ЦЕЛЬНОКАТАНОЕ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЕ КОЛЕСО Российский патент 2011 года по МПК B60B17/00 B60B3/02 B61F13/00 B21H1/04 

Изобретение относится к области производства дисковых колес железнодорожных транспортных средств с диском, выполненным как одно целое с ободом, и имеющих рельсозацепляющие элементы.

В последнее время происходит существенное изменение условий эксплуатации подвижного состава железнодорожного транспорта, обусловленное ростом скоростей движения и увеличением нагрузок до 30 тонн на ось.

В процессе эксплуатации цельнокатаное железнодорожное колесо подвергается воздействию широкого спектра как внешних нагрузок со стороны пути и со стороны элементов подвижного состава, так и воздействия температурных напряжений, возникающих в колесе в процессе торможения. Возникающие вследствие этого фактические напряжения во многом определяют стойкость колес к повреждениям и, в конечном счете, его срок службы.

Одним из важнейших факторов, влияющих на срок службы цельнокатаного железнодорожного колеса, являются значения суммарных внутренних напряжений, которые возникают при его эксплуатации, а также характер распределения напряжений по объему колеса.

Возникновение в цельнокатаном железнодорожном колесе значительных по величине суммарных напряжений обусловлено совместным воздействием на него как нормальных статических и знакопеременных динамических нагрузок, действующих в радиальном и осевом направлениях, так и температурных напряжений, вызванных трением тормозных колодок об обод колеса в процессе торможения подвижного состава.

В случае, когда значения суммарных напряжений близки или длительное время превышают предел выносливости материала, из которого изготовлено колесо, в нем происходит образование усталостных трещин, что в свою очередь приводит к преждевременному разрушению колеса.

При неблагоприятных условиях нагружения в цельнокатаном железнодорожном колесе наблюдается концентрация напряжений от действующих внешних нагрузок и температурного воздействия, при этом суммарное значение внутренних напряжений может превышать предел текучести материала, из которого изготовлено колесо. В этом случае в колесе возникают остаточные деформации, которые приводят к изменению его эксплуатационных свойств, что также ведет к сокращению срока его эксплуатации.

Опыт эксплуатации цельнокатаных железнодорожных колес показывает, что большинство случаев выхода колес из строя по причине разрушения диска связано с возникновением значительных усталостных напряжений, при этом разрушение, как правило, происходит в месте сопряжения диска с ободом.

Традиционным путем снижения суммарных внутренних напряжений и их оптимального распределения по объему колеса является выбор рациональной конструкции диска цельнокатаного железнодорожного колеса, а также взаимного расположения его конструктивных элементов.

Из уровня техники известно цельнокатаное железнодорожное колесо, содержащее обод, ступицу и диск, образованный внутренней и внешней поверхностями /RU 2085403 С1 (Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта), 27.07.1997/.

В известном цельнокатаном железнодорожном колесе наружная и внутренняя поверхности, которые образуют диск колеса, выполнены прямолинейными и расположенными под углом 71-75° к оси колеса.

Недостатками известного цельнокатаного железнодорожного колеса являются неравномерное распределение суммарных внутренних напряжений по объему колеса и значительное осевое перемещение обода колеса относительно ступицы, что, в свою очередь, приводит к сокращению его срока службы. Эти недостатки обусловлены высокими значениями внутренних напряжений на внутренней поверхности диска в месте его сопряжения с ободом, которые вызваны действием внешних нагрузок, и высокими значениями внутренних напряжений на внешней поверхности диска в месте его сопряжения со ступицей, которые, в свою очередь, обусловлены совместным действием значительных температурных напряжений, вызванных трением тормозных колодок об обод колеса в процессе торможения, и боковыми нагрузками на гребень колеса при прохождении подвижным составом кривых участков железнодорожной колеи.

Из уровня техники известно цельнокатаное железнодорожное колесо, содержащее обод, ступицу и диск, образованный наружной и внутренней криволинейными поверхностями /SU 1139647 А1 (ФЕБ Радзатцфабрик, Илзенбург), 15.02.1985/.

В известном колесе центральная линия осевого сечения диска в месте его сопряжения с ободом совпадает в осевом направлении с центральной линией осевого сечения диска в месте его сопряжения со ступицей.

Такое выполнение цельнокатаного железнодорожного колеса позволяет снизить значения напряжений в месте сопряжения диска колеса с ободом по сравнению с предыдущей конструкцией.

Недостатками известного колеса являются неравномерное распределение суммарных внутренних напряжений по объему колеса, а также большое значение осевого смещения обода колеса. Эти недостатки обусловлены высокими значениями внутренних напряжений на внутренней поверхности в центральной части диска, вызванных действием внешних нагрузок при нагреве в процессе торможения или при прохождении подвижным составом кривых участков рельсового пути (при повышенных боковых нагрузках на гребень), что в свою очередь приводит к уменьшению срока службы колеса.

Из уровня техники известно наиболее близкое по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату цельнокатаное железнодорожное колесо, содержащее обод и ступицу, сопряженные криволинейными переходными участками с диском, который образован наружной и внутренней криволинейными поверхностями, выполненными таким образом, что наружная криволинейная поверхность диска со стороны обода образована первой наружной радиусной кривой (R1), со стороны ступицы второй наружной радиусной кривой (R2) с кривизной, совпадающей по направлению с кривизной первой наружной радиусной кривой (R1), и сопряженных между собой третьей наружной радиусной кривой (R3) с кривизной, противоположной по направлению кривизне первой наружной кривой (R1) и второй наружной кривой (R2), а внутренняя криволинейная поверхность диска со стороны обода образована первой внутренней радиусной кривой (R4), со стороны ступицы второй внутренней радиусной кривой (R5) с кривизной, совпадающей по направлению с кривизной первой внутренней радиусной кривой (R4), и сопряженных между собой третьей внутренней радиусной кривой (R6) с кривизной, противоположной по направлению кривизне первой внутренней кривой (R4) и второй внутренней кривой (R5) /RU 2259279 С1 (Открытое акционерное общество «Выксунский металлургический завод»), 27.08.2005/.

В известном колесе смещение центральной линии осевого сечения диска в месте его сопряжения с ободом относительно центральной линии осевого сечения диска в месте его сопряжения со ступицей находится в интервале от 10 до 25 мм.

Такое выполнение цельнокатаного железнодорожного колеса позволяет снизить значения напряжений на внутренней поверхности в центральной части диска, а также снизить значение осевого смещения обода колеса при нагреве в процессе торможения или при прохождении подвижным составом кривых участков рельсового пути по сравнению с предыдущей конструкцией.

Недостатком известного колеса является неравномерное распределение суммарных внутренних напряжений по объему колеса. Этот недостаток обусловлен большим значением выгиба центральной части диска колеса, что, в свою очередь, обуславливает значительные температурные напряжения на внутренней поверхности в центральной части диска колеса, что создает предпосылки для развития усталостных трещин и приводит, в свою очередь, к уменьшению срока службы колеса.

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания такой конструкции цельнокатаного железнодорожного колеса, использование которой позволило бы снизить в колесе значения суммарных внутренних напряжений за счет оптимального их распределения по объему колеса и тем самым увеличить срок его службы.

Поставленная задача решается тем, что в цельнокатаном железнодорожном колесе, содержащем обод и ступицу, сопряженные криволинейными переходными участками с диском, который образован наружной и внутренней криволинейными поверхностями, выполненными таким образом, что наружная криволинейная поверхность диска со стороны обода образована первой наружной радиусной кривой (R1), со стороны ступицы второй наружной радиусной кривой (R2) с кривизной, совпадающей по направлению с кривизной первой наружной радиусной кривой (R1), и сопряженных между собой третьей наружной радиусной кривой (R3) с кривизной, противоположной по направлению кривизне первой наружной кривой (R1) и второй наружной кривой (R2), а внутренняя криволинейная поверхность диска со стороны обода образована первой внутренней радиусной кривой (R4), со стороны ступицы второй внутренней радиусной кривой с кривизной (R5), совпадающей по направлению с кривизной первой внутренней радиусной кривой (R4), и сопряженных между собой третьей внутренней радиусной кривой с кривизной (R6), противоположной по направлению кривизне первой внутренней кривой (R4) и второй внутренней кривой (R5), согласно изобретению для наружной криволинейной поверхности радиус первой наружной радиусной кривой (R1) составляет от 0.09 до 0.14 диаметра D круга катания, радиус второй наружной радиусной кривой (R2) составляет от 0.1 до 0.15 диаметра D круга катания, радиус третьей наружной радиусной кривой (R3) составляет от 0.12 до 0.18 диаметра D круга катания, а для внутренней криволинейной поверхности радиус первой внутренней радиусной кривой (R4) составляет от 0.12 до 0.18 диаметра D круга катания, радиус второй внутренней радиусной кривой (R5) составляет от 0.1 до 0.15 диаметра D круга катания, радиус третьей внутренней радиусной кривой (R6) составляет от 0.12 до 0.17 диаметра D круга катания.

Выполнение диска цельнокатаного железнодорожного колеса таким образом, для наружной криволинейной поверхности радиус первой наружной радиусной кривой (R1) составляет от 0.09 до 0.14 диаметра D круга катания, радиус второй наружной радиусной кривой (R2) составляет от 0.1 до 0.15 диаметра D круга катания, радиус третьей наружной радиусной кривой (R3) составляет от 0.12 до 0.18 диаметра D круга катания, а для внутренней криволинейной поверхности радиус первой внутренней радиусной кривой (R4) составляет от 0.12 до 0.18 диаметра D круга катания, радиус второй внутренней радиусной кривой (R5) составляет от 0.1 до 0.15 диаметра D круга катания, радиус третьей внутренней радиусной кривой (R6) составляет от 0.12 до 0.17 диаметра D круга катания является оптимальным, так как обеспечивает снижение значений напряжений от действия внешних нагрузок в местах сопряжения диска со ступицей и ободом, что приводит, в конечном счете, к равномерному распределению напряжений в колесе и снижению их суммарных значений.

Увеличение радиусов первой наружной радиусной кривой (R1) и первой внутренней радиусной кривой (R4) приводит к необходимости увеличения радиусов сопряженных с ними третьей наружной радиусной кривой (R3) и третьей внутренней радиусной кривой (R6), что в свою очередь ведет к увеличению радиусов второй наружной радиусной кривой (R2) и второй внутренней радиусной кривой (R4). В противном случае, если не будет происходить изменения радиусов сопрягаемых радиусных кривых, это приводит к изменению расположения основных конструктивных элементов колеса относительно друг друга.

Такое выполнение цельнокатаного железнодорожного колеса приводит к приближению формы диска колеса к вертикальной прямолинейной форме, что в свою очередь приводит к уменьшению жесткости колеса в осевом направлении и увеличивает значения суммарных внутренних напряжений в диске колеса от действия боковых нагрузок.

В свою очередь, уменьшение радиусов первой наружной радиусной кривой (R1) и первой внутренней радиусной кривой (R4) приводит к необходимости уменьшения радиусов сопряженных с ними третьей наружной радиусной кривой (R3) и третьей внутренней радиусной кривой (R6), что в свою очередь ведет к необходимости уменьшения радиусов второй наружной радиусной кривой (R2) и второй внутренней радиусной кривой (R4).

Такое выполнение цельнокатаного железнодорожного колеса приводит к увеличению изгиба колеса в центральной части диска, что в свою очередь приводит к увеличению значений суммарных внутренних напряжений на внутренней поверхности диска колеса, вызванных действием на колесо боковых нагрузок, и их концентрации в месте наибольшего изгиба диска.

Заявляемая совокупность признаков в целом позволяет снизить влияние суммарных внутренних напряжений в колесе, что снижает вероятность появления усталостных трещин в наиболее нагруженных зонах цельнокатаного железнодорожного колеса, что, в свою очередь, позволяет повысить эксплуатационную стойкость и надежность конструкции цельнокатаного железнодорожного колеса и тем самым позволяет увеличить срок службы колеса.

В дальнейшем изобретение поясняется подробным описанием его выполнения со ссылками на чертежи, на которых изображено:

на фиг.1 - поперечный разрез цельнокатаного железнодорожного колеса;

на фиг.2 - поперечный разрез цельнокатаного железнодорожного колеса (схема расположения радиусных кривых).

Цельнокатаное железнодорожное колесо 1 (фиг.1 и 2) содержит обод 2 (фиг.1) и ступицу 3, сопряженные криволинейными переходными участками 4 с диском 5, который образован наружной 6 и внутренней 7 криволинейными поверхностями. Наружная криволинейная поверхность 6 диска 5 со стороны обода 2 образована первой наружной радиусной кривой R1 (фиг.2), со стороны ступицы 3 (фиг.1) второй наружной радиусной кривой R2 (фиг.2) с кривизной, совпадающей по направлению с кривизной первой наружной радиусной кривой R1, и сопряженных между собой третьей наружной радиусной кривой R3 с кривизной, противоположной по направлению кривизне первой наружной радиусной кривой R1 и второй наружной радиусной кривой R2. Внутренняя криволинейная поверхность 7 (фиг.1) диска 5 со стороны обода 2 образована первой внутренней радиусной кривой R4 (фиг.2), со стороны ступицы 3 (фиг.1) второй внутренней радиусной кривой R5 (фиг.2) с кривизной, совпадающей по направлению с кривизной первой внутренней радиусной кривой R4, и сопряженных между собой третьей внутренней радиусной кривой R6 с кривизной, противоположной по направлению кривизне первой внутренней радиусной кривой R4 и второй внутренней радиусной кривой R6.

Для наружной криволинейной поверхности 6 (фиг.1) радиус первой наружной радиусной кривой R1 (фиг.2) составляет от 0.09 до 0.14 диаметра D круга катания колеса, радиус второй наружной радиусной R2 кривой составляет от 0.1 до 0.15 диаметра D круга катания колеса, радиус третьей наружной радиусной кривой R3 составляет от 0.12 до 0.18 диаметра D круга катания колеса. Для внутренней криволинейной поверхности 7 (фиг.1) радиус первой внутренней радиусной кривой R4 (фиг.2) составляет от 0.12 до 0.18 диаметра D круга катания колеса, радиус второй внутренней радиусной кривой R5 составляет от 0.1 до 0.15 диаметра D круга катания колеса, радиус третьей внутренней радиусной кривой R3 составляет от 0.12 до 0.17 диаметра D круга катания колеса.

Центральная линия 8 (фиг.1) радиального сечения диска 5 в месте его сопряжения со ступицей 3 смещена относительно ее середины на расстояние S, равное 35-55 мм.

Переходной участок 4 в месте сопряжения наружной криволинейной поверхности 6 диска 5 со ступицей 3 колеса 1 выполнено радиусом R7, равным 0,3-0,9 радиуса R8 в месте сопряжения внутренней криволинейной поверхности 7 диска 5 со ступицей 3 с внутренней стороны (R7=(0.3-0.9) R8).

Высота b1 ступицы 3 с внутренней стороны колеса 1 выполнена равной 0,5-0,9 высоте b2 ступицы 3 с внешней стороны колеса (b1=(0,5-0,9) b2).

Диаметр D (фиг.2) круга катания цельнокатаного железнодорожного колеса равен 920-1020 мм.

Работа заявляемой конструкции цельнокатаного железнодорожного колеса осуществляется следующим образом.

При качении колеса 1 по рельсу (на чертеже не обозначен) нагрузка от вертикальной силы, действующей в плоскости круга катания, передается через обод 2 на диск 5 и на ступицу 3. При этом из-за кинематических колебаний и, особенно, при движении подвижного состава по кривым участкам пути, возникает нагрузка от бокового давления гребня 9 обода 2 колеса 1 на рельс, которая также передается на диск 5 колеса 1.

Максимальные значения динамических нагрузок, которые воспринимает колесо подвижного состава с нагрузкой на ось до 30 тонн в процессе эксплуатации, в два раза выше значения максимальной статической нагрузки и, как правило, не превышают 300 кН для вертикальной нагрузки и 147 кН для боковой нагрузки. При этом максимальное значение суммарных внутренних напряжений в колесе от действия приложенных к нему нагрузок не должно превышать предела текучести материала, из которого изготовлено цельнокатаное железнодорожное колесо, который составляет 800 МПа.

В заявляемой конструкции цельнокатаного железнодорожного колеса выделяются три напряженные зоны: переходные участки 4 в месте сопряжения диска 5 с ободом 2 и в месте сопряжения диска 5 со ступицей 3, а также в середине диска 5, в точке 10 наибольшего значения его изгиба.

Вертикальная нагрузка вызывает возникновение в колесе преимущественно сжимающие напряжения, которые достигают максимального значения в месте сопряжения диска 5 с ободом 2 и в точке 10 наибольшего изгиба внутренней поверхности 7 диска 5. При этом значения напряжений в указанных точках не превышают 100 МПа, что значительно меньше допускаемого значения.

В то же время боковая нагрузка, возникающая при прохождении подвижным составом криволинейных участков пути, в сочетании с сохраняющейся вертикальной нагрузкой, вызывает в диске 5 колеса 1 изгибающий момент, нарастающий от обода 2 к ступице 3 колеса 1.

В результате совместного воздействия вертикальной и боковой нагрузки наиболее напряженным участком колеса 1 является место сопряжения диска 5 со ступицей 3, при этом с наружной стороны диска 5 возникают растягивающие напряжения, а с внутренней стороны диска - сжимающие напряжения.

В этом случае значения максимальных напряжений не превышают 400 МПа.

Кроме этого в процессе длительного торможения подвижного состава в колесе возникают значительные тепловые напряжения, которые вызваны интенсивным выделением тепла при контакте тормозных колодок (на чертежах не показаны) с ободом 2 колеса 1.

В этом случае, при отсутствии приложенных к колесу внешних нагрузок, наибольшие значения напряжений возникают в точке 10 наибольшего изгиба диска 5 и с наружной криволинейной поверхности 6 диска 5 в месте его сопряжения со ступицей 3, которые не превышают 560 кН, что значительно ниже допускаемых значений.

При приложении к колесу 1 вертикальных нагрузок в большинстве его участков наблюдается взаимная компенсация температурных напряжений и напряжений, вызванных воздействием приложенных внешних сил. Такая компенсация обусловлена тем, что внешние силы вызывают преимущественно сжимающие напряжения, которые компенсируются растягивающими тепловыми напряжениями.

Максимальные напряжения в случае совместного воздействия на колесо 1, с одной стороны, вертикальной и боковой нагрузок, а, с другой стороны - тепловых напряжений, возникают на наружной криволинейной поверхности 6 в месте сопряжения диска 5 со ступицей 3, которые близки к значению допускаемых напряжений. Повышенная концентрация напряжений в этом месте колеса 1 обусловлена тем, что растягивающие тепловые напряжения, достигающие в этом месте своего максимального значения, складываются с растягивающими напряжениями, возникающими в этом же месте от действия приложенной к колесу боковой нагрузки.

Выполнение места сопряжения наружной криволинейной поверхности 6 диска 5 со ступицей 3 радиусом R7, меньшим по значению, чем радиус R8 в месте сопряжения внутренней криволинейной поверхности 7 диска 5 со ступицей 3, позволяет снизить концентрацию напряжений от действия тепловых напряжений за счет их равномерного распределения на этом участке наружной криволинейной поверхности 6.

В свою очередь, выполнение высоты b2 ступицы 3 с наружной стороны колеса 1, большей по сравнению с высотой b1 ступицы 3 с внутренней стороны, позволяет снизить значение напряжений от действия боковой нагрузки, что также оказывает положительное влияние на напряженное состояние колеса 1 в месте перехода диска 5 в ступицу 3.

Как показывают результаты исследований, напряженное состояние колеса 1 в местах перехода диска 5 в обод 2 и ступицу 3, а также в точке 10 наибольшего изгиба внутренней криволинейной поверхности 7 не превышает критического значения 800 МПа (предела текучести материала колеса).

Таким образом, предлагаемая конструкция колеса обеспечивает как равномерное распределение напряжений по всему объему колеса, так и позволяет снизить напряжения в наиболее нагруженных зонах и, таким образом, снизить вероятность появления усталостных трещин, что в свою очередь увеличивает эксплуатационный ресурс колес.

Кроме этого применение заявляемой конструкции колеса позволяет повысить его демпфирующие свойства, что в свою очередь позволяет улучшить эксплуатационные свойства колеса и, таким образом, повысить безопасность движения железнодорожного транспорта в целом.

Заявляемое цельнокатаное железнодорожное колесо может быть изготовлено в условиях промышленного производства на стандартном оборудовании. Наибольший экономический эффект от использования заявляемого изобретения достигается при его использовании в грузовых вагонах с увеличенной нагрузкой на ось до 30 тонн.

Цельнокатаное железнодорожное колесо (1) содержит обод (2) и ступицу (3), сопряженные криволинейными переходными участками (4) с диском (5), который образован наружной (6) и внутренней (7) криволинейными поверхностями, выполненными таким образом, что наружная криволинейная поверхность (6) диска (5) со стороны обода (2) образована первой наружной радиусной кривой (R1), со стороны ступицы (3) второй наружной радиусной кривой (R2) с кривизной, совпадающей по направлению с кривизной первой наружной радиусной кривой (R1), и сопряженных между собой третьей наружной радиусной кривой (R3) с кривизной, противоположной по направлению кривизне первой наружной кривой (R1) и второй наружной кривой (R2). Внутренняя криволинейная поверхность (7) диска (5) со стороны обода (2) образована первой внутренней радиусной кривой (R4), со стороны ступицы (3) второй внутренней радиусной кривой (R5) с кривизной, совпадающей по направлению с кривизной первой внутренней радиусной кривой (R4), и сопряженных между собой третьей внутренней радиусной кривой (R6) с кривизной, противоположной по направлению кривизне первой внутренней кривой (R4) и второй внутренней кривой (R5). Для наружной криволинейной поверхности (6) радиус первой наружной радиусной кривой (R1) составляет от 0.09 до 0.14 диаметра круга катания. Радиус второй наружной радиусной кривой (R2) составляет от 0.1 до 0.15 диаметра круга катания. Радиус третьей наружной радиусной кривой (R3) составляет от 0.12 до 0.18 диаметра круга катания. Для внутренней криволинейной поверхности (7) радиус первой внутренней радиусной кривой (R4) составляет от 0.12 до 0.18 диаметра круга катания. Радиус второй внутренней радиусной кривой (R5) составляет от 0.1 до 0.15 диаметра круга катания. Радиус третьей внутренней радиусной кривой (R6) составляет от 0.12 до 0.17 диаметра круга катания. Технический результат - снижение величины суммарных внутренних напряжений колеса. 2 ил.

Цельнокатаное железнодорожное колесо (1), содержащее обод (2) и ступицу (3), сопряженные криволинейными переходными участками (4) с диском (5), который образован наружной (6) и внутренней (7) криволинейными поверхностями, выполненными таким образом, что наружная криволинейная поверхность (6) диска (5) со стороны обода (2) образована первой наружной радиусной кривой (R1), со стороны ступицы (3) второй наружной радиусной кривой (R2) с кривизной, совпадающей по направлению с кривизной первой наружной радиусной кривой (R1), и сопряженных между собой третьей наружной радиусной кривой (R3) с кривизной, противоположной по направлению кривизне первой наружной кривой (R1) и второй наружной кривой (R2), а внутренняя криволинейная поверхность (7) диска (5) со стороны обода (2) образована первой внутренней радиусной кривой (R4), со стороны ступицы (3) второй внутренней радиусной кривой (R5) с кривизной, совпадающей по направлению с кривизной первой внутренней радиусной кривой (R4), и сопряженных между собой третьей внутренней радиусной кривой (R6) с кривизной, противоположной по направлению кривизне первой внутренней кривой (R4) и второй внутренней кривой (R5), отличающееся тем, что для наружной криволинейной поверхности (6) радиус первой наружной радиусной кривой (R1) составляет от 0,09 до 0,14 диаметра круга катания, радиус второй наружной радиусной кривой (R2) составляет от 0,1 до 0,15 диаметра круга катания, радиус третьей наружной радиусной кривой (R3) составляет от 0,12 до 0,18 диаметра круга катания, а для внутренней криволинейной поверхности (7) радиус первой внутренней радиусной кривой (R4) составляет от 0,12 до 0,18 диаметра круга катания, радиус второй внутренней радиусной кривой (R5) составляет от 0,1 до 0,15 диаметра круга катания, радиус третьей внутренней радиусной кривой (R6) составляет от 0,12 до 0,17 диаметра круга катания.