БАНДАЖ КОЛЕСНОЙ ПАРЫ

Область применения
Заявленная полезная модель относится к колесам с рельсозацепляющими элементами и может быть использована в колесных парах колесных тележек железнодорожных составов.
Предшествующий уровень техники
Бандаж колесной пары, выполненный в виде кольца, на внешнем ободе которого выполнен кольцевой гребень, на поверхностях внешнего обода и гребня размещен антифрикционный слой, выполненный из антифрикционного состава, включающего смесь серпентинита и органического связующего (публикация RU 2111141, кл. МПК B61K 3/00, опубл. 20.05.1998 г.)
Недостатком указанного бандажа является то, что в нем антифрикционный слой, размещенный на поверхностях внешнего обода и гребня, нарушается под воздействием неблагоприятных внешних факторов, как то: погодные условий (температурные перепады, температуры выше 40°С, температуры ниже -15°С, осадки, ветры), вибрации от движения железнодорожных составов.
Раскрытие полезной модели
Техническим результатом, который может быть получен в заявленной полезной модели, является создание бандажа колесной пары, который будет сохранять свои антифрикционные свойства в два раза дольше, чем бандаж-аналог при воздействии неблагоприятных внешних факторов.
Технический результат достигается за счет введения в бандаж колесной пары новых конструктивных элементов и их взаимного расположения.
Более конкретно, заявленный технический результат достигается тем, что в бандаже колесной пары, выполненном в виде кольца, на внешнем ободе которого выполнен кольцевой гребень, на поверхностях внешнего обода и гребня размещен антифрикционный слой, выполненный из антифрикционного состава, включающего смесь серпентинита и органического связующего, во внешнем ободе и в гребне выполнено множество глухих отверстий, диаметр которых относится к глубине как 1 к 5-12, а максимальное расстояние между упомянутыми отверстиями составляет десять диаметров, при этом упомянутые отверстия заполнены упомянутым антифрикционным защитным составом, кроме того, предпочтительно, что бы оси упомянутых отверстий расположены под углом к поверхностям внешнего обода и гребня, составляющим 30°-45°.
Для улучшения механических свойств поверхностного слоя внешнего обода и гребня в антифрикционный состав введены частицы двуокиси титана и оксида меди при следующем соотношении компонентов:
6
4
10
8
серпентинит Mg(SiO)(ОН) - 40-60 мас.%;
2
двуокись титана TiO: - 1-4 мас.%;
оксид меди CuO - 1-4 мас.%;
3
2
7
олеиновая кислота CH(СН)СН - 1-4 мас.%,
органическое связующее - остальное,
при этом частицы серпентинита, двуокиси титана и оксида меди имеют размер от 1 до 10 мкм.
Описание чертежей
Заявленная полезная модель поясняется при помощи чертежей, представленных на фиг.1-3.
На фиг.1 показан общий вид бандажа колесной пары с вырезом, в соответствии с настоящей полезной моделью.
На фиг.2 показано сечение бандажа колесной пары с глухими отверстиями выполненными по нормали к поверхностям внешнего обода и гребня.
На фиг.3 показано сечение бандажа колесной пары с глухими отверстиями выполненными под углом к поверхностям внешнего обода и гребня.
При этом на фиг.1-3 приняты следующие обозначения:
- кольцо 1,
- внешний обод 2,
- гребень 3,
- антифрикционный слой 4,
- глухое отверстие 5,
- диаметр Б глухого отверстия 5,
- глубина h глухого отверстия 5.
Осуществление полезной модели
Заявленный бандаж колесной пары, представленный на фиг.1, выполнен в виде кольца 1, имеющего постоянное по окружности сечение, на внешнем ободе 2 которого (кольца 1) выполнен кольцевой гребень 3, на поверхностях внешнего обода 2 и гребня 3 размещен антифрикционный слой 4, выполненный из антифрикционного состава.
Антифрикционный слой 4 расположен на всей внешней поверхности внешнего обода 2 и гребня 3, для того, что бы они находились в контактном взаимодействии с головкой рельса через посредство упомянутого антифрикционного слоя 4.
Кроме того, антифрикционный слой 4 является защитным слоем, защищающим внешний обод 2 и гребень 3 при длительном хранении бандажа колесной пары без его эксплуатации.
Антифрикционный слой 4, как и антифрикционный слой ближайшего аналога, выполнен из антифрикционного состава и включает смесь серпентинита и органического связующего, в качестве которого могут быть использованы мазут, петролатум, смесь мазута и петролатума и другие органические связующие.
Во внешнем ободе 2 и в гребне 3 выполнено множество глухих отверстий 5, заполненных антифрикционным составом. Так как твердые частицы антифрикционного состава, из которого выполнен антифрикционный слой 4, имеют размеры от 0,1 микрометра до несколько десятков микрометров (не более 50 мкм, а предпочтительно 10 мкм), то целесообразно выполнять глухие отверстия 5 с диаметром Б предпочтительно равным 100 мкм. При этом частицы антифрикционного состава, заполняющие указанные отверстия 5, должны плотно заполнять указанные отверстия 5, не покидать указанные отверстия 5 при длительном хранении упомянутого бандажа и постепенно покидать указанные отверстия 5 под воздействием давления и вибрации при прохождении железнодорожных составов по рельсам.
Для определения удовлетворяющих этим условиям размеров указанных отверстий 5, были взяты сегменты (образцы) бандажа колесной пары, во внешнем ободе и гребне которых посредством лазерного сверления были выполнены глухие отверстия с различными диаметрами и глубинами. Затем глухие отверстия были заполнены антифрикционным составом без спрессовывания указанного состава в указанных отверстиях, а на поверхности внешнего обода и гребня был нанесен тот же антифрикционный состав. При этом было выявлено, что антифрикционный состав заполняет только часть глухих отверстий, расположенную у поверхности внешнего обода и гребня, в глухих отверстиях у которых диаметр относится к глубине как 1 к менее чем 5. Поэтому образцы бандажа колесной пары с глухими отверстиями, у которых диаметр относится к глубине как 1 к менее чем 5, не подвергались дальнейшим исследованиям.
После чего образцы бандажа колесной пары с глухими отверстиями, у которых диаметр относится к глубине как 1 к более чем 5, подвергали испытаниям на вибрационном стенде при воздействии вибрации с частотой 50 Гц в течение 1 часа.
После указанных испытаний было обнаружено, что антифрикционный состав выпал из глухих отверстий, у которых диаметр относится к глубине как 1 к более чем 12.
Таким образом, для того, чтобы частицы антифрикционного состава плотно заполняли глухие отверстия, не покидая эти отверстия под воздействием давления и вибрации от прохождения железнодорожных, а вместе с ними и колесных пар с ободами, составов по рельсам, диаметр D глухих отверстий 5 должен относится к глубине h глухих отверстий 5 как 1 к 5-12. Оси глухих отверстий 5 могут быть расположены перпендикулярно внешним поверхностям внешнего обода 2 и гребня 3, однако предпочтительно, чтобы оси упомянутых отверстий 5 расположены под углом к указанным поверхностям, составляющим 30°-45°. Это связано с тем, что при давлении колесной пары железнодорожного вагона на рельс антифрикционный состав из глухих отверстий 5 выдавливается эффективней чем из глухих отверстий 5, оси которых перпендикулярны поверхностям внешнего обода 2 и гребня 3.
Кроме того, при воздействии вибрации было определено, что для равномерного распределения, выходящего из глухих отверстий 5 антифрикционного состава, по поверхностям внешнего обода 2 и гребня 3 максимальное расстояние между упомянутыми отверстиями 5 должно составлять десять диаметров D.
Для подтверждения заявленного технического результата, были взяты сегменты (образцы) бандажа колесной пары, во внешнем ободе 2 и гребне 3 которых посредством лазерного сверления были выполнены глухие отверстия 5, у которых диаметр D глухих отверстий 5 относится к глубине h глухих отверстий 5 как 1 к 5-12, а максимальное расстояние между упомянутыми отверстиями 5 составляет десять диаметров D. Затем глухие отверстия были заполнены антифрикционным составом без спрессовывания указанного состава в указанных отверстиях, а на поверхности внешнего обода 2 и гребня 3 был нанесен тот же антифрикционный состав. Для сравнения на такие же сегменты бандажа колесной пары (образцы для сравнения) без сверления глухих отверстий был нанесен тот же антифрикционный состав, что и на образцы с глухими отверстиями.
Все образцы были разделены на четыре группы, в которые входили как образцы с глухими отверстиями 5, так и образцы без глухих отверстий 5. На образцы первой группы оказывалось температурное воздействие имитирующее воздействие температуры выше 40°С и вибрацию от движения железнодорожного состава. На образцы второй группы оказывалось температурное воздействие имитирующее воздействие температуры ниже -15°С и вибрацию от движения железнодорожного состава. На образцы третьей группы оказывалось воздействие имитирующее воздействие ветра и вибрацию от движения железнодорожного состава. На образцы четвертой группы оказывалось воздействие имитирующее воздействие осадков и вибрацию от движения железнодорожного состава.
В первой группе образцов все образцы были нагреты до температуры 50°С, после чего были подвержены вибрации на вибрационном стенде с частотой 50 Гц в течении 1 часа, после чего снова нагреты до температуры 50°С. Затем образцы были подвержены испытаниям на трибометре при одинаковых условиях, при нагрузочном давлении 60Н. При испытаниях было определено, что с образцов для сравнения, в которых не выполнено глухих отверстий, антифрикционный слой удалился через 4 минуты испытаний на трибометре. С образцов, в которых выполнены глухие отверстия 5 антифрикционный слой удалился через 20 минут испытаний на трибометре.
Во второй группе образцов все образцы были охлаждены до температуры -20°С, после чего были подвержены вибрации на вибрационном стенде с частотой 50 Гц в течении 1 часа, после чего снова охлаждены до температуры -20°С. Затем образцы были подвержены испытаниям на трибометре при одинаковых условиях, при нагрузочном давлении 60Н. При испытаниях было определено, что с образцов для сравнения, в которых не выполнено глухих отверстий, антифрикционный слой удалился через 2 минуты испытаний на трибометре. С образцов, в которых выполнены глухие отверстия 5 антифрикционный слой удалился через 10 минут испытаний на трибометре.
В третьей группе образцов все образцы были подвержены обдуву воздухом в течении 2 часов при температуре 20°С, после чего были подвержены вибрации на вибрационном стенде с частотой 50 Гц в течении 1 часа. Затем образцы были подвержены испытаниям на трибометре при одинаковых условиях, при нагрузочном давлении 60Н. При испытаниях было определено, что с образцов для сравнения, в которых не выполнено глухих отверстий, антифрикционный слой удалился через 3 минуты испытаний на трибометре. С образцов, в которых выполнены глухие отверстия 5 антифрикционный слой удалился через 20 минут испытаний на трибометре.
В четвертой группе образцов все образцы были погружены в водопроводную воду на 30 минут при температуре 18°С, после чего были подвержены вибрации на вибрационном стенде с частотой 50 Гц в течении 1 часа. Затем образцы были подвержены испытаниям на трибометре при одинаковых условиях, при нагрузочном давлении 60Н. При испытаниях было определено, что с образцов для сравнения, в которых не выполнено глухих отверстий, антифрикционный слой удалился через 4 минуты испытаний на трибометре. С образцов, в которых выполнены глухие отверстия 5 антифрикционный слой удалился через 25 минут испытаний на трибометре.
Таким образом, можно утверждать, что заявленный бандаж колесной пары сохраняет свои антифрикционные свойства при воздействии неблагоприятных внешних факторов, однако из глухих отверстий 5 со временем полностью удаляется антифрикционный состав. Оставшиеся пустые глухие отверстия 5 можно вновь заполнить антифрикционным составом, но в реальных условиях указанные отверстия 5, как правило, заполняются посторонними частицами и/или веществами (различными окислами, органическими соединениями и т.д.), которые уже невозможно удалить из указанных отверстий 5. Выполнение новых глухих отверстий 5 в бандаже колесной пары приведет к снижению прочностных характеристик указанного бандажа. Для того, что бы указанного снижения не произошло, можно заменить указанный бандаж новым, но эта замена экономически не выгодна.
6
4
10
8
2
3
2
7
Для того, что бы срок службы заявленного бандажа колесной пары увеличился при многократном выполнении в нем глухих отверстий 5, в антифрикционный состав были введены частицы двуокиси титана и оксида меди, которые также как и частицы серпентинита имеют размер от 1 до 10 мкм, а также олеиновая кислота. При этом соотношение компонентов антифрикционного состава выглядит следующим образом: серпентинит Mg(SiO)(ОН) - 40-60 мас.%, двуокись титана TiO - 1-4 мас.%, оксид меди CuO - 1-4 мас.%, олеиновая кислота СН(СН)СН - 1-4 мас.%, органическое связующее - остальное.
Олеиновая кислота создает на частицах серпентинита, двуокиси титана и оксида меди поверхностную пленку, препятствующую их слипанию в конгломераты. Частицы двуокиси титана служат для образования центров кристаллизации и регулирования роста зерен в глухих отверстиях 5, в результате реакции двуокиси титана с серпентинитом. Указанная реакция приводит к образованию в отверстиях 5 поликристаллической структуры кремнеземистой фазы. Частицы оксида меди внедряются в зону пластических деформаций в глухих отверстиях 5, увеличивая микротвердость и усталостную прочность стенок глухих отверстий 5 и, как следствие, всего поверхностного слоя внешнего обода 2 и гребня 3. Происходит диффузное проникновение частиц оксида меди в кристаллическую решетку стенок глухих отверстий 5 и в образованную в глухих отверстиях 5 поликристаллическую структуру. При этом олеиновая кислота, частицы двуокиси титана и оксида меди не ухудшают антифрикционных свойств антифрикционного слоя 4. В результате одна часть антифрикционного состава из глухих отверстий 5 постепенно выдавливается, образуя антифрикционный слой, а другая часть постепенно заполняет глухие отверстия 5 поликристаллической структурой кремнеземистой фазы, что приводит к полному заполнению глухих отверстий 5 металлом с улучшенными свойствами. После полного износа антифрикционного слоя 4, бандаж колесной пары может быть демонтирован и в нем можно выполнить новые глухие отверстия 5 которые вновь будут заполнены антифрикционным составом. Затем бандаж колесной пары можно повторно использовать в колесных парах.
Заявленный бандаж колесной пары работает следующим образом.
Антифрикционный состав наносят на поверхности внешнего обода 2 и гребня 3, при этом указанный состав заполняет глухие отверстия 5, затекая в них (глухие отверстия 5), и одновременно образует антифрикционный слой 4. Затем ободы устанавливаются на колесные пары колесных тележек железнодорожных составов. При прохождении по рельсу железнодорожных составов антифрикционный слой 4 постепенно удаляется за счет трения рельса и колесных пар. Но одновременно антифрикционный состав выдавливается из глухих отверстий 5 под воздействием давления, оказываемого на поверхности внешнего обода 2 и гребня 3 массой вагона или платформы железнодорожного состава, поддерживая наличие антифрикционного слоя 4. При этом неблагоприятные внешние факторы, такие как: погодные условий (температурные перепады, температуры выше 40°С, температуры ниже -15°С, осадки, ветры), вибрации от движения железнодорожных составов, отрицательно воздействуют на антифрикционный слой 4, ускоряя его износ, не воздействуют на антифрикционный состав заполняющий глухие отверстия 5.
Во время длительного хранения бандажа колесной пары антифрикционный слой 4 и антифрикционный состав, заполняющий глухие отверстия 5, выполняют защитные функции, защищая внешний обод 2 и гребень 3 от окислительных реакций, которые могли бы протекать под воздействием неблагоприятных факторов окружающей среды.
Таким образом, за счет того, что во внешнем ободе и в гребне выполнено множество глухих отверстий, диаметр которых относится к глубине как 1 к 5-12, а максимальное расстояние между упомянутыми отверстиями составляет десять диаметров, при этом упомянутые отверстия заполнены упомянутым антифрикционным защитным составом, а оси упомянутых отверстий могут быть расположены под углом к поверхности головки, составляющим 30°-45°, антифрикционные свойства бандажа колесной пары сохраняются более чем в два раза дольше при воздействии неблагоприятных внешних факторов.