КОЛЕСО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ВАГОНА

Область техники
Полезная модель относится к конструкции колес подвижного состава железнодорожного транспорта, а конкретнее - к формам профиля ободьев колес железнодорожных вагонов.
Здесь и далее обозначены:
термином «профиль обода» - составная образующая, которая задает гладко сопряженные нерабочую и рабочую поверхности гребня, выкружку и поверхность катания колеса железнодорожного вагона,а
термином «выкружка» - такая часть обода, которая обеспечивает гладкое сопряжение рабочей поверхности гребня железнодорожного колеса с его поверхностью катания.
Предшествующий уровень техники
От совершенства формы контактных, т.е. взаимодействующих с рельсами, поверхностей ободьев железнодорожных колес существенно зависит износ колес и головок рельсов.
Изменение профиля головок стандартных рельсов Р65 требует переоснащения рельсопрокатных станов, значительных затрат на изготовление новых рельсов и перешивку десятков тысяч километров магистральных и станционных путей. Поэтому актуальную для России и стран СНГ проблему снижения износа колес и головок рельсов нужно решать, прежде всего, оптимизацией профиля ободьев колес.
При движении обод стандартного железнодорожного колеса (ГОСТ 9036-88. Колеса цельнокатаные. Конструкции и размеры, черт.2) контактирует с боковой гранью головки рельса рабочей поверхностью гребня, а выкружка практически не участвует во взаимодействии с рельсом. Это приводит к значительному и, как правило, неравномерному износу контактных поверхностей колес и головок рельсов, к подрезу и остроконечному накату гребней и к повышенному динамическому воздействию колес на путь, а по мере износа колес - к снижению критической скорости движения вагонов и резкому ухудшению их динамических качеств.
С учетом формы рельсов типа Р65 и данных о среднесетевом износе гребней были предложены колеса для вагонов с отчасти усовершенствованным износоустойчивым профилем (Голутвина Т.К. Новый профиль вагонного колеса /Железнодорожный транспорт, 1979, №3, с.47-49). Однако колеса с таким профилем не нашли широкого применения.
Более эффективными оказались железнодорожные колеса, профили поверхностей ободьев которых заданы последовательно усложняемыми нелинейными уравнениями (SU 1240637; SU 1695601 и SU 1794694). Во время движения такие колеса могут контактировать с рельсами конической частью поверхности катания, средней частью выкружки или рабочей поверхностью гребня, а пятна контакта располагаются ближе к боковой поверхности головок рельсов, в то время как верхние части этих головок практически не работают. Такие колеса до сих пор используют в СНГ в локомотивных тележках, где нагрузка на каждую ось стабильно велика.
Однако теоретические расчеты показали, что применение колес с такими выкружками гребней в тележках грузовых вагонов, для которых характерна переменная нагрузка на ось, нежелательно из-за ухудшения динамических характеристик этих вагонов.
Поэтому были исследованы условия минимизации сил взаимодействия в зонах контакта колес и рельсов. В итоге было создано железнодорожное колесо-прототип с улучшенным профилем обода (1. RU 26208 U1; 2. Ушкалов В.Ф., Мокрий Т.Ф., Мащенко И.А., Шевцов И.Е.; Создание новых профилей обода железнодорожных колес для снижения их износа при использовании в типовых тележках ЦНИИ-Х3/ Техническая механика, №2, 2002).
Описанный в этих документах профиль - это образующая, состоящая из сопряженных отрезков прямых и дуг окружностей, показанных на чертеже к RU 26208 U1, при этом:
i
а) значения радиусов и положение центров окружностей таких дуг относительно точки 0 на пересечении среднего радиуса круга катания с образующей поверхности катания выбраны с учетом фактической толщины Δ гребня в интервале от 30 мм для ремонтных колес до 34 мм для новых колес, следующим образом:
min
при толщине гребня Δ=30 мм:
- координаты центров окружностей и радиусы указанных дуг равны:
1
1
1
x=-56,77 мм и y=-14,7 мм для R=13,5 мм,
2
2
2
x=-25,6 мм и y=-20,4 мм для R=17,7 мм,
3
3
3
x=-23,5 мм и y=-20,71 мм для R=19,5 мм;
1
2
- дуга радиуса R, служащая образующей выпуклой рабочей поверхности гребня, отрезком прямой с углом наклона 70° к горизонтали сопряжена с дугой радиуса R, служащей частью образующей выкружки;
2
3
- дуга радиуса R сопряжена с дугой радиуса R, которая служит продолжением образующей выкружки;
3
- дуга радиуса R сопряжена с поверхностью катания отрезком прямой с уклоном 1:20 (-25 мм≤х<0 мм), переходящим в отрезок прямой с уклоном 1:40 (0 мм≤х<40 мм) и далее в отрезок прямой с уклоном 1:7 (40 мм≤х≤54 мм);
max
при толщине гребня Δ=34 мм:
- координаты центров окружностей и радиусы указанных дуг равны:
4
4
4
x=-52,77 мм и y=-14,5 мм для R=13,5 мм,
5
5
5
x=-21,6 мм и y=-20,2 мм для R=17,7 мм,
6
6
6
x=-13,1 мм и y=-38,7 мм для R=38 мм;
4
5
- дуга радиуса R, служащая образующей выпуклой рабочей поверхности гребня, отрезком прямой с углом наклона 70° к горизонтали сопряжена с дугой радиуса R, служащей частью образующей выкружки;
5
6
- дуга радиуса R сопряжена с дугой радиуса R, которая служит продолжением образующей выкружки;
6
- дуга радиуса R сопряжена с поверхностью катания отрезком прямой с уклоном 1:20 (-14,6 мм≤x<40 мм), переходящим в отрезок прямой с уклоном 1:7 (40 мм≤x≤54 мм);
б) координаты х, y (в мм) граничных точек образующей профиля равны:
слева [-54,5; -28], справа [54; 3] и [54; 4].
i
При фактической толщине гребня в интервале 30 мм≤Δ≤34 мм необходимые значения координат и профилей находят в промежутках между указанными предельными значениями.
Во время движения экипажей такие колеса контактируют с рельсами конической частью поверхности катания, средней частью выкружки или рабочей поверхностью гребня, что в сравнении со стандартными колесами приводит к более равномерному распределению износа по всей контактной поверхности обода и существенному уменьшению износа гребней колес.
Согласно экспериментальным данным, средний пробег колес с указанным профилем с толщиной гребня 33 мм в тележках грузовых вагонов на железных дорогах Украины со сложными условиями эксплуатации без переточки по износу гребней составляет примерно 300 тысяч км против 100-130 тысяч км для стандартных колес.
Однако дальнейшие теоретические исследования и испытания грузовых вагонов, оснащенных колесами с описанным профилем, и обследование профилей изношенных колес при деповских ремонтах вагонов показали, что возможности усовершенствования профиля обода не исчерпаны. Действительно, даже описанный выше усовершенствованный профиль обода недостаточно снижает вероятность контакта гребней колес с боковыми гранями головок рельсов на кривых участках пути и, соответственно, их износ.
Сущность полезной модели
В основу полезной модели положена задача изменением формы образующей профиля обода создать такое колесо железнодорожного вагона, при эксплуатации которого существенно уменьшается вероятность контакта гребня с боковыми гранями головок рельсов на кривых участках пути и снижается интенсивность их износа (и, тем самым, повышается безопасность движения вагонов).
1
2
3
4
i
Эта задача решена тем, что колесо железнодорожного вагона, согласно изобретательскому замыслу, имеет профиль обода, который включает гладко сопряженную с поверхностью гребня поверхность катания и очерчен дугами радиусов R, R R, R и сопряженными отрезками прямых с разным уклоном, при этом положение центров окружностей этих дуг относительно точки 0, расположенной на пересечении круга катания с образующей поверхности катания, и координаты точек сопряжения отрезков прямых профиля выбраны в зависимости от фактической толщины Δ гребня, которая находится в интервале от 29 до 33 мм, следующим образом:
min
при толщине гребня Δ=29 мм, что характерно для ремонтных колес:
- координаты центров и радиусы указанных дуг равны:
1
1
1
x=-52,1 мм и y=-13,3 мм для R=18,0 мм,
2
2
2
x=-57,7 мм и y=-14,5 мм для R=13,5 мм,
3
3
3
x=-26,6 мм и y=-20,4 мм для R=17,7 мм;
4
4
4
x=-18,1 мм и y=-38,9 мм для R=38 мм;
1
2
- дуга радиуса R и сопряженная с нею дуга радиуса R являются составляющими образующей головки гребня;
2
3
- дуга радиуса R отрезком прямой с углом наклона 70° к горизонтали сопряжена с дугой радиуса R, которая является первой частью образующей выкружки;
3
4
- дуга радиуса R сопряжена с дугой радиуса R, которая является второй частью образующей выкружки;
4
- дуга радиуса R сопряжена с отрезком прямой с уклоном 1:20 (-20 мм<х<40 мм), переходящим в отрезок прямой с уклоном 1:7 (40 мм<х<54 мм) и дальше в отрезок прямой с уклоном 1:1 (54 мм<х<60 мм);
max
при толщине гребня Δ=33 мм, что характерно для новых колес:
- координаты центров и радиусы указанных дуг равны:
1
1
1
x=-39,0 мм и y=-5,0 мм для R=31,0 мм,
2
2
2
x=-53,7 мм и y=-14,5 мм для R=13,5 мм,
3
3
3
x=-22,5 мм и y=-20,2 мм для R=17,7 мм;
4
4
4
x=-14,0 мм и y=-38,7 мм для R=38 мм;
1
2
- дуга радиуса R и сопряженная с нею дуга радиуса R являются составляющими образующей головки гребня;
2
3
- дуга радиуса R отрезком прямой с углом наклона 70° к горизонтали сопряжена с дугой радиуса R, которая является первой частью образующей выкружки;
3
4
- дуга радиуса R сопряжена с дугой радиуса R, которая является второй частью образующей выкружки;
4
- дуга радиуса R сопряжена с отрезком прямой с уклоном 1:20 (-17 мм<х<40 мм), переходящим в отрезок прямой с уклоном 1:7 (40 мм<х<54 мм) и дальше в отрезок прямой с уклоном 1:1 (54 мм<х<60 мм);
i
Дополнительное снижение износа пары «колесо-рельс» достигается увеличением зазора между колесом и рельсом, в частности вследствие уменьшения расстояния Δ от внутренней грани обода до рабочей поверхности гребня на базовой высоте измерения его толщины (10 мм от круга катания колеса). При этом необходимую прочность гребня можно легко обеспечивать коррекцией его толщины (в частности путем изменения профиля в нерабочей части).
Краткое описание чертежей
Далее сущность полезной модели поясняется ее детальным описанием со ссылками на чертежи, где изображены на:
i
фиг.1 - форма профиля обода колеса в зависимости от граничных значений толщины Δ гребня и обозначения местоположений отдельных частей профиля;
фиг.2 - диаграмма, на которой для сравнения показан средний износ гребней восьми колес при разном пробеге полувагонов, которые находятся в общей эксплуатации и оборудованы модернизованными тележками и колесами, а именно:
со стандартным профилем (треугольные маркеры),
с профилем согласно прототипу (прямоугольные маркеры) и
max
предложенным профилем при Δ=33 мм (круглые маркеры). Детальное описание полезной модели
Колесо железнодорожного вагона имеет обод, профиль которого ограничивает (см. фиг.1):
нерабочую поверхность 1 гребня,
головку 2 гребня, которая сопряжена с нерабочей поверхностью 1 гребня,
рабочую поверхность 3 гребня, которая сопряжена с указанной головкой 2,
выкружку 4, которая сопряжена с рабочей поверхностью 3 гребня, и
поверхность катания, которая сопряжена с выкружкой 4 и состоит из сопряженных участков 5, 6, 7, образующие которых являются отрезками прямых с разными углами уклона.
1
2
3
4
Профиль обода в целом, который включает гладко сопряженную с поверхностью гребня поверхность катания, состоит из сопряженных отрезков прямых и дуг окружностей, имеющих радиусы R, R, R, R.
i
Положение центров окружностей этих дуг относительно точки 0, расположенной на пересечении круга катания с образующей поверхности катания, и координаты точек сопряжения отрезков прямых профиля выбраны в зависимости от фактической толщины Δ гребня, которая находится в интервале от 29 до 33 мм, следующим образом:
min
а) при толщине гребня Δ=29 мм, что характерно для ремонтных колес:
- координаты центров и радиусы указанных дуг равны:
1
1
1
x=-52,1 мм и y=-13,3 мм для R=18,0 мм,
2
2
2
x=-57,7 мм и y=-14,5 мм для R=13,5 мм,
3
3
3
x=-26,6 мм и y=-20,4 мм для R=17,7 мм;
4
4
4
x=-18,1 мм и y=-38,9 мм для R=38 мм;
1
2
- дуга радиуса R, и сопряженная с ней дуга радиуса R являются составляющими образующей головки 2 гребня;
2
3
- дуга радиуса R отрезком прямой с углом наклона 70° к горизонтали сопряжена с дугой радиуса R, которая является первой частью образующей выкружки 4;
3
4
- дуга радиуса R сопряжена с дугой радиуса R, которая является второй частью образующей выкружки 4;
4
- дуга радиуса R сопряжена с отрезком прямой с уклоном 1:20 (-20 мм<х<40 мм), переходящим в отрезок прямой с уклоном 1:7 (40 мм<х<54 мм) и дальше в отрезок прямой с уклоном 1:1 (54 мм<х<60 мм);
max
б) при толщине гребня Δ=33 мм, что характерно для новых колес:
- координаты центров и радиусы указанных дуг равны:
1
1
1
x=-39,0 мм и y=-5,0 мм для R=31,0 мм,
2
2
2
x=-53,7 мм и y=-14,5 мм для R=13,5 мм,
3
3
3
x=-22,5 мм и y=-20,2 мм для R=17,7 мм;
4
4
4
х=-14,0 мм и y=-38,7 мм для R=38 мм;
1
2
- дуга радиуса R и сопряженная с ней дуга радиуса R являются составляющими образующей головки 2 гребня;
2
3
- дуга радиуса R отрезком прямой с углом наклона 70° к горизонтали сопряжена с дугой радиуса R, которая является первой частью образующей выкружки 4;
3
4
- дуга радиуса R сопряжена с дугой радиуса R, которая является второй частью образующей выкружки 4;
4
- дуга радиуса R сопряжена с отрезком прямой с уклоном 1:20 (-17 мм<х<40 мм), переходящим в отрезок прямой с уклоном 1:7 (40 мм<х<54 мм) и дальше в отрезок прямой с уклоном 1:1 (54 мм<х<60 мм).
i
i
Если значение Δ находится в интервале 29 мм<Δ<33 мм, то необходимые значения координат получают интерполяцией в промежутке между указанными предельными значениями координат, а необходимый профиль обода будет расположен между крайними профилями.
Такой профиль рабочей поверхности формируют обточкой новых или ремонтных колес.
i
Перед этим соответствующими инструментами измеряют фактическую толщину гребня 2. Следует отметить, что при измерении обычным универсальным шаблоном, который создан для стандартного профиля обода колеса и широко применяется на заводах и железных дорогах, толщина гребня 2 таких колес по шкале шаблона будет на (0-1) мм меньше значения Δ в зависимости от положения выбранного профиля в заданном интервале.
1
2
3
4
Далее с учетом фактической толщины гребня 2 определяют конкретные координаты x, y центров дуг с указанными радиусами R, R, R, R и конкретные характеристики отрезков прямых. Затем, настроив станок, обтачивают обод колеса под необходимый профиль.
Особенности эксплуатации железнодорожных колесе новыми профилями таковы.
Во время движения вагона колесо взаимодействует с рельсом в зависимости от плана и профиля пути преимущественно частью 5 поверхности катания, а в кривых малого радиуса или на пути неудовлетворительного состояния может взаимодействовать также выкружкой 4, рабочей поверхностью 3 гребня и участком 6 поверхности катания.
Для испытаний были изготовлены опытные образцы колес с выбранным из предложенного интервала профилем, которому присвоено обозначение ИТМ-73. Данные эксплуатационных испытаний полувагонов, оборудованных колесами с предложенным профилем, в сравнении с использованием профиля-прототипа свидетельствуют об уменьшении интенсивности износа гребней колес в среднем на 25-35% (см. соответственно круглые и квадратные маркеры на фиг.2).
Это позволит продлить срок эксплуатации колес без перетачивания по износу гребней до 375-400 тысяч км.
Следует отметить, что колесные пары со стандартным профилем ободьев (треугольные маркеры) после пробега полувагонов приблизительно 100-130 тысяч км были изъяты из обращения по тонкому гребню и отправлены на переточку.
Промышленная применимость
Предложенные профили могут быть использованы при изготовлении новых цельнокатанных колес для тележек грузовых вагонов со скользунами постоянного контакта.
Колеса с предложенным износоустойчивым профилем обода могут быть использованы при комплексной модернизации трехэлементной тележки модели 18-100, а также в других тележках грузовых вагонов с упруго-диссипативными скользунами постоянного контакта, в том числе в тележках вагонов нового поколения. При этом наряду с уменьшением износа колес достигается выполнение нормативных требований к динамическим характеристикам грузовых вагонов в большем диапазоне скоростей движения, уменьшение влияния износа колес на снижение критической скорости, снижение уровня ударных нагрузок при взаимодействии экипажей и пути.
Конкретные профили, выбранные в указанных выше пределах, обеспечивают гладкое сопряжение поверхности катания с рабочей поверхностью гребня как в новых, так и в ремонтных колесах, что облегчает вписывание вагонов в кривые малого (<350 м) радиуса без ухудшения их динамических качеств и позволяет сэкономить металл при перетачивании изношенных колес. Снижение вероятности силового контакта гребней колес с боковыми гранями головок рельсов предотвращает интенсивный износ гребней колес.