ЦЕЛЬНОКАТАНОЕ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЕ КОЛЕСО
ALL-ROLLED RAILROAD WHEEL

Изобретение относится к области производства дисковых колес железнодорожных транспортных средств с диском, выполненным как одно целое с ободом, и имеющих рельсозацепляющие элементы.
В последнее время происходит существенное изменение условий эксплуатации подвижного состава железнодорожного транспорта, обусловленное ростом скоростей движения и увеличением нагрузок до 30 тонн на ось.
В процессе эксплуатации цельнокатаное железнодорожное колесо подвергается воздействию широкого спектра как внешних нагрузок со стороны пути и элементов подвижного состава, так и воздействия температурных напряжений, возникающих в колесе процесса торможения. Возникающие вследствие этого фактические суммарные напряжения во многом определяют стойкость колес к повреждениям и, в конечном счете, его срок 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 эксплуатации.
Опыт эксплуатации цельнокатаных железнодорожных колес показывает, что большинство случаев выхода колес из строя по причине разрушения диска связано с возникновением значительных усталостных напряжений.
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.
1
2
1
4
2
5
3
3
7
Из уровня техники известно цельнокатаное железнодорожное колесо, содержащее обод, ступицу и диск, образованный внешней и внутренней криволинейными поверхностями, выполненный таким образом, что центральная линия радиального сечения обода смещена вдоль оси колеса относительно центральной линии радиального сечения ступицы в сторону внешней криволинейной поверхности, образующая внешней криволинейной поверхности состоит, по крайней мере, из двух сопряженных внешних кривых (R, R) с противоположной по направлению кривизной, при этом первая внешняя кривая (R) сопряжена с ободом первым внешним переходным участком (R), вторая внешняя кривая (R) сопряжена со ступицей вторым внешним переходным участком (R), а образующая внутренней криволинейной поверхности состоит, по крайней мере, из одной внутренней кривой (R), которая сопряжена с ободом первым внутренним переходным участком (R), а со ступицей вторым внутренним переходным участком (R) /SU 885083 (Днепропетровский ордена Трудового Красного Знамени металлургический институт), 30.11.1981/.
1
2
2
3
4
4
4
5
5
6
6
5
7
6
В известном колесе первая внешняя кривая R (в прототипе - R) выполнена радиусом, равным 0,11-0,125 диаметра D круга катания, вторая внешняя кривая R (в прототипе - R) выполнена радиусом, равным 0,2-0,25 диаметра D круга катания, внутренняя кривая R (в прототипе - R) выполнена радиусом, равным 0,222-0,263 диаметра D круга катания, первый внешний переходной участок R (в прототипе - R) выполнен радиусом, равным 0,04-0,042 диаметра D круга катания, второй внешний переходной участок R (в прототипе - R) выполнен радиусом, равным 0,067-0,077 диаметра D круга катания, первый внутренний переходной участок R (в прототипе - R) выполнен радиусом, равным 0,04-0,042 диаметра D круга катания, второй внутренний R (в прототипе - R) переходной участок выполнен радиусом, равным 0,067-0,077 диаметра D круга катания.
Недостатком известного цельнокатаного железнодорожного колеса является большое значение напряжений на внутренней и внешней поверхностях диска колеса в местах его сопряжения с ободом и ступицей. Этот недостаток обусловлен неравномерным распределением по объему колеса суммарных внутренних напряжений, возникающих в результате совместного действия термических напряжений, вызванных трением тормозных колодок об обод колеса в процессе торможения подвижного состава, и напряжением от внешних нагрузок.
В основу настоящего изобретения поставлена задача создания такой конструкции цельнокатаного железнодорожного колеса, использование которой позволило бы снизить величину суммарных внутренних напряжений в колесе за счет оптимального их распределения по объему колеса и, тем самым, увеличить срок его службы.
1
2
1
4
2
5
3
6
7
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
Поставленная задача решается тем, что в цельнокатаном железнодорожном колесе, содержащее обод, ступицу и диск, образованный внешней и внутренней криволинейными поверхностями, выполненный таким образом, что центральная линия радиального сечения обода смещена вдоль оси колеса относительно центральной линии радиального сечения ступицы в сторону внешней криволинейной поверхности, образующая внешней криволинейной поверхности состоит, по крайней мере, из двух сопряженных внешних кривых (R, R) с противоположной по направлению кривизной, при этом первая внешняя кривая (R) сопряжена с ободом первым внешним переходным участком (R), вторая внешняя кривая (R) сопряжена со ступицей вторым внешним переходным участком (R), а образующая внутренней криволинейной поверхности состоит, по крайней мере, из одной внутренней кривой (R), которая сопряжена с ободом первым внутренним переходным участком (R), а со ступицей вторым внутренним переходным участком (R), согласно изобретению первая внешняя кривая (R) выполнена радиусом r, равным 0,145-0,16 диаметра круга катания, вторая внешняя кривая (R) радиусом r, равным 0,245-0,26 диаметра круга катания, внутренняя кривая (R) выполнена радиусом r, равным 0,264-0,285 диаметра круга катания, первый внешний переходной участок (R) выполнен радиусом r, равным 0,065-0,09 диаметра круга катания, второй внешний переходной участок (R) выполнен радиусом r, равным 0,035-0,06 диаметра круга катания, первый внутренний переходной участок (R) выполнен радиусом r, равным 0,05-0,06 диаметра круга катания, второй внутренний переходной участок (R) выполнен радиусом r, равным 0,145-0,165 диаметра круга катания.
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
Выполнение цельнокатаного железнодорожного колеса таким образом, что первая внешняя кривая (R) выполнена радиусом r, равным 0,145-0,16 диаметра круга катания, вторая внешняя кривая (R) радиусом r, равным 0,245-0,26 диаметра круга катания, внутренняя кривая (R) выполнена радиусом r, равным 0,264-0,285 диаметра круга катания, первый внешний переходной участок (R) выполнен радиусом r, равным 0,065-0,09 диаметра круга катания, второй внешний переходной участок (R) выполнен радиусом r, равным 0,035-0,06 диаметра круга катания, первый внутренний переходной участок (R) выполнен радиусом r, равным 0,05-0,06 диаметра круга катания, второй внутренний переходной участок (R) выполнен радиусом r, равным 0,145-0,165 диаметра круга катания, является оптимальным, так как обеспечивает снижение значений суммарных напряжений от совместного влияния термических напряжений и внешних нагрузок в местах сопряжения диска со ступицей и ободом, что приводит, в конечном счете, к равномерному распределению суммарных напряжений в колесе и снижению величины их значений.
1
1
4
4
6
6
Дальнейшее увеличение радиуса r первой внешней кривой (R) свыше 0,16 диаметра круга катания колеса, а также радиуса r первого внешнего переходного участка (R) и радиуса r первого внутреннего переходного участка (R) свыше заявляемого диапазона приводит к увеличению толщины колеса в месте сопряжения диска с ободом, что, в свою очередь, приводит к появлению значительных температурных напряжений в процессе торможения подвижного состава, вызванных трением тормозных колодок об обод колеса.
2
2
3
3
Увеличение радиуса r второй внешней кривой (R) и радиуса r внутренней кривой (R) более заявляемого диапазона приводит к приближению формы диска к прямолинейной форме, что увеличивает жесткости колеса и, в свою очередь, приводит к сокращению срока службы цельнокатаного железнодорожного колеса.
2
2
3
3
1
2
Уменьшение радиуса r второй внешней кривой (R) и радиуса r внутренней кривой (R) более заявляемого диапазона приводит к увеличению значений суммарных внутренних напряжений в точке сопряжения первой внешней кривой (R) и второй внешней кривой (R), что также приводит к сокращению срока службы цельнокатаного железнодорожного колеса. Кроме этого, такое уменьшение ведет к уменьшению смещения обода относительно ступицы, что в свою очередь приводит к увеличению значений температурных напряжений и значений осевых перемещения обода относительно ступицы при нагреве колеса в процессе торможения.
Заявляемая совокупность признаков в целом позволяет снизить величину суммарных внутренних напряжений в колесе за счет их оптимального распределения по объему колеса, что снижает вероятность появления усталостных трещин в наиболее нагруженных зонах цельнокатаного железнодорожного колеса, что, в свою очередь, позволяет повысить эксплуатационную стойкость и надежность конструкции и, тем самым, позволяет увеличить срок службы колеса.
В дальнейшем изобретение поясняется подробным описанием его выполнения со ссылками на чертежи, на которых изображено:
на фиг.1 - поперечный разрез цельнокатаного железнодорожного колеса;
на фиг.2 - поперечный разрез цельнокатаного железнодорожного колеса (схема расположения криволинейных участков колеса);
на фиг.3 - схема определения места расположения центральной линии радиального сечения диска.
1
2
1
2
2
5
3
6
7
Цельнокатаное железнодорожное колесо (фиг.1-3) содержит обод 1 (фиг.1), ступицу 2 и диск 3, образованный внешней криволинейной поверхностью 4 и внутренней криволинейной поверхностью 5. Диск 3 выполнен таким образом, что центральная линия 6 радиального сечения обода 1 смещена вдоль оси 7 колеса относительно центральной линии 8 радиального сечения ступицы 2 в сторону внешней криволинейной поверхности 4 колеса. Образующая внешней криволинейной поверхности 4 состоит, по крайней мере, из двух сопряженных внешних кривых R и R (фиг.2) с противоположной кривизной, при этом первая внешняя кривая R сопряжена с ободом 1 (фиг.1) первым внешним переходным участком R (фиг.2), вторая внешняя кривая R сопряжена со ступицей 2 (фиг.1) вторым внешним переходным участком R (фиг.2), а образующая внутренней криволинейной поверхности 5 (фиг.1) состоит, по крайней мере, из одной внутренней кривой R (фиг.2), сопряженной с ободом 1 (фиг.1) первым внутренним переходным участком R (фиг.2), а со ступицей 2 (фиг.1) вторым внутренним переходным участком R (фиг.2).
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
Первая внешняя кривая R выполнена радиусом r, равным 0,145-0,16 диаметра D круга катания, вторая внешняя кривая R радиусом r, равным 0,245-0,26 диаметра D круга катания, внутренняя кривая R выполнена радиусом r, равным 0,264-0,285 диаметра D круга катания. Первый внешний переходной участок R выполнен радиусом r, равным 0,065-0,09 диаметра D круга катания, второй внешний переходной участок R выполнен радиусом r, равным 0,035-0,06 диаметра D круга катания, первый внутренний переходной участок R выполнен радиусом r, равным 0,05-0,06 диаметра D круга катания, второй внутренний переходной участок R выполнен радиусом r, равным 0,145-0,165 диаметра D круга катания.
Центральная линия 9 радиального сечения диска 3 в месте его сопряжения со ступицей 2 смещена по оси 7 колеса относительно центральной линии 8 радиального сечения ступицы 2 в сторону внутренней криволинейной поверхности 5 на расстояние S1, равное от 10 до 25 мм.
Центральная линия 6 радиального сечения обода 1 смещена по оси 7 колеса относительно центральной линии 8 радиального сечения ступицы 2 в сторону внешней криволинейной поверхности 4 на расстояние S2, равное от 40 до 55 мм.
1
2
3
6
Точка А (фиг.2) сопряжения первой внешней кривой R и второй внешней кривой R удалена от оси колеса 7 на расстояние L1, равное от 0,32 до 0,35 диаметра D круга катания колеса (L1=(0,32-0,35)D), а точка В сопряжения внутренней кривой R и первого внутреннего переходного участка R удалена от оси 7 колеса на расстояние L2, равное от 0,33 до 0, 36 диаметра D круга катания колеса (L2=(0,33-0,36)D).
2
3
5
7
Место расположения центральной линии 9 радиального сечения диска 3 в месте его сопряжения со ступицей 2 определяется как середина отрезка CD (фиг.3). Отрезок CD образован пересечением продолжения второй внешней кривой R и внутренней кривой R с отрезком EF, который образован между точкой Е соединения внешней боковой поверхности ступицы 2 со вторым внешним переходным участком R и точкой F соединения внутренней боковой поверхности ступицы 2 со вторым внутренним переходным участком R.
Проведенные исследования показали, что смещение центральной линии 6 радиального сечения обода 1 колеса по оси 7 колеса относительно центральной линии 8 радиального сечения ступицы 2 в сторону внешней криволинейной поверхности 4 колеса приводит к значительному снижению значений температурных напряжений, возникающих в цельнокатаном железнодорожном колесе в процессе торможения.
В то же время, чрезмерное увеличение указанного смещение приводит к росту значений внутренних напряжений от действия вертикальной и боковой нагрузки в местах сопряжения диска 3 с ободом 1 и диском 2. Поэтому, если значение указанного смещения превышает 90 мм, то увеличение в колесе напряжений от действия вертикальной и боковой нагрузки оказывается большим, чем снижение напряжений от действия температурного напряжения, которое обусловлено выполнением указанного смещения.
1
2
6
Угол (фиг.3) α наклона касательной 11 к первой внешней кривой R и второй внешней кривой R в точке А их сопряжения к оси колеса 7 находится в интервале 40-55 градусов, а угол β наклона касательной 12 в точке В сопряжения внутренней криволинейной поверхности 5 с первым внешним переходным участком R к оси колеса 7 находится в интервале 40-55 градусов.
Внутренняя криволинейная поверхность 5 может состоять, по крайней мере, из одной внешней кривой. В некоторых вариантах исполнения изобретения внутренняя криволинейная поверхность 5 состоит их двух сопряженных внутренних кривых с противоположной кривизной (не показано).
Работа заявляемой конструкции цельнокатаного железнодорожного колеса осуществляется следующим образом.
При качении колеса по рельсу (не обозначен) нагрузка от вертикальной силы, действующей в плоскости круга катания, передается через обод 2 на диск 3 и на ступицу 2. При этом из-за кинематических колебаний и, особенно, при движении подвижного состава по кривым участкам пути возникает нагрузка от бокового давления гребня 10 обода 1 колеса на рельс, которая также передается на диск 3.
Максимальные значения динамических нагрузок, которые воспринимают колесо подвижного состава с нагрузкой на ось до 30 т в процессе эксплуатации, в два раза выше значения максимальной статической нагрузки и, как правило, не превышают 300 кН для вертикальной нагрузки и 147 кН для боковой нагрузки. При этом максимальное значение суммарных внутренних напряжений в колесе от действия приложенных к нему нагрузок не должно превышать предела текучести материала, из которого изготовлено цельнокатаное железнодорожное колесо, который составляет 800 МПа.
В заявляемой конструкции цельнокатаного железнодорожного колеса выделяются две наиболее напряженные зоны: место сопряжения диска 3 с ободом 1 и место сопряжения диска 3 со ступицей 2.
Максимальные напряжения в диске 3 колеса в большинстве случаев нагружения возникают в вертикальном сечении (в том сечении, где приложены нагрузки).
7
Вертикальная нагрузка вызывает возникновение в колесе преимущественно сжимающие напряжения, которые достигают максимального значения в месте сопряжения диска 3 со ступицей 2 во втором внешнем переходном участке R. При этом значения напряжений в указанном месте не превышают 100 МПа, что значительно меньше допускаемого значения.
В то же время, боковая нагрузка, возникающая при прохождении подвижным составом криволинейных участков пути и действующая на гребень 10 колеса в направлении внутренней поверхности 5, в сочетании с сохраняющейся вертикальной нагрузкой, вызывает в диске 3 колеса изгибающий момент, нарастающий от обода 1 к ступице 2 колеса.
7
В результате совместного воздействия вертикальной и боковой нагрузки наиболее напряженным участком колеса является место сопряжения диска 3 со ступицей 2 во втором внешнем переходном участке R, при этом с наружной стороны диска 3 возникают растягивающие напряжения, а с внутренней стороны диска 3 - сжимающие напряжения.
В этом случае значения максимальных напряжений не превышают 120 МПа, что также значительно меньше допускаемого значения.
Кроме этого, в процессе длительного торможения подвижного состава в колесе возникают значительные тепловые напряжения, которые вызваны интенсивным выделением тепла при контакте тормозных колодок (не показаны) с ободом 1 колеса.
6
5
В этом случае, при отсутствии приложенных к колесу внешних нагрузок, наибольшие значения напряжений возникают в местах сопряжения диска 3 с ободом 1 (в первом внутреннем переходном участке R) и со ступицей 2 (во втором внешнем переходном участке R), которые не превышают 550 и 560 кН соответственно, что ниже допускаемых значений.
При приложении к колесу вертикальных нагрузок в большинстве его участков наблюдается взаимная компенсация температурных напряжений и напряжений, вызванных воздействием приложенных внешних сил. Такая компенсация обусловлена тем, что внешние силы вызывают преимущественно сжимающие напряжения, которые компенсируются растягивающими тепловыми напряжениями.
Максимальные напряжения в колесе в случае совместного воздействия на него, с одной стороны, вертикальной и боковой нагрузок, а с другой - тепловых напряжений, возникают с внешней стороны колеса в месте сопряжения диска 3 со ступицей 2, которые близки к значению допускаемых значений. Повышенная концентрация напряжений в этом месте колеса обусловлена тем, что растягивающие тепловые напряжения, достигающие в этом месте своего максимального значения, складываются с растягивающими напряжениями, возникающими в этом же месте от действия приложенной к колесу боковой нагрузки.
5
5
7
7
Выполнение второго внешнего переходного участка R радиусом r, меньшим по значению, чем радиус r второго внутреннего переходного участка R позволяет снизить концентрацию напряжений от действия тепловых напряжений за счет их равномерного распределения на этом участке сопряжения внешней криволинейной поверхности 4 диска 3 со ступицей 2.
Как показывают результаты исследований, напряженное состояние колеса в местах перехода диска 3 в обод 1 и ступицу 2, не превышают критического значения 800 МПа (предела текучести материала колеса).
Таким образом, предлагаемая конструкция колеса обеспечивает как равномерное 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.
Кроме этого, применение заявляемой 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.
Заявляемое цельнокатаное железнодорожное колесо может быть изготовлено в условиях промышленного производства на стандартном оборудовании. Наибольший экономический эффект от использования заявляемого изобретения достигается при его использовании в грузовых вагонах с увеличенной нагрузкой на ось до 30 т.