Профиль поверхности обода колес пассажирских вагонов
SURFACE PROFILE OF WHEEL RIM OF PASSENGER CARS

Изобретение относится к железнодорожному транспорту и может быть использовано при изготовлении и ремонте колес пассажирских вагонов.
Профиль поверхности обода железнодорожного колеса, включающий сопряженные между собой профиль поверхности гребня и поверхности катания, существенно влияет на интенсивность износа в системе «колесо-рельс», а также динамические показатели вагонов. Геометрия профиля определяет интенсивность виляния колесных пар в колее, нагруженность зоны контакта касательными силами, интенсивность вертикальных давлений в пятне контакта.
Из уровня техники известно, что наибольшее распространение на колесах пассажирских вагонов, используемых на колее 1520 мм в РФ и странах СНГ при скоростях до 160 км/ч, получил стандартный профиль двухточечного контакта по ГОСТ 10791-2011 (рис. Б.1), который одновременно используется и для колес грузовых вагонов. Особенностью профиля является наличие линейного участка на поверхности катания, что на начальной стадии эксплуатации колес приводит к интенсивному износу гребня и повышенному сопротивлению движения в период приработки. Скорость износа в месте сопряжения рабочей поверхности гребня и поверхности катания уменьшается по мере изнашивания гребня и стабилизируются только после 70 тыс.км пробега.
Другой важной характеристикой стандартного профиля является угол наклона образующей гребня, равный 60°. В процессе износа угол наклона гребня увеличивается, приближаясь к 90°. Такое колесо бракуется по дефекту «Вертикальный подрез гребня» (код 114). В среднем количество обточек по дефектам связанным с износом гребня на колесах пассажирских вагонов составляет около 20%, а около 40% обточек связано с выщербинами, которые образуются при пробеге 170-200 тыс. км.
Известны профили поверхности обода железнодорожных колес, описанные нелинейными уравнениями (SU 1240637, SU 1695601 и SU 1794694), где профиль рабочей поверхности гребня сопрягается с поверхностью катания по экспоненте. Применение этих профилей одноточечного контакта показало преимущество по снижению износа гребня на моторвагонном подвижном составе при движении по крутым кривым. Однако использовать указанные профили для вагонов с конструкционной скоростью свыше 100 км/ч не представляется возможным по условиям безопасности из-за интенсивного виляния тележек.
Известны нелинейные профили, применяемые на скоростных поездах (RU 2441762, RU 2454331). Профили выполнены для железнодорожных колес шириной обода 135 мм, имеющего угол наклона рабочей поверхности гребня 70°, поверхность гребня и поверхность катания которых образованы последовательно сопрягаемыми дугами и прямыми отрезками с уклоном. Профили близки к одноточечному контакту и достаточно конформны. Задачей разработки этих профилей являлось снижение контактных давлений с целью уменьшения дефектов контактно-усталостного происхождения (выщербин), образующихся при эксплуатации на колесах электропоезда Velaro RUS («Сапсан»). Колесная пара с описанным типом профиля, по сравнению со стандартным, более склонна к вилянию и может работать в составе скоростного экипажа лишь при условии обеспечения достаточно высокой критической скорости движения. Последнее достигается выбором надлежащих упругодиссипативных связей колесной пары с рамой тележки, а также рамы тележки с кузовом в горизонтальной плоскости. При этом экипаж должен хорошо вписываться в кривые участки пути и иметь хорошие показатели по условиям вкатывания колеса гребнем на головку рельса.
Наиболее близким аналогом изобретения является стандартный профиль двухточечного контакта по ГОСТ 10791-2011 (рис. Б.2) с углом наклона гребня 65° и шириной обода 130 мм, предназначенный для колесных пар тележек пассажирских вагонов с конструкционной скоростью более 160 км/ч. Описанный профиль не нашел широкого распространения на сетях колеи 1520 мм по причине ограничения максимальной конструкционной скорости пассажирских вагонов отечественной разработки. Благодаря малой конусности в неизношенном состоянии профиль обеспечивает высокую критическую скорость вагона, т.е. безопасность по вкатыванию колеса на рельс. Вместе с тем при движении в кривой профилю присущи недостатки, связанные с повышенным износом гребня и высоким уровнем контактно-усталостных повреждений на поверхности катания.
Техническим результатом, на достижение которого направлено созданное изобретение, является выбор оптимальной геометрии профиля обода колес пассажирских вагонов, обеспечивающей исключение ремонтов колес по износу гребня при увеличении среднего пробега колес на 50-70% за счет повышения стойкости поверхности катания к контактно-усталостным повреждениям. Характерный для заявленного профиля равномерный износ способствует меньшему съему металла при проведении ремонтных обточек и обеспечивает стабильную величину коэффициента устойчивости по вкатыванию при высоких скоростях движения.
Технический результат достигается тем, что профиль поверхности обода железнодорожного колеса, включающий сопряженные между собой профиль поверхности гребня и поверхности катания, выполнен в виде линии, состоящей из сопряженных отрезков прямых и дуг окружностей.
1
2
3
4
5
6
7
8
Принципиальным отличием профиля согласно заявленному изобретению, который выполнен для железнодорожных колес пассажирских вагонов с шириной обода Т=130 мм и углом наклона рабочей поверхности гребня 65°, является следующее. За счет того, что профиль внутренней поверхности гребня содержит дугу R=40 мм, сопряженную с дугой R=13 мм, образующей вершину гребня на высоте S=28 мм в месте сопряжения с рабочей поверхностью гребня, образованной дугой R=13 мм и сопряженной с ней прямым отрезком с углом наклона 65° к горизонтали, который далее сопряжен с поверхностью катания колеса по выкружке, описанной последовательно сопряженными дугами R=25 мм и R=16 мм, при этом поверхность катания образована последовательно сопряженными дугами R=100 мм, R=180 мм, прямым отрезком с уклоном 1/20 при -5<х<30, дугой R=50 мм и прямым отрезком с уклоном 1/7 при 34,57<x<54, где x - текущая координата по оси X, выраженная в мм, с началом отсчета в точке I, где профиль пересекается с плоскостью круга катания колеса, расположенной на расстоянии 70 мм от внутренней поверхности обода, а линия, образующая поверхность гребня и поверхность катания, проходит последовательно по координатным точкам А (-70,00; -6,84), В (-63,85; -22,22), С (-53,04; -28,00), D (-41,23; -20,49), Е (-38,01; -13,53), F (-35,17; -8,85), G (-26,17; -3,04), Н (-12,00; -0,74), I (-5,00; -0,25), J (0; 0), K (30,00; 1,50), L (34,57; 1,94), М (54,00; 4,72), причем на внешней стороне железнодорожного колеса выполнена фаска, контур которой ограничивает профиль поверхности катания, достигается снижение износа поверхности гребня в 5-6 раз по сравнению с серийно выпускаемыми колесами при увеличении межремонтного пробега по дефектам контактно-усталостного происхождения в 1,5-2 раза.
Сущность изобретения иллюстрируется фигурами 1-4 и таблицей 1.
Профиль поверхности обода колес, получивший условное обозначение ВМЗ-К-65, разработан на основе многовариантного компьютерного моделирования средствами программного комплекса «Универсальный механизм». Критериями оптимизации являлись интенсивность изнашивания и накопления контактно-усталостных повреждений с ограничением нормируемыми значениями максимальных боковых сил и предельного коэффициента запаса устойчивости по вкатыванию колеса на рельс. Расчеты реализованы для модели пассажирского вагона с тележкой типа ТВЗ-ЦНИИ-М с нагрузкой на ось 14 тс.
Заявленный профиль поверхности обода железнодорожного колеса, изображенный на фиг. 1, включающий сопряженные между собой профиль поверхности гребня и поверхности катания, выполнен в виде линии, состоящей из сопряженных отрезков прямых и дуг окружностей. Профиль согласно заявленному изобретению выполнен для железнодорожных колес пассажирских вагонов с шириной обода Т=130 мм и углом наклона рабочей поверхности гребня 65°.
1
2
3
4
5
Профиль внутренней поверхности гребня содержит дугу R=40 мм, сопряженную с дугой R=13 мм, образующей вершину гребня на высоте S=28 мм в месте сопряжения с рабочей поверхностью гребня, образованной дугой R=13 мм и сопряженной с ней прямым отрезком с углом наклона 65° к горизонтали, который далее сопряжен с поверхностью катания колеса по выкружке, описанной последовательно сопряженными дугами R=25 мм и R=16 мм.
6
7
8
Поверхность катания образована последовательно сопряженными дугами R=100 мм, R=180 мм, прямым отрезком с уклоном 1/20 при -5<x<30, дугой R=50 мм и прямым отрезком с уклоном 1/7 при 34,57<x<54, где x - текущая координата по оси X, выраженная в мм, с началом отсчета в точке I, где профиль пересекается с плоскостью круга катания колеса, расположенной на расстоянии 70 мм от внутренней поверхности обода.
Линия, образующая поверхность гребня и поверхность катания, проходит последовательно по точкам со следующими координатами, выраженными в мм: А (-70,00; -6,84), В (-63,85; -22,22), С (-53,04; -28,00), D (-41,23; -20,49), Е (-38,01; -13,53), F (-35,17; -8,85), G (-26,17; -3,04), Н (-12,00; -0,74), I (-5,00; -0,25), J (0; 0), K (30,00; 1,50), L (34,57; 1,94), М (54,00; 4,72).
Как видно из фиг. 1, на внешней стороне железнодорожного колеса выполнена ограничивающая профиль поверхности катания фаска, контур которой описан отрезком, соединяющим точки М и N.
Номинальное положение точек на линии профиля ВМЗ-К-65, вычисленное с заданной точностью с использованием ЭВМ, представлено в таблице 1.
n
n
В соответствии с указанной таблицей положение точек на линии профиля определяется координатами X, Y с началом координат в точке пересечения с плоскостью круга катания, расположенном на расстоянии 70 мм от внутренней поверхности обода, где n - порядковый номер точки. Фактическое положение точек при изготовлении колес определяется технологическим допуском на отклонение профиля от номинальной формы - не более 0,5 мм.
На фиг. 2 показана эволюция износа гребня профиля ВМЗ-К-65 на базе 200 тыс.км пробега в сравнении со стандартным профилем по ГОСТ 10791-2011 (рис. Б.1). По графикам можно отметить многократное снижение величины износа. Сопоставимые значения по снижению износа гребня получены и по сравнению с прототипом, при этом ресурс по износу поверхности катания для всех рассмотренных профилей отличается несущественно.
В зависимости от используемой марки стали увеличение ресурса колеса с заявленным профилем по усталостной прочности составляет 50-70%, что позволяем увеличить средний межремонтный пробег на 100-150 тыс. км. Описанные характеристики представлены на фиг. 3, где показано изменение величины относительной накопленной контактно-усталостной поврежденности поверхности катания профилей на базе 200 тыс. км пробега с учетом эволюции износа.
По результатам анализа бокового воздействия на путь заявленный профиль наряду с аналогами обеспечивает сопоставимые величины нагрузок при высоких показателях безопасности по вкатыванию колеса на головку рельса. На фиг. 4 для заявленного профиля в сравнении со стандартным в виде графиков изображены значения коэффициента устойчивости по вкатыванию с учетом эволюции износа, откуда следует вывод о стабильных и достаточных показателях безопасности при различной величине пробега. Расчеты проводились для порожнего вагона по прямому участку пути с максимальной скоростью 160 км/ч.
Представленные выше результаты исследований проведены с учетом моделирования путевой структуры в виде набора участков движения, включающих прямые и кривые участки пути, отражающий реальное распределение длин прямых и кривых на сети железных дорог России и стран колеи 1520 мм.
Для учета изношенности профилей рельсов при оценке эволюции профиля использованы неизношенный новый и изношенный немного выше среднего изношенный (на 11 мм) профиль рельса Р65.
Неровности рельсовых нитей при исследовании соответствовали удовлетворительному состоянию пути. Для моделирования скоростных режимов движения пассажирских вагонов использовалось вероятностное распределение скоростей вдоль пути.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, позволили установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками тождественными (идентичными) всем существенным признакам заявляемого изобретения.
Определение из перечня выявленных аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому техническому результату отличительных признаков в заявляемом «Профиле поверхности обода колес пассажирских вагонов», изложенных в формуле изобретения.
Результаты поиска показали, что заявляемое изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявляемого изобретения преобразований на достижение технического результата.
Предлагаемое изобретение может использоваться при изготовлении новых цельнокатаных колес пассажирских вагонов, оснащенных тележками различных моделей, например, ТВЗ-ЦНИИ-М. Колесо согласно изобретению может быть изготовлено из стали любого качества, используемого в железнодорожной промышленности, и произведено в соответствии с известными техническими требованиями и стандартами.
Проведенные исследования подтверждают, что использование заявленного профиля ВМЗ-К-65 позволит значительно увеличить ресурс колес пассажирских вагонов сократив затраты на их обслуживание в процессе эксплуатации. За счет реализации конформного контакта в системе «колесо-рельс», обеспечиваемого использованием колес с заявленным профилем, возможно добиться существенного снижения контактных давлений, что в свою очередь, позволяет уменьшить уровень образования контактно-усталостных повреждений не только колес, но и рельсового пути. Этим доказывается достижение усматриваемого заявителем технического результата.