КОЛЕСО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ГРУЗОВОГО ВАГОНА

Область техники
Полезная модель относится к конструкции колес подвижного состава железнодорожного транспорта, а именно к формам профиля ободьев колес железнодорожных грузовых вагонов.
Здесь и далее обозначены:
термином «профиль обода» - составная образующая, которая задает гладко сопряженные нерабочую и рабочую поверхности гребня, поверхность выкружки и поверхность катания железнодорожного колеса,
термином «выкружка» - такая часть обода, которая обеспечивает гладкое сопряжение рабочей поверхности гребня и поверхности катания железнодорожного колеса, а
применяемым для упрощения описания термином «вагон» - любой грузовой железнодорожный экипаж, включая полувагоны, хопперы, платформы и т.п.
Предшествующий уровень техники
Хорошо известно, что износ железнодорожных колес и головок рельсов существенно зависит от совершенства форм их контактирующих поверхностей. Но изменение профиля головок стандартных рельсов Р65 требует значительных расходов на переоснащение рельсопрокатных станов, изготовление новых рельсов и перешивку десятков тысяч километров магистральных и станционных путей. Поэтому актуальную для стран СНГ проблему снижения износа колес и головок рельсов целесообразно решать в первую очередь оптимизацией профиля ободьев колес.
Также известно, что во время движения обод стандартного колеса вагона (ГОСТ 9036-88. Колеса цельнокатаные. Конструкции и размеры, черт.2) контактирует с боковой гранью головки рельса рабочей поверхностью гребня, а выкружка практически не взаимодействует с рельсом. Это обуславливает значительный и, естественно, неравномерный износ колес и головок рельсов, подрез и остроконечный накат гребней колес, повышенное динамическое воздействие колес на путь, а по мере износа колес - резкое ухудшение динамических качеств вагонов и соответствующее снижение критической скорости их движения. В некоторых случаях (в первую очередь, для порожних вагонов с тележками модели 18-100) она становится ниже 70 км/н.
С учетом формы рельсов типа Р65 и данных о среднесетевом износе гребней колес был предложен несколько усовершенствованный профиль ободьев колес для вагонов (Голутвина Т.К. Новый профиль вагонного колеса / Железнодорожный транспорт, 1979 №3, с. 47-49). Однако колеса с таким профилем ободэев не нашли широкого применения.
Более эффективны железнодорожные колеса, профили ободьев которых заданы последовательно усложняющимися нелинейными уравнениями (SU 1240637; SU 1695601 и SU 1794694). Во время движения такие колеса контактируют с рельсами конической частью поверхности катания, средней частью выкружки или рабочей поверхностью гребня, а пятна контакта располагаются ближе к боковой поверхности головок рельсов, тогда как верхние части этих головок практически не работают. Эти колеса до сих пор используют в СНГ в локомотивных тележках, где нагрузка на каждую ось стабильно значительна. Но применение их в тележках вагонов, для которых характерна переменная нагрузка на ось, нежелательно из-за ухудшения динамических характеристик этих вагонов.
Исследование условий взаимодействия в зонах контакта колес и рельсов позволило создать железнодорожное колесо с более совершенным профилем обода (RU 26208 U1).
1
2
3
i
min
max
i
Упомянутый профиль - это образующая, состоящая из сопряженных отрезков прямых и дуг окружностей радиусов R=13,5 мм, R=17,7 мм и R=38 мм. Положения центров окружностей этих дуг относительно точки 0, расположенной на пересечении среднего радиуса круга катания с образующей поверхности катания, и координаты точек сопряжения отрезков прямых профиля задают в зависимости от фактической толщины Δ гребня, которая находится в интервале от 30 до 34 мм. В частности, для ремонтных и новых колес с фактической толщиной гребня соответственно Δ=30 мм и Δ=34 мм, были заданы координаты центров окружностей указанных дуг, условия их сопряжения с отрезками прямых и геометрические параметры этих отрезков и координаты граничных точек образующей профиля. Также было указано, что для произвольной фактической толщины Δ гребня в указанном интервале значения координат и профили обода можно найти интерполяцией в промежутке между граничными значениями координат и крайними профилями.
Как новые, так и ремонтные колеса с конкретным профилем, выбранным в указанных выше границах, характеризуются более гладким сопряжением поверхности катания с рабочей поверхностью гребня. Поэтому снижается вероятность силового контакта гребней таких колес с боковыми гранями головок рельсов даже на участках пути с малыми (менее 350 м) радиусами кривизны. Экспериментально было установлено, что это замедляет износ гребней (и колес в целом) и увеличивает их пробег до переточки. Но тогда же была выявлена необходимость в еще более гладком сопряжении поверхности катания с рабочей поверхностью гребня колеса.
1
2
3
4
Поэтому было создано железнодорожное колесо с более совершенным профилем обода, составленным из гладко сопряженных образующих поверхностей гребня, выкружки и катания (RU 113201 U1). Это колесо является прототипом предложенного далее колеса. Профиль поверхности обода колеса-прототипа очерчен дугами окружностей радиусов R, R, R, R и сопряженными отрезками прямых с разным уклоном, при этом:
i
а) положения 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 и охватывает как ремонтные, так и новые профили колес, таким образом:
min
для минимальной толщины гребня Δ=29 мм координаты центров и радиусы окружностей указанных дуг равны:
1
1
1
x=-52,1 мм и y=-13,3 мм для R=18,0 мм,
2
2
2
х=-57,7 мм и y=-14,5 мм для R=13,5 мм,
3
3
3
х=-26,6 мм и y=-20,4 мм для R=17,7 мм;
4
4
4
х=-18,1 мм и y=-38,9 мм для R=38,0 мм;
1
2
2
3
3
4
4
дуга окружности радиуса R и сопряженная с нею дуга окружности радиуса R являются составными образующей головки гребня; дуга окружности радиуса R отрезком прямой с углом наклона 70° к горизонтали сопряжена с дугой окружности радиуса R, которая является первой частью образующей выкружки; дуга окружности радиуса R сопряжена с дугой окружности радиуса R, которая является второй частью образующей выкружки; дуга окружности радиуса R сопряжена с отрезком прямой с уклоном 1:20(-20<×<40) мм, который переходит в отрезок прямой с уклоном 1:7(40<×<54) мм и далее в отрезок прямой с уклоном 1:1(54<×<60) мм;
для максимальной толщины гребня Δmax=33 мм координаты центров и радиусы окружностей указанных дуг равны:
1
1
1
x=-39,0 мм и y=-5,0 мм для R=31,0 мм,
2
2
2
х=-53,7 мм и y=-14,5 мм для R=13,5 мм,
3
3
3
х=-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=38,0 мм;
1
2
2
3
3
4
4
дуга окружности радиуса R и сопряженная с ней дуга окружности радиуса R являются составными образующей головки гребня; дуга окружности радиуса R отрезком прямой с углом наклона 70° к горизонтали сопряжена с дугой окружности радиуса R, которая является первой частью образующей выкружки; дуга окружности радиуса R сопряжена с дугой окружности радиуса R, которая является второй частью образующей выкружки; дуга окружности радиуса R сопряжена с отрезком прямой с уклоном 1:20(-17<×<40) мм, который переходит в отрезок прямой с уклоном 1:7(40<×<54) мм и далее в отрезок прямой с уклоном 1:1(54<×<60) мм;
i
б) для фактической толщины гребня Δ в интервале от 29 до 33 мм значения координат и профили обода являются результатами интерполяции в промежутке между указанными предельными значениями координат и крайними профилями.
Согласно экспериментальным данным, средний пробег колес с указанным профилем при фактической толщине гребня Δmax=33 мм в тележках грузовых вагонов на железных дорогах Украины со сложными условиями эксплуатации без переточки по износу гребней достиг около 300 тыс. км по сравнению со 100-130 тыс. км для стандартных колес.
Однако последующие теоретические исследования, экспериментальные испытания грузовых вагонов, которые оснащены колесами с описанным выше профилем, и обследования изношенных колес при деповских ремонтах вагонов показали, что возможности совершенствования профиля обода до конца не исчерпаны.
Сущность полезной модели
В основу полезной модели положена задача последующим усовершенствованием образующей обода создать такое колесо железнодорожного грузового вагона, у которого вероятность силового контакта гребня с боковыми гранями головок рельсов на кривых участках пути по сравнению с прототипом будет еще меньшей.
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
Эта задача решена тем, что у колеса железнодорожного грузового вагона, профиль обода которого включает гладко сопряженные образующие поверхности гребня, поверхности выкружки и поверхности катания, согласно изобретательскому замыслу профиль обода состоит из дуг окружностей радиусов R, R, R, R, R, R, R, R и сопряженных с ними отрезков прямых, а именно: дуга окружности радиуса R и сопряженная с ней дуга окружности радиуса R являются составляющими образующей поверхности головки гребня; дуга окружности радиуса R отрезком прямой с углом наклона 69,5° к горизонтали сопряжена с дугою окружности радиуса R, которая есть первой частью образующей поверхности выкружки; дуга окружности радиуса R сопряжена с дугой окружности радиуса R, которая есть второй частью образующей поверхности выкружки; дуга окружности радиуса R сопряжена с дугой окружности радиуса R, которая есть третьей частью образующей поверхности выкружки; дуга окружности радиуса R сопряжена с дугой окружности радиуса R, которая есть четвертой частью образующей поверхности выкружки; дуга окружности радиуса R сопряжена с дугой окружности радиуса R, которая есть первой частью образующей поверхности катания; дуга окружности радиуса R сопряжена с дугой окружности радиуса R, которая есть второй частью образующей поверхности катания; дуга окружности радиуса R сопряжена с отрезком прямой с уклоном 1:7 при (45<×≤54) мм, который есть третьей частью образующей поверхности катания и который переходит в отрезок прямой с уклоном 1:1 при (54<×≤60) мм, - при этом:
i
а) положения центров окружностей указанных дуг относительно точки 0, расположенной на пересечении круга катания с образующей поверхности катания, и порядок сопряжения отдельных частей профиля выбраны в зависимости от фактической толщины Δ гребня, которая находится в интервале от 29 до 33 мм и охватывает как ремонтные, так и новые профили колес, таким образом:
min
для минимальной толщины гребня Δ=29 мм координаты центров и радиусы окружностей указанных дуг равны:
1
1
1
x=-40,1 мм и y=-5,0 мм для R=31,0 мм;
2
2
2
х=-55,7 мм и y=-16,5 мм для R=11,5 мм;
3
3
3
х=-10,4 мм и y=-27,1 мм для R=35,0 мм;
4
4
4
х=-29,3 мм и y=-16,6 мм для R=13,3 мм;
5
5
5
х=-28,9 мм и y=-18,8 мм для R=15,5 мм;
6
6
6
х=-15,9 мм и y=-68,2 мм для R=66,7 мм;
7
7
7
х=43,0 мм и y=-628,5 мм для R=630,0 мм;
8
8
8
х=28,0 мм и y=-223,0 мм для R=221,6 мм;
для максимальной толщины гребня Δmax=33 мм координаты центров и радиусы окружностей указанных дуг равны:
1
1
1
x=-25,1 мм и y=0 мм для R=45,0 мм;
2
2
2
х=-52,9 мм и y=-14,1 мм для R=13,9 мм;
3
3
3
х=-6,4 мм и y=-27,0 мм для R=35,0 мм;
4
4
4
х=-25,3 мм и y=-16,5 мм для R=13,3 мм;
5
5
5
x=-24,2 мм и y=-18,4 мм для R=15,5 мм;
6
6
6
х=-11,9 мм и y=-68,0 мм для R=66,7 мм;
7
7
7
х=46,0 мм и y=-628,3 мм для R=630,0 мм;
8
8
8
х=28,0 мм и y=223,0 мм для R=221,6 мм;
i
j
j
б) для фактической толщины гребня Δ в интервале от 29 до 33 мм значения координат x, y (j=1,…,8) и профили поверхности обода железнодорожного колеса могут быть получены интерполяцией в промежутке между указанными граничными значениями координат и крайними профилями.
Существенное усложнение образующих поверхностей катания и выкружки и незначительное уменьшение (с 70° до 69,5°) угла наклона к горизонтали прямой, служащей для сопряжения части образующей поверхности головки гребня с начальной частью образующей поверхности выкружки, создают оптимальные условия для плавного перемещения пятна контакта с конической части поверхности катания на гребень, в частности во время движения вагонов на кривых участках пути с малыми радиусами кривизны.
Краткое описание чертежей
Далее сущность полезной модели поясняется ее детальным описанием со ссылками на приложенные чертежи, где изображены на:
i
фиг. 1 - профиль обода железнодорожного колеса грузового вагона в зависимости от граничных значений фактической толщины гребня Δ с обозначением мест положений и радиусов отдельных частей профиля;
фиг. 2 - диаграмма, где для сравнения показан средний износ гребней колес при разном пробеге полувагонов, которые находятся в общей эксплуатации и оборудованы:
колесами со стандартным профилем ободьев (треугольные маркеры);
колесами с профилем ободьев согласно прототипу (круглые маркеры);
колесами с предложенным профилем ободьев (ромбические маркеры).
Детальное описание полезной модели
Предложенное колесо железнодорожного грузового вагона (см. фиг. 1) имеет профиль обода, составленный из гладко сопряженных образующей поверхности не обозначенной особо головки гребня 1 и его рабочей поверхности, образующей поверхности выкружки 2 и образующей поверхности 3 катания.
1
2
2
3
Образующая поверхности головки гребня 1 состоит из дуги окружности радиуса R и сопряженной с ней дуги окружности радиуса R. Дуга окружности радиуса R отрезком прямой с углом наклона 69,5° к горизонтали, которая является образующей рабочей поверхности гребня 1, сопряжена с дугой окружности радиуса R, которая является первой частью образующей поверхности выкружки 2.
3
4
4
5
6
Далее указанная дуга окружности радиуса R сопряжена с дугой окружности радиуса R, которая является второй частью образующей поверхности выкружки 2, эта дуга окружности радиуса R сопряжена с дугой окружности радиуса R, которая является третьей частью образующей поверхности выкружки 2, и дуга окружности радиуса R5 сопряжена с дугой окружности радиуса R, которая является последней четвертой частью образующей поверхности выкружки 2.
6
7
7
8
8
Указанная дуга окружности радиуса R сопряжена с дугой окружности радиуса R, которая является первой частью образующей поверхности 3 катания; дуга окружности радиуса R сопряжена с дугой окружности радиуса R, которая является второй частью образующей поверхности 3 катания; дуга окружности радиуса R сопряжена с отрезком прямой с уклоном 1:7 при (45<×≤54) мм, который является третьей частью образующей поверхности 3 катания и который переходит в отрезок прямой с уклоном 1:1 при (54<×≤60) мм.
i
Положения центров окружностей всех указанных выше дуг относительно точки 0, расположенной на пересечение круга катания с образующей поверхности 3 катания, и порядок сопряжения отдельных частей профиля выбраны в зависимости от фактической толщины гребня Δ, которая находится в интервале от 29 до 33 мм и охватывает как ремонтные, так и новые профили колес.
min
1
2
3
4
5
6
7
8
В частности, для толщины гребня Δ=29 мм установлено, что координаты центров и радиусы R, R, R, R, R, R, R, R окружностей указанных дуг равны:
1
1
1
x=-40,1 мм и y=-5,0 мм для R=31,0 мм;
2
2
2
х=-55,7 мм и y=-16,5 мм для R=11,5 мм;
3
3
3
х=-10,4 мм и y=-27,1 мм для R=35,0 мм;
4
4
4
х=-29,3 мм и y=-16,6 мм для R=13,3 мм;
5
5
5
х=-28,9 мм и y=-18,8 мм для R=15,5 мм;
6
6
6
х=-15,9 мм и y=-68,2 мм для R=66,7 мм;
7
7
7
х=43,0 мм и y=-628,5 мм для R=630,0 мм;
8
8
8
х=28,0 мм и y=223,0 мм для R=221,6 мм.
1
2
3
4
5
6
7
8
Аналогично, для толщины гребня Δmax=33 мм установлено, что координаты центров и радиусы R, R, R, R, R, R, R, R окружностей указанных дуг равны:
1
1
1
x=-25,1 мм и y=0 мм для R=45,0 мм;
2
2
2
х=-52,9 мм и y=-14,1 мм для R=13,9 мм;
3
3
3
х=-6,4 мм и y=-27,0 мм для R=35,0 мм;
4
4
4
х=-25,3 мм и y=-16,5 мм для R=13,3 мм;
5
5
5
х=-24,2 мм и y=-18,4 мм для R=15,5 мм;
6
6
6
х=-11,9 мм и y=-68,0 мм для R=66,7 мм;
7
7
7
х=46,0 мм и y=-628,3 мм для R=630,0 мм;
8
8
8
х=28,0 мм и y=223,0 мм для R=221,6 мм.
i
j
j
Для любой фактической толщины гребня Δ в интервале от 29 до 33 мм значения координат x, y (j=1,…,8) и профили поверхности обода железнодорожного колеса могут быть получены интерполяцией в промежутке между указанными граничными значениями координат и крайними профилями.
Совокупный профиль рабочей поверхности обода формируют обточкой новых или ремонтных колес на станках, оснащенных блоками ЧПУ или копирами.
i
Перед такой обработкой подходящим инструментом измеряют фактическую толщину гребня. При измерении обычным универсальным шаблоном для стандартного профиля обода колеса, который широко применяют на заводах и железных дорогах, толщина гребня таких колес по шкале шаблона будет на 1 мм меньше значения Δ.
Особенности эксплуатации железнодорожных колес с предложенными профилями ободьев состоят в следующем.
7
В зависимости от плана и профиля пути во время движения вагона колесо взаимодействует с рельсом преимущественно той частью поверхности 3 катания, которая очерчена дугой окружности радиуса R, а в кривых малого радиуса или на путях неудовлетворительного состояния может взаимодействовать также разными участками выкружки 2, рабочей поверхностью гребня 1 и частью поверхности 3 катания, которая очерчена дугой окружности радиуса R8.
Для эксплуатационных испытаний были изготовлены опытные образцы новых колес с профилем, который получил условное обозначение ИТМ-73-01. Эти колеса были установлены в комплексно модернизированные тележки модели 18-100 полувагонов и в тележки полувагонов нового поюления.
Результаты по износу гребней колес с профилями ободьев согласно с ГОСТ 9036-88 и колес-прототипов были взяты из предыдущих испытаний полувагонов
Даже беглый взгляд на фиг. 2 показывает, что износ гребней у колес с предложенным профилем ободьев ИТМ-73-01 (см. ромбические маркеры) в среднем в 4-5 раз меньше, чем у стандартных колес тележек модели 18-100 (см. треугольные маркеры), что позволяет существенно продлить срок эксплуатации колес ИТМ-73-01 без переточки по износу гребней.
Следует отметить, что колесные пары со стандартным профилем ободьев (см. треугольные маркеры) после пробега полувагонов приблизительно 100-130 тыс.км были изъяты из обращения по тонкому гребню и отправлены на переточку.
Промышленная применимость
Для существенной экономии средств описанный выше профиль обода целесообразно применять прежде всего при ремонтах колес комплексно модернизированных трехэлементных тележек модели 18-100 и других тележек грузовых вагонов, оснащенных упруго-диссипативными скользунами постоянного контакта.
При этом необходимую прочность гребня можно обеспечивать коррекцией его толщины (в частности изменением профиля в нерабочей части).