ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЕ КОЛЕСО
RAILWAY WHEEL

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта и может быть использовано в качестве колеса железнодорожных грузовых вагонов.
Известно колесо для железнодорожного транспорта, содержащее обод, ступицу и наклонный диск с участками перехода в обод и ступицу, выполненными по радиусу, при этом диск в радиальном направлении выполнен плоским, с прямолинейными образующими и с наклоном к оси колеса под углом 71° - 75° (см. RU 2085403 С1, 27.07.1997).
В данном известном колесе от действия эксплуатационных нагрузок возникает высоконапряжённое состояние с неравномерным распределением внутренних напряжений по объёму колеса, обусловленное плоскоконической формой диска. Недостаточный запас усталостной прочности сокращает срок службы колеса, ухудшает безопасность движения.
Сокращение уровня внутренних напряжений, вызываемых действием эксплуатационных нагрузок, более высокий запас усталостной прочности и более равномерное распределение внутренних напряжений по объёму колеса, наблюдаются в конструкциях железнодорожных колёс с дисками криволинейной формы.
Известно железнодорожное колесо, имеющее центральную плоскость, перпендикулярную оси вращения колеса, и включающее в себя обод, ступицу и криволинейный диск, образованный наружной и внутренней поверхностями и выполненный с выгибом в центральной части, теоретическая средняя линия поперечного профиля диска проходит через точку А, расположенную в месте сопряжения диска с ободом, точку С, где теоретическая средняя линия имеет максимальное смещение в сторону наружной поверхности колеса, и точку В, расположенную в месте сопряжения диска со ступицей, причём точки А и С смещены от центральной плоскости в сторону наружной поверхности колеса, а точка В смещена от центральной плоскости в сторону внутренней поверхности колеса, причём соотношение толщины диска в точке А к толщине диска в точке В составляет от 0,7 до 1,1, а соотношение толщины диска в точке С к толщине в точке В составляет от 0,7 до 0,9 (см. RU 2486063 C1, 27.06.2013).
Известно железнодорожное колесо, содержащее обод, диск и ступицу, при этом диск в осевом сечении выполнен криволинейным с выгибом в центральной части, а центральная линия осевого сечения диска на участке его сопряжения со ступицей смещена в осевом направлении относительно центральной линии осевого сечения диска на участке его сопряжения с ободом в сторону внутренней поверхности колеса,  при этом  выгиб в центральной части диска направлен в сторону наружной поверхности колеса, а указанная величина смещения находится в интервале значений 10÷25 мм. (см. RU 2259279 C1, 27.08.2005). Данное железнодорожное колесо принято за наиболее близкий аналог.
Технической проблемой известных железнодорожных колёс является существенное осевое и радиальное смещение обода колеса относительно ступицы при торможении в процессе эксплуатации. Указанное смещение обода колеса возникает в результате действия термических напряжений, возникающих за счёт трения тормозных колодок о поверхность катания колеса, при этом возрастают концентрации тепла на ободе. От многократного и длительного торможения этот процесс носит циклический характер нагружения и ведёт к расширению металла в радиальном и осевом направлениях, что приводит к высоким тепловым концентрациям внутренних напряжений в диске колеса, особенно в области сопряжения диска и обода. Кроме того, происходит локализация внутренних напряжений на наружной и внутренней поверхностях диска в местах сопряжения диска с ободом и диска со ступицей, обусловленных действием внешних нагрузок со стороны головок рельсов железнодорожного пути и со стороны элементов грузового вагона. Возрастание суммарных внутренних напряжений может привести к зарождению усталостных трещин, ведущих к разрушению колеса.
Технический результат изобретения заключается в снижении уровня остаточных деформаций, возникающих под действием эксплуатационных механических нагрузок и термических напряжений от нагрева колеса при торможении, а также в снижении жёсткости конструкции железнодорожного колеса в осевом и радиальном направлениях и улучшении демпфирующей способности.
Технический результат достигается тем, что железнодорожное колесо содержит обод, ступицу и диск криволинейной формы с наружной и внутренней поверхностями, образующими выгиб в центральной части диска, направленный в сторону наружной поверхности колеса, и с центральной линией радиального сечения диска, при этом центральная линия осевого сечения диска в месте сопряжения диска с ободом и в месте сопряжения диска со ступицей смещена в осевом направлении относительно середины ступицы в сторону наружной поверхности колеса. В отличие от наиболее близкого аналога, центральная линия осевого сечения диска в месте сопряжения диска с ободом смещена относительно места её сопряжения со ступицей на величину, составляющую от 26,0 до 42,0 мм, центральная линия осевого сечения диска в месте сопряжения диска со ступицей смещена относительно середины ступицы на величину, составляющую от 10,0 до 24,5 мм, при этом наружная поверхность диска образована со стороны обода и со стороны ступицы краевыми наружными радиусными кривыми R1 и R2, направленными в сторону внутренней поверхности колеса, в центральной части диска образована двумя участками центральных наружных радиусных кривых R3 и R4, направленных в сторону наружной поверхности колеса и сопряжённых между собой, а также образована промежуточными наружными радиусными кривыми R5 и R6, направленными в сторону внутренней поверхности колеса и сопряжёнными с соответствующими краевыми и центральными наружными радиусными кривыми, внутренняя поверхность диска образована со стороны обода и со стороны ступицы краевыми внутренними радиусными кривыми R7 и R8, направленными в сторону наружной поверхности колеса, в центральной части диска образована двумя участками центральных внутренних радиусных кривых R9 и R10, направленных в сторону наружной поверхности колеса и сопряжённых между собой, а также образована промежуточными наружными радиусными кривыми R11 и R12, направленными в сторону внутренней поверхности колеса и сопряжёнными с соответствующими краевыми и центральными внутренними радиусными кривыми.
В частных случаях реализации изобретения краевые наружные радиусные кривые R1 и R2 выполнены в интервале радиусов от 12 мм до 70 мм; краевые внутренние радиусные кривые R7 и R8, выполнены в интервале радиусов от 20 мм до 45 мм, центральные наружные и внутренние радиусные кривые R3, R9, расположенные со стороны обода, выполнены в интервале радиусов от 30 мм до 125 мм, центральные наружные и внутренние радиусные кривые R4, R10, расположенные со стороны ступицы, выполнены в интервале радиусов от 30 мм до 170 мм, промежуточные наружные радиусные кривые R5, R11 выполнены в интервале радиусов от 30 мм до 230 мм и промежуточные внутренние радиусные кривые R6, R12 выполнены в интервале радиусов от 30 мм до 135 мм.
В частных случаях реализации изобретения угол наклона диска к оси колеса составляет от 76,5º до 82,5º.
Совокупность указанных конструктивных особенностей железнодорожного колеса, а именно, формы криволинейного диска в части величины и направления радиусов радиусных кривых его наружной и внутренней поверхностей, взаиморасположения центральной линии осевого сечения диска относительно ступицы в характерных точках диска, угла наклона диска, способствует более равномерному распределению по объёму колеса суммарных внутренних напряжений, возникающих от действия термических и механических эксплуатационных нагрузок, снижению концентрации внутренних напряжений в местах сопряжений диска с ободом и со ступицей, где возникают усталостные напряжения, а также обеспечивает уменьшение жёсткости конструкции колеса, повышающее демпфирующую способность, что уменьшает динамическую нагруженность на рельсы и элементы грузового вагона.
Изобретение поясняется графическими материалами, где показано:
на фиг. 1 – железнодорожное колесо, осевое сечение, проходящее через ось вращения колеса;
на фиг. 2 – схема перемещений гребней трёхмерных моделей колёс по компоненту вектора перемещений Uz;
на фиг. 3 – схема приложения радиальной нагрузки у гребня и эквивалентных деформаций трёхмерных моделей колёс;
на фиг. 4 – схема приложения радиальной нагрузки со смещением от гребня и эквивалентных деформаций трёхмерных моделей колёс;
на фиг. 5 – схема приложения комбинированной нагрузки на поверхность катания и гребень и эквивалентных деформаций трёхмерных моделей колёс.
Железнодорожное колесо (Фиг. 1) содержит обод 1 с поверхностью катания 1.1 и гребнем 1.2, ступицу 2 с осевым отверстием (не показано) и диск 3 криволинейной формы поперечного профиля с наружной 3.1 и внутренней 3.2 поверхностями, образующими выгиб в центральной части диска 3, направленный в сторону наружной поверхности колеса, и с центральной линией 3.3 осевого сечения диска.
Диск 3 образован шестью сопряжёнными между собой участками, условно названными краевыми участками, расположенными в местах сопряжения диска 3 с ободом 1 и со ступицей 2, центральным участком, расположенным со стороны обода 1, центральным участком, расположенным со стороны ступицы 2, и промежуточными участками, расположенными между краевыми участками и соответствующими центральными участками.
Наружная поверхность диска 3 образована со стороны обода 1 и со стороны ступицы 2 краевыми наружными радиусными кривыми R1 и R2, направленными в сторону внутренней поверхности колеса, в центральной части диска 3 – двумя участками центральных наружных радиусных кривых R3 и R4, направленных в сторону наружной поверхности колеса и сопряжённых между собой, а также промежуточными наружными радиусными кривыми R5 и R6, направленными в сторону внутренней поверхности колеса и сопряжёнными с соответствующими краевыми и центральными наружными радиусными кривыми. Внутренняя поверхность диска 3 образована со стороны обода 1 и со стороны ступицы 2 краевыми внутренними радиусными кривыми R7 и R8, направленными в сторону наружной поверхности колеса, в центральной части диска 3 – двумя участками центральных внутренних радиусных кривых R9 и R10, направленных в сторону наружной поверхности колеса и сопряжённых между собой, а также промежуточными наружными радиусными кривыми R11 и R12, направленными в сторону внутренней поверхности колеса и сопряжёнными с соответствующими краевыми и центральными внутренними радиусными кривыми. Все радиусные кривые, образующие наружную и внутреннюю поверхности диска 3, имеют касательное сопряжение между собой.
Краевые наружные радиусные кривые R1 и R2 выполнены в интервале радиусов от 12 мм до 70 мм; краевые внутренние радиусные кривые R7 и R8 выполнены в интервале радиусов от 20 мм до 45 мм. Центральные наружные и внутренние радиусные кривые R3, R9, расположенные со стороны обода, выполнены в интервале радиусов от 30 мм до 125 мм, R4, R10, расположенные со стороны ступицы, выполнены в интервале радиусов от 30 мм до 170 мм. Промежуточные наружные и внутренние радиусные кривые R5, R11 выполнены в интервале радиусов от 30 мм до 230 мм и R6, R12 выполнены в интервале радиусов от 30 мм до 135 мм.
Наружная поверхность диска 3, образованная радиусными кривыми R1, R2, R3, R4, R5, R6, согласуется c внутренней поверхностью диска 3, образованной радиусными кривыми R7, R8, R9, R10, R11, R12, через круги диаметрами d1, d2, d3 d4, d5, вписанные в толщину диска 3, с которыми указанные наружная 3.1 и внутренняя 3.2 поверхности диска 3 касательно соединены. Круги могут быть выполнены равной величины диаметра d1, d2, d3 d4, d5, либо переменной величины диаметра в интервале от 15 до 30 мм.
Центральная линия 3.3 радиального сечения диска 3 со стороны обода 1 совпадает с линией 4, проходящей через середину обода 1, и по длине диска 3 проходит через три характерные точки, из которых точка А расположена в месте сопряжения диска 3 с ободом 1, точка C расположена в месте наибольшего выгиба диска 3, точка B расположена в месте сопряжения диска 3 со ступицей 2. Центральная линия 3.3 осевого сечения диска 3 в месте расположения точки А смещена в осевом направлении относительно центральной линии 3.3 осевого сечения диска 3 в месте расположения точки В в сторону наружной поверхности колеса на величину «а», составляющую от 26,0 до 42,0 мм. Центральная линия 3.3 осевого сечения диска 3 в точке В смещена в осевом направлении относительно линии 5, проходящей через середину ступицы 2, на величину «b», составляющую от 10,0 до 24,5 мм.
Угол наклона «α» диска 3 к оси О-О колеса составляет от 76,5º до 82,5º.
С целью имитации эксплуатационных условий как тепловых, так и механических нагружений было проведено компьютерное моделирование и сравнительные расчёты для конструкций колеса 1 (колесо со смещённым криволинейным диском, имеющим U-образную форму поперечного профиля с выгибом наружу колеса), колеса 2 (колесо с несмещенным криволинейным диском, имеющим s-образную форму поперечного профиля) и предлагаемого колеса.
2
Для сравнительной оценки термодеформированного состояния (Фиг. 2) на поверхностях катания 1.1 трёхмерных моделей колёс были заданы тепловые потоки конвективного теплообмена с окружающей средой и заданы граничные условия, соответствующие эксплуатационному режиму торможения: Ток = 40°С, коэффициент конвективной теплоотдачи составляет 1048 Вт/мК, вектор плотности теплового потока составляет 241 кВт. Вследствие нагрева поверхностей колёс в процессе имитационного торможения происходят перемещения гребней 1.2 по компоненту вектора перемещений Uz в осевом направлении в сторону увеличения расстояния между боковой поверхностью рельса и гребня 1.2 колеса.
Значения перемещений гребней известных колёс и предлагаемого колеса, возникающих от действия различных режимов нагружения, представлены в таблице 1.
Таблица 1
Перемещение гребня
Тип колеса
Опытное колесо 1
Опытное колесо 2
Предлагаемое колесо
Uz, мм
8,1
13,4
4,3
Как видно, самое малое перемещение Uz, характеризующее смещение обода колеса относительно ступицы при торможении, показало колесо предлагаемой конструкции. Меньшая величина перемещения Uz свидетельствует о меньших значениях тепловых концентраций в диске колеса, в том числе, в области сопряжения диска и обода.
Для сравнительной оценки напряжённо-деформированного состояния к трёхмерным моделям колеса-прототипа и предлагаемого колеса было приложено механическое воздействие по трём режимам нагружения, имитирующее наиболее характерные условия эксплуатации:
1 - радиальная нагрузка Рх с приложением на поверхность катания колеса на расстоянии s = 46÷49 мм от внутренней поверхности обода на величину, Рх = 284 кН (Фиг. 3);
2 - радиальная нагрузка Рх с приложением на поверхность катания колеса 1.1 на расстоянии s = 69÷71 мм от внутренней поверхности обода, Рх = 284 кН (Фиг. 4);
3 - комбинированная нагрузка с приложением радиальной нагрузки Рx на поверхность катания 1.1 со смещением в сторону гребня 1.2 и осевой нагрузки Рy с приложением на гребень 1.2, Рx = 1,25R = 156,25 кН, Рy = 0,7R = 87,5 кН, где R – половина вертикальной статической нагрузки, действующей со стороны тележки на рельс (Фиг. 5).
Указанные наиболее характерные и неблагоприятные варианты приложения нагрузок необходимо учитывать при расчёте железнодорожного колеса на усталостную и статическую прочность. При этом для сохранения прочностных характеристик эквивалентные напряжения не превышают допускаемого значения, которое составляет 160 МПа. Расчётный режим радиальной нагрузки, действующей на поверхность катания обода, осуществляют для оценки циклической прочности колёс при движении по прямому участку пути. Расчётный режим комбинированной нагрузки, при которой на поверхность катания в окологребневой зоне действуют вертикальные силы, а на гребень – боковые силы, требуется для оценки движения по криволинейным участкам пути.
Значения эквивалентных деформаций известных колёс и предлагаемого колеса, возникающих от действия различных режимов нагружения, представлены в таблице 2.
Таблица 2
Эквивалентная деформация диска колеса
Тип колеса
Опытное колесо 1
Опытное колесо 2
Предлагаемое колесо
Режим нагружения 1 (радиальная нагрузка приложена к гребню)
Units, %
0, 07330
0,08089
0,07350
Режим нагружения 2 (вертикальная нагрузка приложена с смещением от гребня)
Units, %
0, 07375
0, 07212
0,07695
Режим нагружения 3 (комбинированная нагрузка)
Units, %
0,01016
0,00853
0,01162
Как следует из сравнительного анализа данных Таблицы 2, совокупный показатель эквивалентных деформаций предлагаемого колеса является наибольшим, что свидетельствует о сравнительно меньшем значении жёсткости данной конструкции в осевом и радиальном направлениях.
Таким образом, железнодорожное колесо предлагаемой конструкции позволяет снизить остаточные деформации от термических напряжений, которые возникают в результате трения поверхности тормозной колодки и поверхности катания колеса при торможении, а также снизить уровень жёсткости и улучшить демпфирующие способности при сохранении прочностных характеристик. Улучшенные эксплуатационные показатели позволяют повысить стойкость колеса к разрушениям, увеличить срок его эксплуатации, снизить динамическую нагруженность на верхнее строение пути и на неподрессоренные элементы грузового вагона.