ПРОФИЛЬ ОБОДА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО КОЛЕСА

ПРОФИЛЬ ОБОДА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО КОЛЕСА
Полезная модель относится к конструкции колёс подвижного состава железнодорожного транспорта, а более конкретно - к формам профиля ободьев таких колёс.
Здесь и далее термином обод обозначена такая часть колеса, которая ограничена поверхностью катания, гладко сопряжённой с нею рабочей поверхностью гребня (или, что то же самое, реборды), поверхностью вершины и нерабочей поверхностью гребня.
Общеизвестно, что вагонные колёса являются изделиями массового производства и что от совершенства формы контактных, то есть взаимодействующих с рельсами, поверхностей их обода существенно зависит износ как самих колёс, так и головок рельсов.
Поэтому формы профиля таких поверхностей должны одновременно обеспечивать:
как можно меньшее время контакта гребня колеса с рельсом, особенно при движении по криволинейным участкам пути с малыми ( 350 м) радиусами кривизны, и, соответственно, как можно меньший износ гребней колёс и головок рельсов, и
возможность профилирования колёс общедоступными средствами.
Выполнение последнего из этих условий не представляет существенных затруднений, ибо для обработки любых участков колёс независимо от заданного профиля ныне могут быть использованы многие хорошо известные специалистам токарные и, при необходимости, шлифовальные станки с управлением от жёстких копиров и, особенно, с подходящим числовым профаммным управлением.
Однако выполнение первого условия сопряжено с серьёзными затруднениями.
Действительно, специалистам известно (А. Могеаи. Контаю между колесом и рельсом/Revue Generate des Chemins de Per, 1991, №8, pp. 43-51), что при движении подвижного состава по пути стандартные колёса взаимодействуют с рельсами следующим образом:
на прямых участках они контактируют преимущественно по поверхностям катания колеса и рельса с минимальным износом гребней и боковых фаней головок рельсов, а
при прохождении кривых каждое набегающее на рельс колесо контактирует не только поверхностью катания (по поверхности катания рельса), но и одновременно взаимодействует своим гребнем с боковой гранью головки рельса.
Понятно, что уменьшить износ можно изменением формы профиля либо одного, либо обоих тел указанной контактной пары.
-И ЛПК В 60 В 21/02
не столько из-за необходимости переоснащения рельсопрокатных станов, сколько из-за гигантских расходов на изготовление новых рельсов и перешивку десятков тысяч километров магистральных и станционных путей.
Следовательно, аюуальную для стран СНГ проблему снижения износа колёс и головок рельсов нужно решать путём теоретической и экспериментальной оптимизации профиля обода колеса.
С учётом формы рельсов типа Р65 и данных о среднесетевом износе уже были предложены усовершенствованные профили колёс:
для локомотивов (Голутвина Т.К. О профиле бандажей колесных пар тягового подвижного состава / Вестник ВНИИЖТ, 1978, №3, с.31-35) и
для вагонов (Голутвина Т.К. Новый профиль вагонного колеса / Железнодорожный транспорт, 1979, №3, С. 47-49.).
Однако колёса с такими профилями не получили широкого распространения.
Более эффективными оказались железнодорожные колёса, для которых образующие профилей ободьев заданы последовательно усложняющимися нелинейными уравнениями (SU 1240637 А1; SU 1695601 А1 и SU 1794694 А1). Во время движения экипажей такие колёса 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 колёса до сих пор используют в СНГ в локомотивных тележках, где нагрузка на каждую ось стабильно велика.
Однако теоретические расчеты показали, что применение колёс с такими выкружками в тележках грузовых вагонов, для которых характерна переменная нагрузка на ось, нежелательно из-за ухудшения динамических характеристик этих вагонов.
Весьма эффективными оказались разработанные в США и Западной Европе новые профили бандажа для колёс железнодорожных вагонов (Leary John F. America adopts worn wheel profiles/Railway Glaz. lut, 1990, V.146, №7, pp. 525-527; Tomas Jendel, Prediction of wheel and rail wear - a pilot study. Division of Railway Technology, Department of Vehicle Engineering, Royal Institute of Technology (KTH), Stockholm, 1999, 54 p.).
уменьшить влияние износа таких колёс на критическую скорость вагонов.
Однако американский и западноевропейский профили были разработаны с учётом существенно отличающихся от принятых в СНГ рельсов и подвижного состава.
Поэтому наиболее близким к предлагаемому остаётся профиль обода стандартного железнодорожного колеса (см. ГОСТ 9036-88. Колеса цельнокатаные. Конструкции и размеры, черт. 2).
Гребень такого колеса высотой 28 мм имеет вершину, которая ограничена дугами окружности радиусом 45 мм с внутренней и радиусом 12,5 мм с внешней стороны. Последняя дуга гладко сопряжена с прямым наклонным под углом 60° относительно горизонтали
отрезком образующей рабочей поверхности гребня, который гладко сопряжён с образующей поверхности катания. Эта образующая состоит из трёх частей: дуги окружности радиусом 15 мм (выкружки), первого отрезка прямой с уклоном 1:20, который сопряжён с указанной дугой, и второго отрезка прямой с уклоном 1:7, который служит продолжением первого отрезка на расстоянии 100 мм от внутренней стенки гребня.
Колёсами с таким профилем обода оборудованы многие тележки существующего в СНГ парка грузовых и пассажирских вагонов. Выкружка такого обода практически не участвует в контактном взаимодействии колеса и головки рельса. Зато с боковой гранью головки рельса постоянно контактирует (и интенсивно изнашивается) рабочая поверхность гребня колеса. Трение между ними особенно велико при прохождении кривых участков пути малого ( 350м) радиуса. Это приводит к значительному и, обычно, неравномерному износу контактных поверхностей колес и головок рельсов, к подрезу и остроконечному накату гребней и к повышенному динамическому воздействию колёс на путь.
Соответственно, по мере износа колёс со стандартными профилями снижается критическая скорость движения экипажей. В некоторых случаях (в первую очередь, для порожних грузовых вагонов на тележках ЦНИИ-ХЗ) она становится ниже допускаемой эксплуатационной скорости 70 км/ч. При скоростях выше критической резко ухудшаются динамические качества вагонов. Это понижает безопасность их движения, негативно влияет на износ отдельных, в частности пятниковых, узлов тележек и на качество перевозки грузов, чувствительных к вибрациям, и вынуждает снижать среднюю скорость движения поездов.
3лса11 &
перемещение пятна контакта с конической части поверхности катания на фебень даже на фивых участках пути с малыми ( 350 м) радиусами кривизны и тем самым существенно снижал вероятность контакта гребней колёс с боковыми гранями головок рельсов, обеспечивая снижение интенсивности и повышение равномерности их износа.
Поставленная задача решена тем, что профиль обода железнодорожного колеса, который включает гладко сопряженную с рабочей поверхностью гребня поверхность катания, согласно изобретательскому замыслу, имеет образующую, состоящую из сопряжённых отрезков прямых и дуг окружностей радиусов 13,5 мм, ,7 мм,  мм, при этом:
а) положение центров этих дуг относительно точки и, расположенной на пересечении среднего радиуса круга катания с образующей поверхности катания, и порядок сопряжения частей образующей профиля выбраны в зависимости от фактической толщины А гребня, которая находится в интервале от 30 до 34 мм, следующим образом:
при фактической толщине гребня  мм, что характерно для ремонтного колеса:
-координаты центров указанных дуг равны: f -56,77 мм и у1 -14,7 мм для f,
2 -25,6 мм и /2 -20,4 мм для 2, jf3 -17,1 мм и уз -38,9 мм для з;
-дуга радиуса RI сопрягается с дугой радиуса 2, которая служит образующей выпуклой рабочей поверхности гребня;
-дуга радиуса 2 отрезком прямой с углом наклона 70° к горизонтали сопрягается с -дугой радиуса Яз, которая служит образующей выкружки;
-дуга радиуса з сопрягается с отрезком прямой с уклоном 1:20 (-18,6 мм « 0 мм) и переходит далее в отрезок прямой с укпоном 1:40 (О мм  х 40 мм), который переходит в отрезок прямой с уклоном 1:7 (40 мм  г  54 мм);
при фактической толщине гребня  мм, что характерно для нового колеса:
-координаты центров указанных дуг равны: %1 -52,77 мм и У1 -14,5 мм для Ri,
%2 -21,6 мм и у2 -20,2 мм для R2, %з -13,1 мм и /3 -38,7 мм для Rj,
l lдугой радиуса RS, которая служит образующей выкружки;
- дуга радиуса Ry сопрягается с отрезком прямой с уклоном 1:20 (-13,1  мм), который переходит в отрезок прямой с уклоном 1:7 (40 мм % 54 мм);
б)координаты X, у (в мм) граничных точек предельных образующих профиля равны: слева -54,5; -28, справа 54, 4 и 54,
в)при фактической толщине гребня 30 мм  Aj 34 мм требуемые значения координат и требуемые профили обода находятся в промежутке между указанными предельными значениями и крайними профилями.
Любой конкретный профиль, выбранный в указанных выше пределах, обеспечивает возможность более гладкого сопряжения поверхности катания с рабочей поверхностью гребня как у новых, так и у ремонтных колёс. Поэтому при взаимодействии между ободьями железнодорожных колёс с такими профилями и рельсами существенно снижается вероятность силового контакта гребней колёс с боковыми гранями головок рельсов даже на кривых участках пути с малыми ( 350 м) радиусами кривизны, что предохраняют гребни (и колёса в целом) от интенсивного износа.
Далее сущность полезной модели поясняется подробным описанием формы профиля обода и особенностей изготовления и работы колёс с такими ободьями со ссылками на прилагаемые чертежи, где изображены на:
фиг.1 - общий вид колесной пары с указанием местоположения отдельных частей профиля обода колеса и
фиг.2 - интервал изменения образующей формы профиля в зависимости от толщины гребня и подуклонки рельсов, на которых предполагается использование колес.
Обод железнодорожного колеса (см. фиг.1) ограничен:
внутренней стенкой 1 гребня,
нерабочей поверхностью 2 гребня,
вершиной 3 гребня, которая сопряжена с указанной нерабочей поверхностью 2,
рабочей поверхностью 4 гребня, которая сопряжена с указанной вершиной 3,
выкружкой 5, которая сопряжена с указанной рабочей поверхностью 4, и
кусочно-линейной поверхностью катания, которая сопряжена с указанной выкружкой 5 и состоит из линейных отрезков 6, 7, 8, которые отличаются углом наклона образующей.
Положение центров этих дуг относительно точки О, расположенной на пересечении среднего радиуса круга катания с образующей поверхности катания, и порядок сопряжения частей образующей профиля выбраны в зависимости от фактической толщины А гребня, которая находится в интервале от 30 до 34 мм, следующим образом:
а)лри фактической толщине гребня  мм, что характерно для ремонтного колеса.
во-первых, координаты центров указанных дуг равны:
Xf -56,77 мм и yf -14,7 мм для Ri,
2 -25,6 мм и у2 -20,4 мм для Rg,
Хз -17,1 мм и УЗ -38,9 мм для Яз;
во-вторых, дуга радиуса RI сопрягается с дугой радиуса , которая служит образующей выпуклой рабочей поверхности гребня;
в-третьих, дуга радиуса 2 отрезком прямой с углом наклона 70° к горизонтали сопрягается с дугой радиуса , которая служит образующей выфужки;
в-четвёртых, дуга радиуса РЗ сопрягается с отрезком прямой с уклоном 1:20 (-18,6 мм  X 0 мм), который переходит в отрезок прямой с уклоном 1:40 (О мм  х 40 мм) и далее - в отрезок прямой с уклоном 1:7 (40  мм);
б)при фактической толщине гребня  мм, что характерно для нового колеса:
во-первых, координаты центров указанных дуг равны:
Х| -52,77 мм и yf -14,5 мм для RI,
Х2 -21,6 мм и у2 -20,2 мм для 2,
хз -13,1 мм и уз -38,7 мм для Яз;
во-вторых, дуга радиуса RI сопрягается с дугой радиуса Rz, которая служит образующей выпуклой рабочей поверхности гребня;
в-третьих, дуга радиуса R2 отрезком прямой с углом наклона 70° к горизонтали сопрягается с дугой радиуса Ra, которая служит образующей выкружки;
в-четвёртых, дуга радиуса RS сопрягается с отрезком прямой с укпоном 1:20 (-13,1  мм) и которая переходит в отрезок прямой с укпоном 1:7 (40 мм х 54 мм);
в)координаты х, у (в мм) граничных точек предельных образующих профиля равны: слева -54,5; -28, справа 54, 4 и 54, 3.
промежутке между указанными предельными значениями и крайними профилями.
Совокупный профиль рабочей поверхности формируют программной обточкой новых колёс или бандажей ремонтных колёс.
До начала такой обточки с применением подходящих инструментов измеряют фактическую толщину гребня. Следует отметить, что вместо таких инструментов может быть использован и привычный универсальный шаблон, созданный для стандартного профиля обода колеса и широко применяемый на заводах. Однако при использовании таких шаблонов к результатам измерения следует приплюсовывать 1 мм.
Далее с учётом конкретной толщины гребня определяют конкретные координаты , у центров дуг с указанными радиусами RI,  и RS и конкретные характеристики отрезков прямых. И, наконец, настроив соответствующим образом станок, обтачивают и/или шлифуют обод колеса под требуемый профиль.
Особенности эксплуатации железнодорожных колёс с описанными профилями состоят в следующем.
Во время движения вагона колесо взаимодействует с рельсом в зависимости от плана и профиля пути преимущественно участками 6, 7 поверхности катания, а в кривых малого радиуса или на пути неудовлетворительного состояния может взаимодействовать также выкружкой 5, рабочей поверхностью гребня 4 и участком 8 поверхности катания.
При взаимном горизонтальном смещении колеса и рельса перемещение пятна контакта по профилю обода с конической части поверхности катания на рабочую поверхность гребня происходит через выкружку 5, тогда как в прототипе такой переход происходит скачкообразно, минуя выкружку 5.
Плавное изменение разности текущих радиусов колес одной и той же колесной пары создает более благоприятные условия для вписывания вагонов в криволинейные участки пути. Это позволяет снизить износ гребней колес при движении по пути, имеющем прямолинейные и криволинейные участки, в том числе малого ( 350 м) радиуса, а износ по поверхности катания сделать более равномерным. Особенно заметно этот эффект проявляется при использовании колёс с предлагаемыми профилями на рельсах с подукпонкой от 1/40 до 1/20.
Дополнительно следует отметить, что увеличение угла наклона образующей рабочей поверхности гребня колеса позволяет уменьшить вероятность схода колёс с рельсов и тем самым повысить безопасность движения.
Колёса с предлагаемыми профилями обода могут быть использованы в отечественном подвижном составе, в том числе с ходовыми частями типа трехэлементной тележки ЦНИИ-ХЗ. При этом наряду с уменьшением износа колёс достигается выполнение нормативных требований к динамическим качествам вагонов, уменьшение влияния износа колес на снижение критической скорости и понижение уровня ударных составляющих при взаимодействии экипажа и пути.
Результаты испытаний в маршрутных грузовых поездах на железных дорогах Украины со сложными условиями эксплуатации свидетельствуют о том, что лосле пробега 70 тыс. км износ гребней колёс, имеющих профиль обода в предложенном интервале, оказался примерно в 1,5 раза ниже износа гребней стандартных колёс.
Предложенные профили могут быть использованы при изготовлении новых цельнокатаных и сборных колёс и при ремонте, в частности при переточке, обандаженных колёсных пар для тележек преимущественно грузовых вагонов, платформ и цистерн.
Ши ПРОФИЛЬ