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 элементов подвижного состава, так и воздействия температурных напряжений, возникающих в колесе в процессе торможения. Возникающие вследствие этого фактические суммарные 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.

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 внешней и внутренней криволинейными поверхностями, выполненный таким образом, что центральная линия радиального сечения обода смещена вдоль оси колеса относительно центральной линии радиального сечения ступицы в сторону внешней криволинейной поверхности, образующая внешней криволинейной поверхности состоит, по крайней мере, из двух сопряженных внешних кривых (R₁, R₂) с противоположной по направлению кривизной, при этом первая внешняя кривая (R₁) сопряжена с ободом первым внешним переходным участком (R₄), вторая внешняя кривая (R₂) сопряжена со ступицей вторым внешним переходным участком (R₅), а образующая внутренней криволинейной поверхности состоит, по крайней мере, из одной внутренней кривой (R₃), которая сопряжена с ободом первым внутренним переходным участком (R₆), а со ступицей вторым внутренним переходным участком (R₇) /SU 885083 (Днепропетровский ордена Трудового Красного Знамени металлургический институт), 30.11.1981/.

В известном цельнокатаном железнодорожном колесе центральная линия радиального сечения диска в месте его сопряжения со ступицей совпадает с центральной линией радиального сечения ступицы, точка А сопряжения первой внешней кривой R₁ (в прототипе - R₂) и второй внешней кривой R₂ (в прототипе - R₃) удалена от оси колеса на расстояние 0,2-0,25 диаметра D круга катания колеса, а точка В сопряжения образующей внутренней криволинейной поверхности и первого внутреннего переходного участка R₆ (в прототипе - R₅) удалена от оси колеса на расстояние 0,2-0,25 диаметра D круга катания колеса.

Недостатком известного цельнокатаного железнодорожного колеса является большое значение напряжений на внутренней и внешней поверхностях диска колеса в местах его сопряжения с ободом и ступицей. Этот недостаток обусловлен неравномерным распределением по объему колеса суммарных внутренних напряжений, возникающих в результате совместного действия термических напряжений, вызванных трением тормозных колодок об обод колеса в процессе торможения подвижного состава, и напряжением от внешних нагрузок.

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания такой конструкции цельнокатаного железнодорожного колеса, использование которой позволило бы снизить величину суммарных внутренних напряжений в колесе 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, ступицу и диск, образованный внешней и внутренней криволинейными поверхностями, выполненный таким образом, что центральная линия радиального сечения обода смещена вдоль оси колеса относительно центральной линии радиального сечения ступицы в сторону внешней криволинейной поверхности, образующая внешней криволинейной поверхности состоит, по крайней мере, из двух сопряженных внешних кривых (R₁, R₂) с противоположной по направлению кривизной, при этом первая внешняя кривая (R₁) сопряжена с ободом первым внешним переходным участком (R₄), вторая внешняя кривая (R₂) сопряжена со ступицей вторым внешним переходным участком (R₅), а образующая внутренней криволинейной поверхности состоит, по крайней мере, из одной внутренней кривой (R₃), которая сопряжена с ободом первым внутренним переходным участком (R₆), а со ступицей вторым внутренним переходным участком (R₇), согласно изобретению центральная линия радиального сечения диска в месте его сопряжения со ступицей смещена по оси колеса относительно центральной линии радиального сечения ступицы в сторону внутренней криволинейной поверхности на расстояние S1 от 10 до 30 мм, точка А сопряжения первой внешней кривой (R₁) и второй внешней кривой (R₂) удалена от оси колеса на расстояние L1=0,32-0,35 диаметра D круга катания колеса, а точка В сопряжения образующей внутренней криволинейной поверхности и первого внутреннего переходного участка (R₆) удалена от оси колеса на расстояние L2=0,33-0,36 диаметра D круга катания колеса.

Выполнение цельнокатаного железнодорожного колеса таким образом, что центральная линия радиального сечения диска в месте его сопряжения со ступицей смещена по оси колеса относительно центральной линии радиального сечения ступицы в сторону внутренней криволинейной поверхности на расстояние S1 от 10 до 30 мм, точка А сопряжения первой внешней кривой (R₁) и второй внешней кривой (R₂) удалена от оси колеса на расстояние L1=0,32-0,35 диаметра D круга катания колеса, а точка В сопряжения образующей внутренней криволинейной поверхности и первого внутреннего переходного участка (R₆) удалена от оси колеса на расстояние L2=0,33-0,36 диаметра D круга катания колеса, 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.

Уменьшение указанного смещения S1 в сторону внешней криволинейной поверхности более чем на 10 мм приводит к значительному увеличению в колесе температурных напряжений. В свою очередь, увеличение указанного смещения S1 в сторону внутренней криволинейной поверхности более чем на 30 мм приводит к увеличению напряжений от действия внешних нагрузок и их концентрации в местах сопряжения диска с ободом и ступицей колеса.

Увеличение смещения L1 точки А сопряжения первой внешней кривой и второй внешней кривой от оси колеса в сторону обода более 0,35 диаметра (D) круга катания колеса приводит к значительному росту напряжений в месте сопряжения диска колеса с его ободом, вызванных температурным воздействием в процессе торможения подвижного состава.

В свою очередь, уменьшение указанного смещения L1 менее 0.2 диаметра круга катания колеса приводит к росту напряжений от действия внешних напряжений и их концентрации в местах сопряжения диска с ободом колеса.

Заявляемая совокупность признаков в целом позволяет снизить величину суммарных внутренних напряжений в колесе за счет их оптимального распределения по объему колеса, что снижает вероятность появления усталостных трещин в наиболее нагруженных зонах цельнокатаного железнодорожного колеса, что, в свою очередь, позволяет повысить эксплуатационную стойкость и надежность конструкции 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 криволинейных участков колеса);

на фиг.3 - схема определения места расположения центральной линии радиального сечения диска.

Цельнокатаное железнодорожное колесо (фиг.1-3) содержит обод 1 (фиг.1), ступицу 2 и диск 3, образованный внешней криволинейной поверхностью 4 и внутренней криволинейной поверхностью 5. Диск 3 выполнен таким образом, что центральная линия 6 радиального сечения обода 1 смещена вдоль оси 7 колеса относительно центральной линии 8 радиального сечения ступицы 2 в сторону внешней криволинейной поверхности 4 колеса. Образующая внешней криволинейной поверхности 4 состоит, по крайней мере, из двух сопряженных внешних кривых R₁ и R₂ (фиг.2) с противоположной кривизной, при этом первая внешняя кривая R₁ сопряжена с ободом 1 (фиг.1) первым внешним переходным участком R₄ (фиг.2), вторая внешняя кривая R₂ сопряжена со ступицей 2 (фиг.1) вторым внешним переходным участком R₅ (фиг.2), а образующая внутренней криволинейной поверхности 5 (фиг.1) состоит, по крайней мере, из одной внутренней кривой R₃ (фиг.2), сопряженной с ободом 1 (фиг.1) первым внутренним переходным участком R₆ (фиг.2), а со ступицей 2 (фиг.1) вторым внутренним переходным участком R₇ (фиг.2).

Центральная линия 9 радиального сечения диска 3 в месте его сопряжения со ступицей 2 смещена по оси 7 колеса относительно центральной линии 8 радиального сечения ступицы 2 в сторону внутренней криволинейной поверхности 5 на расстояние S1, равное от 10 до 30 мм

Точка А (фиг.2) сопряжения первой внешней кривой R₁ и второй внешней кривой R₂ удалена от оси колеса 7 на расстояние L1, равное от 0,32 до 0,35 диаметра D круга катания колеса (L1=(0,32-0,35)D), а точка В сопряжения внутренней кривой R₃ и первого внутреннего переходного участка R₆ удалена от оси 7 колеса на расстояние L2, равное от 0,33 до 0,36 диаметра D круга катания колеса (L2=(0,33-0,36)D).

Центральная линия 6 радиального сечения обода 1 смещена по оси 7 колеса относительно центральной линии 8 радиального сечения ступицы 2 в сторону внешней криволинейной поверхности 4 на расстояние S2, равное от 40 до 55 мм.

Место расположения центральной линии 9 радиального сечения диска 3 в месте его сопряжения со ступицей 2 определяется как середина отрезка CD (фиг.3). Отрезок CD образован пересечением продолжения второй внешней кривой R₃ и внутренней кривой R₂ с отрезком EF, который образован между точкой Е соединения внешней боковой поверхности ступицы 2 со вторым внешним переходным участком R₅ и точкой F соединения внутренней боковой поверхности ступицы 2 со вторым внутренним переходным участком R₇.

Первая внешняя кривая R₁ выполнена радиусом r₁, равным 0,145-0,16 диаметра D круга катания, вторая внешняя кривая R₂ радиусом r₂, равным 0,245-0,26 диаметра D круга катания, внутренняя кривая R₃ выполнена радиусом r₃, равным 0,264-0,285 диаметра D круга катания. Первый внешний переходной участок R₄ выполнен радиусом r₄, равным 0,065-0,09 диаметра D круга катания, второй внешний переходной участок r₅ выполнен радиусом R₅, равным 0,035-0,06 диаметра D круга катания, первый внутренний переходной участок R₆ выполнен радиусом r₆, равным 0,05-0,06 диаметра D круга катания, второй внутренний переходной участок R₇ выполнен радиусом r₇, равным 0,145-0,165 диаметра D круга катания.

Проведенные исследования показали, что смещение центральной линии 6 радиального сечения обода 1 колеса по оси 7 колеса относительно центральной линии 8 радиального сечения ступицы 2 в сторону внешней криволинейной поверхности 4 колеса приводит к значительному снижению значений температурных напряжений, возникающих в цельнокатаном железнодорожном колесе в процессе торможения.

В то же время чрезмерное увеличение указанного смещения приводит к росту значений внутренних напряжений от действия вертикальной и боковой нагрузки в местах сопряжения диска 3 с ободом 1 и диском 2. Поэтому если значение указанного смещения превышает 90 мм, то увеличение в колесе напряжений от действия вертикальной и боковой нагрузки оказывается бóльшим, чем снижение напряжений от действия температурного напряжения, которое обусловлено выполнением указанного смещения.

Угол (фиг.3) α наклона касательной 11 к первой внешней кривой R₁ и второй внешней кривой R₂ в точке А их сопряжения к оси колеса 7 находится в интервале 40-55 градусов, а угол β наклона касательной 12 в точке В сопряжения внутренней криволинейной поверхности 5 с первым внешним переходным участком R₆ к оси колеса 7 находится в интервале 40-55 градусов.

Внутренняя криволинейная поверхность 5 может состоять, по крайней мере, из одной внешней кривой. В некоторых вариантах исполнения изобретения внутренняя криволинейная поверхность 5 состоит их двух сопряженных внутренних кривых с противоположной кривизной (на чертежах не показано).

Работа заявляемой конструкции цельнокатаного железнодорожного колеса осуществляется следующим образом.

При качении колеса по рельсу (на чертежах не обозначен) нагрузка от вертикальной силы, действующей в плоскости круга катания, передается через обод 2 на диск 3 и на ступицу 2. При этом из-за кинематических колебаний и особенно при движении подвижного состава по кривым участкам пути возникает нагрузка от бокового давления гребня 10 обода 1 колеса на рельс, которая также передается на диск 3.

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 две наиболее напряженные зоны: место сопряжения диска 3 с ободом 1 и место сопряжения диска 3 со ступицей 2.

Максимальные напряжения в диске 3 колеса в большинстве случаев нагружения возникают в вертикальном сечении (в том сечении, где приложены нагрузки).

Вертикальная нагрузка вызывает возникновение в колесе преимущественно сжимающих напряжений, которые достигают максимального значения в месте сопряжения диска 3 со ступицей 2 во втором внешнем переходном участке R₇. При этом значения напряжений в указанном месте не превышают 100 МПа, что значительно меньше допускаемого значения.

В то же время боковая нагрузка, возникающая при прохождении подвижным составом криволинейных участков пути и действующая на гребень 10 колеса в направлении внутренней поверхности 5, в сочетании с сохраняющейся вертикальной нагрузкой вызывает в диске 3 колеса изгибающий момент, нарастающий от обода 1 к ступице 2 колеса.

В результате совместного воздействия вертикальной и боковой нагрузки наиболее напряженным участком колеса является место сопряжения диска 3 со ступицей 2 во втором внешнем переходном участке R₇, при этом с наружной стороны диска 3 возникают растягивающие напряжения, а с внутренней стороны диска 3 - сжимающие напряжения.

В этом случае значения максимальных напряжений не превышаю 120 МПа, что также значительно меньше допускаемого значения.

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

В этом случае, при отсутствии приложенных к колесу внешних нагрузок, наибольшие значения напряжений возникают в местах сопряжения диска 3 с ободом 1 (в первом внутреннем переходном участке R₆) и со ступицей 2 (во втором внешнем переходном участке R₅), которые не превышают 550 и 560 кН соответственно, что ниже допускаемых значений.

При приложении к колесу 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 колесе в случае совместного воздействия на него, с одной стороны, вертикальной и боковой нагрузок, а с другой - тепловых напряжений возникают с внешней стороны колеса в месте сопряжения диска 3 со ступицей 2, которые близки к значению допускаемых значений. Повышенная концентрация напряжений в этом месте колеса 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 второго внешнего переходного участка R₅ радиусом r₅, меньшим по значению, чем радиус r₇ второго внутреннего переходного участка R₇, позволяет снизить концентрацию напряжений от действия тепловых напряжения за счет их равномерного распределения на этом участке сопряжения внешней криволинейной поверхности 4 диска 3 со ступицей 2.

Как показывают результаты исследований, напряженное состояние колеса в местах перехода диска 3 в обод 1 и ступицу 2 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 того, 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.

Колесо содержит обод (1), ступицу (2) и диск (3), образованный внешней (4) и внутренней (5) криволинейными поверхностями. Центральная линия (6) радиального сечения обода (1) смещена вдоль оси (7) колеса относительно центральной линии (8) радиального сечения ступицы (2) в сторону внешней криволинейной поверхности (4). Образующая внешней криволинейной поверхности (4) состоит, по крайней мере, из двух сопряженных внешних кривых (R₁, R₂) с противоположной по направлению кривизной. Первая внешняя кривая (R₁) сопряжена с ободом (1) первым внешним переходным участком (R₄). Вторая внешняя кривая (R₂) сопряжена со ступицей (2) вторым внешним переходным участком (R₅). Образующая внутренней криволинейной поверхности (5) состоит, по крайней мере, из одной внутренней кривой (R₃), которая сопряжена с ободом (1) первым внутренним переходным участком (R₆), а со ступицей (2) вторым внутренним переходным участком (R₇). Центральная линия (9) радиального сечения диска (3) в месте его сопряжения со ступицей (2) смещена по оси (7) колеса относительно центральной линии (8) радиального сечения ступицы (2) в сторону внутренней криволинейной поверхности (5) на расстояние S1 от 10 до 30 мм. Точка А сопряжения первой внешней кривой (R₁) и второй внешней кривой (R₂) удалена от оси (7) колеса на расстояние L1=0,32-0,35 диаметра D круга катания колеса. Точка В сопряжения образующей внутренней криволинейной поверхности (5) и первого внутреннего переходного участка (R₆) удалена от оси (7) колеса на расстояние L2=0,33-0,36 диаметра D круга катания колеса. Технический результат - снижение величины суммарных внутренних напряжений колеса. 3 ил.

Цельнокатаное железнодорожное колесо, содержащее обод (1), ступицу (2) и диск (3), образованный внешней (4) и внутренней (5) криволинейными поверхностями, выполненный таким образом, что центральная линия (6) радиального сечения обода (1) смещена вдоль оси (7) колеса относительно центральной линии (8) радиального сечения ступицы (2) в сторону внешней криволинейной поверхности (4), образующая внешней криволинейной поверхности (4) состоит, по крайней мере, из двух сопряженных внешних кривых (R₁, R₂) с противоположной по направлению кривизной, при этом первая внешняя кривая (R₁) сопряжена с ободом (1) первым внешним переходным участком (R₄), вторая внешняя кривая (R₂) сопряжена со ступицей (2) вторым внешним переходным участком (R₅), а образующая внутренней криволинейной поверхности (5) состоит, по крайней мере, из одной внутренней кривой (R₃), которая сопряжена с ободом (1) первым внутренним переходным участком (R₆), а со ступицей (2) вторым внутренним переходным участком (R₇), отличающееся тем, что центральная линия (9) радиального сечения диска (3) в месте его сопряжения со ступицей (2) смещена по оси (7) колеса относительно вентральной линии (8) радиального сечения ступицы (2) в сторону внутренней криволинейной поверхности (5) на расстояние S1 от 10 до 30 мм, точка А сопряжения первой внешней кривой (R₁) и второй внешней кривой (R₂) удалена от оси (7) колеса на расстояние L1=0,32-0,3 5 диаметра D круга катания колеса, а точка В сопряжения образующей внутренней криволинейной поверхности (5) и первого внутреннего переходного участка (R₆) удалена от оси (7) колеса на расстояние L2=0,33-0,36 диаметра D круга катания колеса.