ЦЕЛЬНОКАТАНОЕ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЕ КОЛЕСО
SOLID-ROLLED RAILWAY WHEEL

Изобретение относится к области производства дисковых колес железнодорожных транспортных средств с диском, выполненным как одно целое с ободом, имеющим зацепляющие рельс элементы.
В последнее время происходит существенное изменение условий эксплуатации подвижного состава железнодорожного транспорта, обусловленное ростом скоростей движения, что, в свою очередь, приводит к увеличению термомеханических нагрузок в процессе торможения.
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 нагрузок (расширения), возникающих в колесе в процессе торможения.
Возникающие вследствие этого фактические напряжения и перемещения диска колеса, вызванные в результате температурного расширения материала (металла или сплава), во многом определяют стойкость колес к повреждениям и, в конечном счете, срок их 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 службы.
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 с ребордой (гребнем), ступицу и диск, образованный внутренней и внешней поверхностями [«Цельнокатаное колесо для железнодорожного транспорта» RU 2085403 (C1) (RU), B60B 3/02; 27.07.1997] [1].
В известном цельнокатаном железнодорожном колесе [1] 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 реборду (гребень) колеса при прохождении подвижным составом кривых участков железнодорожной колеи.
Из уровня техники известно цельнокатаное железнодорожное колесо, содержащее обод с ребордой (гребнем), ступицу и диск, образованный наружной и внутренней криволинейными поверхностями [«Цельнокатаное колесо для железнодорожного транспорта» SU 1139647 (A1), B60B 17/00; 15.02.1985] [2].
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 цельнокатаное железнодорожное колесо, содержащее обод с ребордой (гребнем), ступицу и диск, образованный наружной и внутренней криволинейными поверхностями [«Цельнокатаное железнодорожное колесо и способ его изготовления» RU 2259279 (C1), B60B 3/02; 27.08.2005] [3].
В известном колесе [3] 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 являются 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. Это создает предпосылки для развития усталостных трещин и приводит, в свою очередь, к уменьшению срока службы колеса.
Из уровня техники известно цельнокатаное железнодорожное колесо, содержащее обод с ребордой (гребнем) и поверхностью катания, криволинейный диск волновой S-образной формы, образованный радиусными кривыми (дугами), и ступицу, у которого место перехода криволинейного диска в обод и место перехода криволинейного диска в ступицу образованы радиусными кривыми (дугами), а линия (AB) является средней линией радиального сечения криволинейного диска, при этом точка (A) расположена в месте перехода криволинейного диска в обод, а точка (B) расположена в месте перехода криволинейного диска в ступицу, причем точки (A) и (B) средней линии (AB) криволинейного диска находятся на противоположных сторонах от средневолновой плоскости (O-O), которая расположена перпендикулярно оси (X-X) вращения и пересекает обод по поверхности катания, а среднюю линию (AB) криволинейного диска пересекает в точке перегиба (Y), при этом первая точка (A) и реборда (гребень) обода находятся с одной и той же стороны от средневолновой плоскости (O-O) [«Bending resistant railway vehicle wheel of steel» EP 0798136 (B2), 01.10.1997; B60B 17/00] [4].
В известном колесе [4] центральная линия осевого сечения диска имеет волновую S-образную форму большой кривизны и расположена симметрично относительно точки ее перегиба (Y).
Такое выполнение цельнокатаного железнодорожного колеса позволяет несколько снизить значения напряжений при нагреве в процессе торможения.
Недостатком известного колеса являются значительные осевые перемещения обода колеса, которые возникают от статических и динамических нагрузок, действующих в радиальном и осевом направлениях, а также от температурных напряжений, вызванных трением тормозных колодок об обод колеса в процессе торможения подвижного состава.
Из-за этого создаются предпосылки для интенсивного износа пути и поверхности катания обода, что приводит, в свою очередь, к уменьшению срока службы колеса.
Из уровня техники известно наиболее близкое по назначению, технической сути, количеству общих признаков и достигаемому техническому результату - цельнокатаное железнодорожное колесо, содержащее обод с ребордой (гребнем) и поверхностью катания, криволинейный диск волновой S-образной формы, образованный радиусными кривыми (дугами), и ступицу, у которого место перехода криволинейного диска в обод и место перехода криволинейного диска в ступицу образованы радиусными кривыми (дугами), а линия (AB) является средней линией радиального сечения криволинейного диска, при этом точка (A) расположена в месте перехода криволинейного диска в обод, а точка (B) расположена в месте перехода криволинейного диска в ступицу, причем точки (A) и (B) средней линии (AB) криволинейного диска находятся на противоположных сторонах от средневолновой плоскости (O-O), которая расположена перпендикулярно оси (X-X) вращения и пересекает обод по поверхности катания, а среднюю линию (AB) криволинейного диска пересекает в точке перегиба (Y), при этом первая точка (A) и реборда (гребень) обода находятся с одной и той же стороны от средневолновой плоскости (O-O) [«Železnčni kolo» CZ 8688 (U1) (ŽDB A.S.) (Bonatrans AS) (CZ), B60B 3/00: B60B 3/02; 25.05.1999] [5].
В известном колесе [5] центральная линия осевого сечения диска волновой S-образной формы расположена несимметрично относительно точки ее перегиба (Y), которая сдвинута в сторону обода, центральная линия осевого сечения в приободной части от точки перегиба имеет большую кривизну, а отношение между расстоянием по вертикали второй точки (B) от средневолновой плоскости (O-O) и расстоянием по вертикали первой точки (A) от средневолновой плоскости (O-O) больше единицы.
Такое выполнение цельнокатаного железнодорожного колеса позволяет снизить значения осевых перемещений обода колеса при нагреве в процессе торможения, но недостаточно описывает соотношение между кривизной приободной и приступичной части.
Недостатком известного колеса являются значительные напряжения в диске колеса при нагреве в процессе торможения.
Этот недостаток обусловлен небольшой площадью конвекции и большой кривизной приободной части диска колеса, что создает предпосылки для возникновения значительных термических напряжений в диске при нагреве в процессе торможения и приводит, в свою очередь, к уменьшению срока службы колеса.
Кроме того, в связи с тем, что отношение между расстоянием по вертикали второй точки (B) от средневолновой плоскости (O-O) и расстоянием по вертикали первой точки (A) от средневолновой плоскости (O-O) больше единицы, влечет за собой техническую неопределенность выбора этого соотношения для достижения упомянутого технического результата.
Упомянутая техническая неопределенность выбора этого соотношения состоит в том, что неизвестно достигается ли указанный технический результат в случаях, когда это соотношение равно, например, 0,5, или 1,5, или 5, или 10, или 50, что ведет к тому, что промышленное применение известного цельнокатаного железнодорожного колеса [5] невозможно в полной мере, и фактически должно было быть ограничено оптимальным диапазоном значений.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является усовершенствование конструкции цельнокатаного железнодорожного колеса путем оптимизации формы и геометрических параметров его обода таким образом, чтобы было достигнуто снижение величины осевых поперечных перемещений обода за счет оптимального распределения суммарных внутренних напряжений по объему колеса, которые возникают от статических и динамических нагрузок, действующих в радиальном и осевом направлениях, а также от температурных напряжений, вызванных трением тормозных колодок об обод колеса в процессе торможения подвижного состава.
Технический результат, который достигается при решении поставленной технической задачи состоит в увеличении срока службы колеса, а также в снижении интенсивности износа железнодорожного пути.
2
1
2
1
1
2
1
2
1
2
3
1
4
2
3
4
Поставленная техническая задача решается, а технический результат достигается тем, что в цельнокатаном железнодорожном колесе, содержащем обод с ребордой (гребнем) и поверхностью катания, криволинейный диск волновой S-образной формы, образованный радиусными кривыми (дугами), и ступицу, у которого место перехода криволинейного диска в обод и место перехода криволинейного диска в ступицу образованы радиусными кривыми (дугами), а линия (AB) является средней линией радиального сечения криволинейного диска, при этом точка (A) расположена в месте перехода криволинейного диска в обод, а точка (B) расположена в месте перехода криволинейного диска в ступицу, причем точки (A) и (B) средней линии (AB) криволинейного диска находятся на противоположных сторонах от средневолновой плоскости (O-O), которая расположена перпендикулярно оси (X-X) вращения и пересекает обод по поверхности катания, а среднюю линию (AB) криволинейного диска пересекает в точке перегиба (Y), при этом первая точка (A) и реборда (гребень) обода находятся с одной и той же стороны от средневолновой плоскости (O-O), согласно изобретению, криволинейный диск выполнен так, что отношение расстояния (H) от второй точки (B) до средневолновой плоскости (O-O) к расстоянию (H) от первой точки (A) до средневолновой плоскости (O-O) составляет H/H=2,0-2,5, отношение радиуса (R) участка (AY) средней линии (AB) криволинейного диска к радиусу (R) участка (BY) средней линии (AB) криволинейного диска составляет R/R=0,4-0,5, плоскость (P), проходящая через середину ширины (f) ступицы, смещена относительно плоскости (P), проходящей через середину ширины (h) обода, в сторону внутренней поверхности колеса на величину S=(0,15-0,25)h ширины (h) обода, а отношение расстояния (H) от плоскости (P), проходящей через середину ширины (f) ступицы, до средневолновой плоскости (O-O) к расстоянию (H) от плоскости (P), проходящей через середину ширины (h) обода, до средневолновой плоскости (O-O) составляет H/H=1,35-1,45.
При таком выполнении и оптимизации формы и геометрических параметров диска, металл цельнокатаного железнодорожного колеса имеет большую проводимость тепла в приободной части, большую теплоемкость и большую площадь конвекции приступичной части.
За счет небольшой кривизны приступичной части диска, точка перегиба (Y) центральной линии (AB) осевого сечения диска сдвинута в сторону обода.
В результате этого достигается снижение величины осевых поперечных перемещений обода за счет оптимального распределения суммарных внутренних напряжений по объему колеса, которые возникают от статических и динамических нагрузок, действующих в радиальном и осевом направлениях, а также от температурных напряжений, вызванных трением тормозных колодок об обод колеса в процессе торможения подвижного состава, что обеспечивает увеличение срока службы колеса, а также снижение интенсивности износа железнодорожного пути.
1
2
2
1
Опытным путем установлено, что увеличение отношения расстояния (H) к расстоянию (H) больше указанного диапазона (H/H>2,5) приводит к большим смещениям приободной части диска колеса в осевом направлении, что создает предпосылки для значительных осевых перемещений обода колеса при нагреве в процессе торможения.
2
1
2
1
Опытным путем также установлено, что уменьшение отношения расстояния (H) к расстоянию (H) меньше указанного диапазона (H/H<2,2) приводит к увеличению напряжений в приободной части диска от вертикальных (радиальных) силовых и термических нагрузок, возникающих в процессе торможения.
2
1
2
1
Исходя из этого, следует, что указанный диапазон отношения расстояния (H) к расстоянию (H), выбранный больше единицы и составляющий величину H/H=2,0-2,5 является оптимальным.
1
2
1
2
Опытным путем установлено, что увеличение соотношения радиуса (R) к радиусу (R) больше указанного диапазона (R/R>0,5) приводит к увеличению напряжений в приступичной части диска от поперечных (осевых) силовых и термических нагрузок, возникающих в процессе торможения.
1
2
1
2
Опытным путем также путем установлено, что уменьшение соотношения радиуса (R) к радиусу (R) меньше указанного диапазона (R/R<0,4) приводит к сдвигу точки перегиба (Y) центральной линии (A-B) осевого сечения диска в сторону обода и к уменьшению площади конвекции приободной части диска колеса, что создает предпосылки для возникновения значительных термических напряжений в диске при нагреве в процессе торможения.
1
2
1
2
Это свидетельствует о том, что указанный диапазон отношения радиуса (R) к радиусу (R) (R/R=0,4-0,5) является оптимальным.
1
2
Опытным путем установлено, что даже незначительное увеличение смещения плоскости (P), проходящей через середину ширины (f) ступицы, относительно плоскости (P), проходящей через середину ширины (h) обода, в сторону внутренней поверхности колеса на большую величину (S) ширины (h) обода, чем в указанном диапазоне (S>0,25h), приводит к более интенсивному износу реборды (гребня) колеса и железнодорожного пути.
1
2
Опытным путем также установлено, что даже незначительное уменьшение смещения плоскости (P), проходящей через середину ширины (f) ступицы, относительно плоскости (P), проходящей через середину ширины (h) обода, чем в указанном диапазоне (S<0,15h), приводит к более интенсивному износу поверхности катания колеса и железнодорожного пути.
1
2
Исходя из этого, следует, что смещение плоскости (P), проходящей через середину ширины (f) ступицы, относительно плоскости (P), проходящей через середину ширины (h) обода, в сторону внутренней поверхности колеса на величину (S) ширины (h) в указанном диапазоне S=(0,15-0,25)h обода, является оптимальным.
3
4
3
4
Опытным путем установлено, что увеличение отношения расстояния (H) к расстоянию (H) больше указанного диапазона (H/H>1,45) приводит к большим смещениям приободной части диска колеса в осевом направлении от поперечных (осевых) силовых нагрузок, что создает предпосылки для более интенсивного износа поверхности катания колеса и железнодорожного пути.
3
4
3
4
Опытным путем также установлено, что уменьшение отношения расстояния (H) к расстоянию (H) меньше указанного диапазона (H/H<1,35) приводит к сдвигу точки перегиба (Y) центральной линии осевого сечения диска в сторону ступицы и к уменьшению теплоемкости приступичной части диска колеса, что создает предпосылки для возникновения значительных термических напряжений в диске при нагреве в процессе торможения.
3
4
3
4
Это свидетельствует о том, что указанный диапазон отношения расстояния (H) к расстоянию (H) (H/H=1,35-1,45) является оптимальным.
В дальнейшем изобретение поясняется описанием его выполнения со ссылками на чертеж (фиг.1), на котором изображено цельнокатаное железнодорожное колесо, поперечный разрез.
1
2
Предлагаемое цельнокатаное железнодорожное колесо содержит обод 1 с ребордой (гребнем) 2 и поверхностью катания 3, криволинейный диск 4 волновой S-образной формы, образованный радиусными кривыми (дугами) радиусами R и R, и ступицу 5.
3
4
5
6
Место 6 перехода криволинейного диска 4 в обод 1 и место 7 перехода криволинейного диска 4 в ступицу 5 образованы радиусными кривыми (дугами) радиусами R, R и R, R.
Линия AB является средней линией радиального сечения криволинейного диска 4.
Точка A расположена в месте 6 перехода криволинейного диска 4 в обод 1.
Точка B расположена в месте 7 перехода криволинейного диска 4 в ступицу 5.
Причем точки A и B средней линии AB криволинейного диска 4 находятся на противоположных сторонах от средневолновой плоскости O-O, которая расположена перпендикулярно оси X-X вращения и пересекает обод 1 по поверхности катания 3, а среднюю линию AB криволинейного диска 4 пересекает в точке перегиба Y.
При этом первая точка A и реборда (ребень) 2 обода 1 находятся с одной и той же стороны от средневолновой плоскости O-O.
Главными особенностями конструкции предлагаемого цельнокатаного железнодорожного колеса является то, что криволинейный диск (4) выполнен так, что его геометрические параметры находятся в следующих соотношениях.
2
1
2
1
Отношение расстояния H от второй точки B до средневолновой плоскости O-O к расстоянию H от первой точки A до средневолновой плоскости O-O составляет H/H=2,0-2,5.
1
2
1
2
Отношение радиуса R участка AY средней линии AB криволинейного диска 4 к радиусу R участка BY средней линии AB криволинейного диска 4 составляет R/R=0,4-0,5.
1
2
3
1
4
2
3
4
Плоскость P, проходящая через середину ширины f ступицы 5, смещена относительно плоскости P, проходящей через середину ширины h обода 1, в сторону внутренней поверхности колеса на величину S=(0,15-0,25)h ширины h обода 1. Отношение расстояния H от плоскости P, проходящей через середину ширины f ступицы 5, до средневолновой плоскости O-O к расстоянию H от плоскости P, проходящей через середину ширины h обода 1, до средневолновой плоскости O-O составляет H/H=1,35-1,45.
В примере конкретного выполнения опытный образец цельнокатаного железнодорожного колеса был изготовлен из стали марки 2 по ГОСТ 10791-2004 и выполнен со следующими геометрическими параметрами.
Криволинейный диск 4 был выполнен волновой S-образной формы со следующими основными геометрическими параметрами.
1
1
Расстояние H от первой точки A до средневолновой плоскости O-O составляет H=14,24 мм;
2
2
Расстояние H от второй точки B до средневолновой плоскости O-O составляет H=32,76 мм.
2
1
2
1
2
1
Отношение расстояния H от второй точки B до средневолновой плоскости O-O к расстоянию H от первой точки A до средневолновой плоскости O-O составляет H/H=32,76/14,24=2,30 и находится в заявленном диапазоне значений (H/H=2,0-2,5).
1
1
Криволинейный диск 4 волновой S-образной формы имеет радиус R участка AY средней линии AB криволинейного диска 4, равный R=60 мм.
2
2
Криволинейный диск 4 волновой S-образной формы имеет радиус R участка BY средней линии AB криволинейного диска 4, равный R=138 мм.
1
2
1
2
1
2
Отношение радиуса R участка AY средней линии AB криволинейного диска 4 к радиусу R участка BY средней линии AB криволинейного диска 4 составляет R/R=60/138=0,43 и находится в заявленном диапазоне значений (R/R=0,4-0,5).
1
2
Расстояние смещения плоскости P, проходящей через середину ширины f ступицы 5, относительно плоскости P, проходящей через середину ширины h обода 1, в сторону внутренней поверхности колеса в пределах величины S=(0,15-0,25)h ширины h обода 1 в сторону внутренней поверхности колеса равно 25,94 мм.
Ширина h обода 1 равна h=132 мм.
1
2
Величина S смещения плоскости P, проходящей через середину ширины f ступицы 5, относительно плоскости P, проходящей через середину ширины h ≈ обода 1, в сторону внутренней поверхности колеса составляет S=(25,94/132)h≈0,20h ширины h обода 1 и находится в заявленном диапазоне значений S/h=(0,15-0,25) или S=(0,15-0,25)h.
3
1
3
Расстояние H от плоскости P, проходящей через середину ширины f ступицы 5, до средневолновой плоскости O-O составляет H=15,06 мм;
4
2
2
Расстояние H от плоскости P, проходящей через середину ширины h обода 1, до средневолновой плоскости O-O составляет H=10,88 мм.
3
1
4
2
3
4
3
4
Отношение расстояния H от плоскости P, проходящей через середину ширины f ступицы 5, до средневолновой плоскости O-O к расстоянию H от плоскости P, проходящей через середину ширины h обода 1, до средневолновой плоскости O-O составляет H/H=15,06/10,88=1,38 и находится в заявленном диапазоне значений H/H=1,35-1,45.
3
Место 6 перехода криволинейного диска 4 в обод 1 со стороны реборды (гребня) 2 образовано радиусной кривой (дугой) радиусом R=20 мм.
4
Место 6 перехода криволинейного диска 4 в обод 1 со стороны, противоположной от реборды (гребня) 2, образовано радиусной кривой (дугой) радиусом R=100 мм.
5
Место 7 перехода криволинейного диска 4 в ступицу 5 со стороны реборды (гребня) 2 образовано радиусной кривой (дугой) радиусом R=60 мм.
6
Место 7 перехода криволинейного диска 4 в ступицу 5 со стороны, противоположной от реборды (гребня) 2, образовано радиусной кривой (дугой) радиусом R=35 мм.
Такое выполнение цельнокатаного железнодорожного колеса приводит к приближению формы диска колеса к несимметричной волновой S-образной форме, за счет чего достигается уменьшение жесткости колеса в радиальном направлении и увеличение жесткости колеса в осевом направлении.
Применение предлагаемой 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.
В заявляемой конструкции колеса достигается возможность свести до минимума выгиб диска колеса в осевом направлении при нагреве в процессе торможения, что, в свою очередь, позволяет свести до минимума осевые перемещения обода колеса при нагреве в процессе торможения и, тем самым, увеличить срок его службы, а также снизить интенсивность износа железнодорожного пути.
Кроме этого, предлагаемая конструкция колеса обеспечивает как оптимальное 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.
Работа цельнокатаного железнодорожного колеса осуществляется следующим образом.
При движении колеса по рельсу (на чертеже не показано) нагрузка от вертикальной силы, действующей в плоскости круга катания, передается через обод 1 на диск 4 и на ступицу 5.
При движении подвижного состава по криволинейным участкам пути и по стрелочным переводам и пересечениям путей возникает нагрузка от бокового давления реборды (гребня)2 обода 1 колеса на рельс, которая также передается на диск 4 колеса.
Максимальные значения динамических нагрузок, которые воспринимает колесо подвижного состава с нагрузкой на ось до 25 тс в процессе эксплуатации, в два раза выше значения максимальной статической нагрузки и, как правило, не превышают 306,5 кН для вертикальной нагрузки и 147,1 кН для боковой нагрузки.
При этом максимальное значение суммарных внутренних напряжений в колесе от действия приложенных к нему нагрузок не должно превышать ни условного предела пропорциональности материала (металла) колеса, который составляет 355 МПа, ни, тем более, предела текучести материала (металла), из которого изготовлено цельнокатаное железнодорожное колесо, который составляет 600 МПа.
В заявляемой конструкции цельнокатаного железнодорожного колеса выделяются две напряженные зоны - это место 6 перехода диска 4 в обод 1 и место 7 перехода диска 4 в ступицу 5.
При движении колеса по прямым участкам пути вертикальная нагрузка вызывает наибольшие сжимающие напряжения на внешней поверхности диска 4 в месте 6 перехода диска 4 в обод 1, которые достигают значения -214,8 МПа, и наибольшие растягивающие напряжения на внутренней поверхности диска (4) в месте 7 перехода диска 4 в ступицу 5, которые достигают значения +135,2 МПа, причем наибольшие расчетные эквивалентные напряжения по фон-Мизесу (согласно IV-й, энергетической теории прочности) достигают значения 195,0 МПа и возникают на внешней поверхности диска 4 в месте 6 перехода диска 4 в обод 1.
При движении колеса по криволинейным участкам пути боковая нагрузка, действующая в направлении внутрь колесной пары, в сочетании с сохраняющейся вертикальной нагрузкой вызывает в диске 4 колеса изгибающий момент, нарастающий от обода 1 к ступице 5 колеса, который, в свою очередь, вызывает наибольшие сжимающие напряжения на внутренней поверхности диска 4 в месте 7 перехода диска 4 в ступицу 5, которые достигают значения -303,7 МПа, и наибольшие растягивающие напряжения на внешней поверхности диска 4 в месте 7 перехода диска 4 в ступицу 5, которые достигают значения +211,9 МПа, а наибольшие расчетные эквивалентные напряжения по фон-Мизесу (согласно IV-й, энергетической теории прочности) достигают значения 299,1 МПа и возникают на внутренней поверхности диска 4 в месте 7 перехода диска 4 в ступицу 5.
При движении колеса по стрелочным переводам и пересечениям путей боковая нагрузка, действующая в направлении наружу колесной пары, в сочетании с сохраняющейся вертикальной нагрузкой вызывает в диске 4 колеса изгибающий момент, нарастающий от обода 1 к ступице 5 колеса, который, в свою очередь, вызывает наибольшие сжимающие напряжения на внешней поверхности диска 4 в месте 6 перехода диска 4 в обод 1, которые достигают значения -327,4 МПа, и наибольшие растягивающие напряжения на внутренней поверхности диска 4 в месте 6 перехода диска 4 в обод 1, которые достигают значения +181,5 МПа, а наибольшие расчетные эквивалентные напряжения по фон-Мизесу (согласно IV-й, энергетической теории прочности) достигают значения 214,8 МПа и возникают на внешней поверхности диска 4 в месте 6 перехода диска 4 в обод 1.
Расчетный наибольший диапазон динамических напряжений, равный удвоенным динамическим напряжениям от приложенных к колесу циклических описанных ранее нагрузок, составляет 351,4 МПа и не превышает предельного значения 360 МПа (предписанного в европейских стандартах EN 13979-1 и UIC 510-5).
Как показывают результаты исследований, расчетные напряжения в диске 4 колеса в месте 6 перехода диска 4 в обод 1 и в месте 7 перехода диска 4 в ступицу 5 не превышают ни критического значения предела текучести металла, равного 600 МПа, ни предельного значения условного предела пропорциональности металла, равного 355 МПа.
Приведенные сведения свидетельствуют о возможности промышленного применения предложенного цельнокатаного железнодорожного колеса, обладающего повышенным сроком службы и обеспечивающего снижение интенсивности износа железнодорожного пути.
Предложенное цельнокатаное железнодорожное колесо может быть изготовлено в условиях промышленного производства на стандартном оборудовании и может найти широкое применение в железнодорожных транспортных средствах с диском, выполненным как одно целое с ободом, имеющим зацепляющие рельс элементы.
Перечень обозначений
1) обод
2) реборда (гребень)
3) поверхность катания
4) криволинейный диск
5) ступица
6) место перехода диска в обод
7) место перехода диска в ступицу