ЦЕЛЬНОКАТАНОЕ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЕ КОЛЕСО
ALL-ROLLED RAILROAD WHEEL

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.