ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЕ КОЛЕСО

Полезная модель относится к железнодорожному транспорту и, в частности, к конструкции стального железнодорожного колеса с криволинейным диском, полученного механической обработкой, ковкой, штамповкой или литьем.
Известно железнодорожное колесо, содержащее ступицу с осевым отверстием, обод, концентричный с осевым отверстием ступицы, и криволинейный диск, расположенный радиально от ступицы к ободу и выполненный с постоянной толщиной, диск сопряжён внутренней и наружной поверхностями со ступицей и с ободом галтелями, которые образованы с постепенно изменяющимся радиусом кривизны и в предпочтительной форме реализации являются параболическими кривыми (см. US 3038755, опубл. 12.06.1962).
Известно также железнодорожное колесо, содержащее ступицу с осевым отверстием, обод, концентричный с осевым отверстием ступицы, и криволинейный диск, расположенный радиально от ступицы к ободу и выполненный, в основном, с одинаковой толщиной, составляющей между ступицей и ободом от 1,59 от 2,86 см, диск сопряжён внутренней и наружной поверхностями со ступицей и с ободом галтелями, которые образованы радиусными кривыми разной величины (см. US 5333926 А, опубл. 02.08.1994; RU 2116204 С1, опубл. 27.07.1998). Данное техническое решение принято за наиболее близкий аналог.
Техническая проблема, которая не решается при использовании известных железнодорожных колёс, заключается в возникновении и накоплении остаточных напряжений и деформаций, которые могут приводить к усталостным трещинам, в зонах перехода диска в ступицу с одной стороны и в обод с другой стороны по причине наличия в этих зонах изменений радиуса кривизны. В конструкциях железнодорожных колёс по патентам-аналогам указанные изменения радиусов кривизны минимизированы за счёт криволинейной формы поперечного сечения диска и выполнения плавных переходных зон, в частности, в виде параболической кривой. Вместе с тем, при изготовлении диска в основном одинаковой толщины не удаётся избежать точек перехода прямых участков диска в криволинейные участки галтелей, где вследствие воздействия механических и термических нагрузок возникают повышенные остаточные напряжения.
Техническим результатом, достигаемым при использовании полезной модели, является повышение прочности железнодорожного колеса, увеличение изгибной жёсткости колеса в части диска при сохранении упругости колеса.
Для достижения технического результата в железнодорожном колесе, состоящем из ступицы с осевым отверстием, обода, расположенного концентрично осевому отверстию ступицы, и криволинейного диска, расположенного радиально от ступицы к ободу и сопряжённого внутренней и наружной поверхностями со ступицей и с ободом галтелями, предлагается выполнять диск с увеличением толщины от наименьшего значения толщины Sср на среднем участке диска до наибольших значений толщины Sст и Sоб в местах сопряжения диска со ступицей и ободом, расположенных в наиболее напряжённых зонах на расстояниях Rст и Rоб относительно оси колеса, при этом средний участок диска выполнен с постоянной толщиной Sср и с расположением его внутренней и наружной границ на расстояниях Rср.в и Rср.н относительно оси колеса.
В конкретных формах реализации железнодорожное колесо имеет диаметр D круга катания колеса, равный 957±7 мм.
В конкретных формах реализации железнодорожного колеса средний участок диска выполнен толщиной Sср в пределах от 18 мм до 26 мм.
В конкретных формах реализации железнодорожного колеса внутренняя граница среднего участка диска расположена на расстоянии Rср.в. от оси колеса, составляющем 270 мм, наружная граница – на расстоянии Rср.н. от оси колеса, составляющем 316 мм.
В конкретных формах реализации железнодорожного колеса в месте сопряжения диска со ступицей, расположенном на расстоянии Rст, составляющем 190 мм, диск выполнен с наибольшим значением толщины Sст, составляющем от 26 мм до 46 мм.
В конкретных формах реализации железнодорожного колеса в месте сопряжения диска с ободом, расположенном на расстоянии Rоб, составляющем 360 мм, диск выполнен с наибольшим значением толщины Sоб, составляющем от 26 мм до 46 мм.
Полезная модель поясняется графическими материалами, где представлено:
на фиг. 1 – железнодорожное колесо с предлагаемой конструкцией криволинейного диска переменной толщины, радиальное сечение, проходящее через ось вращения колеса;
на фиг. 2 – схема закрепления железнодорожного колеса и приложения нагрузки при определении предела усталости и выносливости диска, граничные условия, общий вид железнодорожного колеса;
на фиг. 3 – то же самое, вид железнодорожного колеса сбоку;
на фиг. 4 - диаграмма распределения напряжений в железнодорожном колесе на фиг. 1 переменной толщины от 22 до 45 мм при граничных условиях на фиг. 2, радиальное сечение, проходящее через ось вращения колеса;
на фиг. 5 – то же самое, вид колеса справа;
на фиг. 6 – то же самое, вид колеса слева;
на фиг. 7 – диаграмма распределения напряжений в железнодорожном колесе с конструкцией диска постоянной толщины 22 мм при граничных условиях на фиг.2, поперечное сечение колеса;
на фиг. 8 – то же самое, вид колеса справа;
на фиг. 9 – то же самое, вид колеса слева;
на фиг. 10 – диаграмма распределения напряжений в деформированном состоянии железнодорожного колеса на фиг. 1 переменной толщины от 22 до 45 мм при граничных условиях на фиг.2, радиальное сечение, проходящее через ось вращения колеса;
на фиг. 11 – диаграмма распределения напряжений в деформированном состоянии железнодорожного колеса с конструкцией диска постоянной толщины 22 мм при граничных условиях на фиг.2, радиальное сечение, проходящее через ось вращения колеса.
Железнодорожное колесо (фиг. 1) имеет номинальный диаметр D круга катания колеса, равный 957 мм, и состоит из ступицы 1 с осевым отверстием 1.1 и осью О-О, обода 2, расположенного концентрично осевому отверстию 1.1 ступицы 1, и диска 3 криволинейного радиального поперечного сечения переменной толщины S, расположенного радиально от ступицы 1 к ободу 2. Диск 3 плавно сопряжён со ступицей 1 и ободом 2 внутренней 3.1 и наружной 3.2 поверхностями посредством внутренних галтелей 4, 5 и наружных галтелей 6, 7, описанных каждая по отдельности радиусами разной величины.
Диск 3 выполнен толщиной Sср на своём среднем участке, толщиной Sст в наиболее напряжённой зоне в месте сопряжения диска 3 со ступицей 1 и толщиной Sоб в наиболее напряжённой зоне в месте сопряжения диска 3 с ободом 2. При этом значение толщины Sср составляет от 18 мм до 26 мм. Сечение диска толщиной менее нижнего граничного значения указанного диапазона не обеспечивает необходимой прочности конструкции и изгибной жесткости диска; превышение верхнего граничного значения не рационально ввиду излишней изгибной жёсткости и дополнительной неподрессоренной массы колеса в составе колесной пары. Значение толщины Sст и толщины Sоб составляет от 26 мм до 46 мм. Указанный диапазон значений толщин является оптимальным для ликвидации остаточных напряжений в зонах перехода обод-диск и ступица-диск, а также снижения максимальных напряжений на наиболее напряженных участках.
Средний участок диска 3 ограничен внутренней и наружной границами, расположенными, соответственно, на расстояниях Rср.в и Rср.н относительно оси О-О колеса, при этом значение расстояния Rср.в составляет 270 мм, значение расстояния Rср.н составляет 316 мм. Указанные граничные значения диапазона расстояний обусловлены обеспечением необходимой изгибной жёсткости диска колеса. Наиболее напряжённая зона железнодорожного колеса со стороны ступицы 1 находится в месте сопряжения диска 3 со ступицей 1 на расстоянии Rст, составляющем 190 мм. Наиболее напряжённая зона железнодорожного колеса со стороны обода 2 находится в месте сопряжения диска 3 с ободом 2 на расстоянии Rоб, составляющем 360 мм.
Для исследования предела усталости и выносливости диска железнодорожное колесо закрепляют (фиг. 2 и 3) и осуществляют приложение нагрузки в соответствии с типовой методикой испытаний ТМ 37-16-10 «Колеса цельнокатаные. Определение предела усталости выносливости диска».
Сравнение распределения напряжений в железнодорожном колесе предлагаемой конструкции с переменной толщиной диска на диаграммах (фиг. 4, 5, 6) и в железнодорожном колесе с постоянной толщиной диска (фиг. 7, 8, 9) показывает, что при увеличении толщины диска 3 в зонах перехода диска в ступицу и диска в обод снижается концентрация напряжений в указанных зонах. Напряжения в железнодорожном колесе предлагаемой конструкции более равномерно распределяются радиально по поверхности диска, в следствии чего снижается остаточная деформация диска.
Кроме того, в сравнении с железнодорожным колесом с постоянной толщиной диска в деформированном состоянии (фиг. 11) в железнодорожном колесе предлагаемой конструкции увеличилась изгибная жёсткость колеса как в радиальном, так и в осевом направлении, выражаемая в уменьшении возможности диска и колеса в целом испытывать деформацию изгиба (фиг. 10).
За счёт того, что диск предлагаемого железнодорожного колеса выполнен с криволинейным радиальным сечением, проходящим через ось вращения колеса, и с увеличенной толщиной в зонах соединения диска со ступицей и ободом, достигается повышение прочности железнодорожного колеса, увеличение его изгибной жёсткости в радиальном и осевом направлениях при сохранении достаточной упругости железнодорожного колеса.