

Известны конструкции колес, содержащие обод, ступицу и диск различной конфигурации прямой вертикальный, наклонный к оси колеса и изогнутый (S-образный, тороидальный и др.). При этом наклонные и изогнутые диски имеют переходные участки сопряжения с ободом и ступицей. (Бибик Г.А. и др. Производство железнодорожных колес. М. Металлургия, 1982, с. 9-13)
Их эксплуатационные качества определяются способностью выдерживать циклические напряжения, вызываемые нормальными рабочими статическими и динамическими нагрузками и нагревом при торможении. Результаты ходовых испытаний и опыт эксплуатации свидетельствуют, что имеет место преждевременный выход колес из строя до истечения полного срока службы. Одна из основных причин появление микро- и макротрещин в местах перехода диска в обод и ступицу. Трещины образуются под действием растягивающих напряжений, возникающих в ходе эксплуатации и остаточных напряжений, если величина их достигает предела усталости. В колесах существующих конструкций не обеспечивается низкий уровень суммарных напряжений растяжения в диске при эксплуатации, что особенно важно при имеющейся тенденции увеличения грузоподъемности вагонов, а также повышения скоростей движения поездов. Опыт эксплуатации железнодорожных колес в нашей стране и за рубежом свидетельствует, что разрушения их происходят, главным образом (до 90%) по диску, причем в переходных его участках к ободу и ступице. Поэтому вопросам конструкции диска колес в этих местах уделяется весьма пристальное внимание. (Патент США N 3311403, B 60 B 17/00, 1967).

Известна также конструкция вагонного колеса для колесной пары рельсового транспортного средства, содержащая обод, ступицу и наклонный к оси ступицы диск с участками перехода в обод и ступицу. Конический диск в этой конструкции расположен под углом 75,5-79,5^o к оси колеса (ступицы), что способствует уменьшению напряжений от рабочих нагрузок по сравнению с вертикальным диском. (ГОСТ 9036-88). Колеса цельнокатанные. Конструкция и размеры).

Форма диска и основные размеры вагонного колеса по ГОСТ 9036 были заложены еще в 30-х годах английской фирмой Дэви при строительстве в СССР колесопрокатного цеха на заводе им. Либкнехта. Особенностью такой конструкции является наличие перегибов диска в переходах его к ободу с наружной стороны и к ступице с внутренней стороны колеса. При этом ось переходного участка у обода совпадает с вертикальной осью (перпендикулярной оси колеса) обода и находится под углом 165,5-169,5^o к диску, а ось переходного участка диска у ступицы с вертикальной осью ступицы и находится под тем же углом к диску. Такая конструкция диска колеса с его односторонними перегибами радиусами 57 и 100 мм у обода и ступицы была связана с несовершенством технологии и малыми технологическими возможностями оборудования для горячего деформирования заготовок при производстве колес. Многие фирмы, в том числе в Англии, от такой формы диска давно отказались, перейдя на диски изогнутые (S-образной) формы. Однако наклонный прямой диск имеет сам по себе ряд преимуществ перед другими формами, связанных с более устойчивым обеспечением расстояния между ободьями двух колес в колесной паре при прохождении кривых участков рельсового пути (при повышенных боковых нагрузках на гребень колеса).

Как видно из фиг. 1 в известной конструкции образующие переходных участков 4 и 5 диска 2 у обода 1 и у ступицы 3 имеют вид кривых радиусом соответственно r и R. Эти участки, называемые односторонними перегибами диска у обода с наружной стороны и у ступицы с внутренней стороны колеса, являются концентраторами напряжений при усталостном нагружении от рабочих нагрузок, т. е. в этих местах диск колеса разрушается в эксплуатации под вагонами. В переходном участке диска у обода имеют место высокий уровень термических напряжений, возникающих при торможении поездов и разогреве при этом обода от трения тормозными колодками. Вследствие всего этого средний срок эксплуатации колес рассматриваемой конструкции равен 11,5 годам, что составляет 77% полного срока их службы. При наблюдающемся за последнее время увеличении нагрузок на колесную пару и повышении скоростей движения поездов срок службы колес в эксплуатации ожидается еще меньшим. С другой стороны, наличие указанных перегибов диска у обода и у ступицы, совпадение осей переходных участков диска с вертикальными осями 8 и 9 обода и ступицы и формирование угла между осями 8 и 9 переходных участков 4 и 5 с осью 6 диска приводит к повышенной податливости колес в осевом направлении при увеличенных боковых нагрузках, что приводит к мгновенному увеличению расстояния между ободьями двух колес одной колесной пары. Указанная податливость диска усугубляется также и тем, что диск сочленяется с ободом и ступицей двумя радиусами соответственно r и r₁,R и R₁. Наклон диска 75,5 и более градусов также уменьшает жесткость колеса.

Наиболее близким аналогом является цельнокатаное колесо для железнодорожного транспорта, содержащее обод, ступицу и наклонный диск, снабженный участками его перехода по наружной и внутренней сторонами в обод и ступицу, выполненными по радиусу. (Авт.св. СССР N 1092053, B 60 B 3/02, 1984).

Задача, решаемая изобретением, заключается в том, чтобы уменьшить рабочие напряжения в опасных сечениях диска переходных участках к ободу и ступице.

Эта задача решается тем, что диск в радиальном направлении выполнен плоским с наклоном к оси колеса под углом 71-75^o, а участки перехода его в обод и ступицу соосными с диском и сопряжены с ободом, ступицей и диском кривыми одного радиуса соответственно у обода и у ступицы.

Отличительными признаками заявляемой конструкции является:
участки перехода диска в обод и ступицу выполнены соосными с диском;
участки перехода сопряжены с ободом, ступицей и диском кривыми одного радиуса соответственно у обода и у ступицы;
диск установлен с наклоном к оси колеса под углом 71-75^o.

Предварительные теоретические экспериментальные исследования конструкции и технологии, расчеты напряженного состояния колес от рабочих и технологических нагрузок показали возможность снижения напряжений в опасных участках диска на величину до 30% Это достигается устранением перегибов в диске у обода и ступицы при горячей штамповке и прокатке при сохранении стандартных размеров и массы колеса (см. таблицу).

На фиг. 1 показана известная конструкция колеса по ГОСТ 9036; на фиг. 2
предлагаемое колесо; на фиг. 3 распределение напряжений в диске колеса от рабочих нагрузок, боковой на гребень (пунктиром в известной конструкции, сплошной линией в предлагаемой).

В предлагаемой конструкции с ободом 1, диском 2 и ступицей 3 переходные участки 4 и 5 сопряжены с обеих сторон колеса (наружной и внутренней) кривыми одного радиуса соответственно у обода r и, и у ступицы R, участки 4 и 5 перехода диска 2 в обод 1 и ступицу 3 выполнены соосно с диском, т.е. участки перехода 4 и 5 и диск 2 имеют единую ось 6, установленную под углом α = 71-75^° к оси 7 и связанную с вертикальными осями 8 и 9 обода и ступицы под углом соответственно 161-165^o.

Ограничение угла наклона диска к оси колеса величиной 71-75^o обеспечивает не превышение расстояния между ободьями колес в одной колесной паре, ограничиваемой инструкцией по эксплуатации величиной в 1,0 мм при максимально допустимой нагрузке на ось колесной пары в 25 т.с. Диапазон в 4^o (75-71^o) определяется допусками на чертежные размеры колеса.

Как видно из приведенных таблицы и фиг. 3, величина максимальных напряжений в переходных участках диска предлагаемой конструкции существенно ниже, чем в используемой в настоящее время.

Разработана технология изготовления колес новой конструкции и в условиях колесопрокатного цеха Выксунского металлургического завода прокатана опытная партия колес. Новая конструкция технологична при изготовлении.

Опытные колеса были подвергнуты испытаниям на стенде, позволяющем воспроизводить реальные процессы под нагрузкой. Напряженное состояние диска колеса замерялось с помощью тензодатчиков, установленных на поверхности диска. Энергонагруженность колеса при испытаниях соответствовала эксплуатационной при нагрузке 25 тс. Исследования показали снижение максимальных напряжений растяжения в диске у ступицы с 129 до 89 Н/мм² при боковой нагрузке на гребень. Уменьшение напряжений растяжения в переходных зонах диска приводит к резкому снижению факторов, вызывающих образование микро- и макротрещин в диске в ходе его эксплуатации. Таким образом, практически устраняется одна из основных причин, приводящих к преждевременному выходу колес из строя и обеспечивается требуемое расстояние между ободьями колес в колесной паре при проходе вагона (колесной пары) по кривым железнодорожного полотна.

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта и может быть использовано при проектировании цельнокатаных железнодорожных вагонных колес при уменьшении рабочих напряжений в опасных сечениях. Сущность изобретения: колесо содержит обод 1, ступицу 3 и диск 2, который в радиальном направлении выполнен плоским с наклоном к оси 7 колеса под углом 71-75^o, а участки перехода его в обод 1 и ступицу 3 выполнены соосными с диском 2 и выполнены кривыми одного радиуса. 3 ил., 1 табл.

Цельнокатаное колесо для железнодорожного транспорта, содержащее обод, ступицу и наклонный диск, снабженный участками его перехода по наружной и внутренней сторонам в обод и ступицу, выполненными по радиусу, отличающееся тем, что диск в радиальном направлении выполнен плоским, с прямолинейными образующими и с наклоном к оси колеса под углом 71 75^o, а участки перехода диска в обод и ступицу расположены на единой оси, диск сопряжен с ободом кривыми одного радиуса по наружной и внутренней сторонам и со ступицей также кривыми одного радиуса по наружной и внутренней сторонам.