Конструкция Вагонов

Средний срок службы колесных пар по ресурсу колес — 10 лет, а средняя наработка до отказа колесных пар по прочности прес- совых соединений должна быть не менее 12 лет.

2.2. ОСИ__________________________________________

Вагонная ось — это элемент колесной пары, на котором укрепляются колеса. Она представляет собой стальной брус круглого, переменного по длине поперечного сечения. Конст- рукция оси, ее материал и технология изготовления строго рег- ламентированы стандартами.

Вагонные оси р а з л и ч а ю т с я :

размерами основных элементов — в зависимости от значения воспринимаемой нагрузки;

способом крепления подшипников на шейке оси — торцовой гайкой или шайбой;

формой поперечного сечения — сплошные или полые. Кроме этих признаков, определяющих конструкцию, оси

классифицируются по технологии изготовления.

В вагонных колесных парах применяются оси двух ти- пов — РУ\ и РУ1Ш. Все они предназначены для размещения подшипников качения и различаются конструктивным исполне- нием концевых частей в зависимости от способа торцевого креп- ления подшипников: гайкой (рис. 2.3, а) или шайбой (рис 2.3, 5).

Первый вариант конструктивного исполнения оси (рис. 2.3, в) характеризуется наличием на ее концах резьбовых частей для гаек, а на торцах — пазов с двумя резьбовыми отверстиями (резьба Ml2) для размещения стопорных планок и крепления их болтами.

В т о р о й в а р и а н т конструкции оси (рис. 2.3, г) имеет на торцах четыре резьбовых отверстия (резьба М20) для крепле- ния приставной шайбы болтами. Ось при этом получается коро- че, а ее изготовление удешевляется. В эксплуатации имеются оси

ис тремя резьбовыми отверстиями.

Увагонной оси (рис. 2.3) имеются две шейки 1, две предподсту- пичные 2 и две подступичные 3 части, а также средняя часть 4 оси.

Шейки вагонных осей предназначены для размещения подшип- ников, предподступичпые части — задних уплотняющих деталей букс (лабиринтных колец), подступичпые части — ступиц колес. Все они имеют цилиндрическую форму. Средняя часть оси выпол- 62

Рис. 2.3. Вагонные оси-

а — ось типа РУ1; б — ось типа РУ1Ш, в, г — конструктивное оформле- ние концевых частей осей типов РУ1 и РУ1Ш соответственно, д — ва- рианты конструктивного оформления средней части оси

няется цилиндрической (рис. 2.3, а, б) или с коническими перехо- дами от подступичных частей к середине оси (рис. 2.3, д).

Основной деформацией в оси является деформация изгиба. Поэто- мувсоответствиисэпюройизгибающих моментовнаименьшийдиа- метр имеют шейки, наибольший — подступичные части. Для сниже- ния концентрации напряжений в местах изменения диаметров оси делают плавные переходы — галтели, выполненные определенным радиусом. Снижение концентрации напряжений, вызванных посад- койдеталейподшипниковкачения, достигаетсяразгружающейканав- кой, расположеннойуначала галтели шейкиоси(рис. 2.4, а, б).

На торцах всех типов вагонных осей имеются центровые отвер- стия для установки и закрепления оси или сформированной колес- ной пары в центрах токарных станков. Форма и размеры центро- а)

вых отверстий установлены стандартом и должны соответствовать рис. 2.4, в — для оси типа РУ 1 и рис. 2.4, г — для оси РУ1Ш.

Оси колесных пар вагонов, оборудованных дисковыми тор- мозами (рис. 2.5), имеют посадочные поверхности 7 для установ- ки тормозных дисков. Специальные посадочные поверхности для деталей редуктора имеют оси колесных пар, на которых смонтирован привод подвагонного генератора.

В табл. 2.2 приведены регламентированные ГОСТ 22780 ос- новные размеры (рис. 2.3) и допускаемые нагрузки для стандар- тных осей колесных пар вагонов широкой колеи, кроме вагонов электро- и дизель-поездов.

Уменьшение допускаемых нагрузок для осей пассажирских вагонов по сравнению с осями грузовых вагонов обосновано более высокими скоростями движения пассажирских поездов и повышенными требованиями безопасности движения.

Для грузовых вагонов с повышенными до 245 кН осевыми нагрузками разработана колесная пара с усиленной осью, у ко-

Рис. 2.4. Варианты конструктивного исполнения элементов оси:

а, б — профили галтелей шеек; в, г — центровые отверстия осей типа

РУ1 и РУ1Ш соответственно

64

Рис. 2.5. Ось колесной пары для вагонов, оборудованных дисковыми тормозами

Таблица 2.2. Стандартные типы осей вагонов

П р и м е ч а н и я . 1. При исполнении узла В по вариантам 1 и 2 (рис. 2.3, д) г/4= 165 мм.

2.При эксплуатации грузовых вагонов допускается по согласованию с разработчиком (изготовителем) повышение расчетных статических на- грузок от колесной пары на рельсы не более 235 кН (24 тс) при соблю- дении требований ГОСТ 22235 и скорости движения до 80 км/ч.

3.Для немоторных вагонов электро- и дизель-поездов применяются оси

типа РУ1 с ра - 186 кН (19 тс), для моторных вагонов электропоез- дов — оси типа РМЗ и РМ5 с ро соответственно 196 кН (20 тс) и 216 кН (22 тс). Буква М обозначает — моторная.

торой диаметр шейки оси 140 мм, диаметр предподступичной части — 175 мм, диаметр подступичной части — 204 мм. Сред- няя часть имеет цилиндрическую форму диаметром 180 мм.

В качестве материала для изготовления осей локомотивов и ваго- нов согласно ГОСТ 4728 применяется сталь марки ОС, которая име- ет следующий химический состав (в %): углерода 0,42-0,50; марган- ца 0,60-0,90; кремния 0,15-0,35; фосфора не более 0,04; серы не более 0,04; хрома не более 0,3; никеля не более 0,3; меди не более 0,25.

Гарантийный срок эксплуатации осей установлен 8,5 лет, а средний срок службы — 15 лет.

Вагонные оси изготавливают (ГОСТ 4008) методами ковки, штамповки, винтовой прокатки или радиально-ротационного горячего деформирования. Оси должны быть подвергнуты меха- нической обработке и упрочнению накатыванием роликами по всей длине оси, включая галтели.

На шейке или средней части необработанной оси в горячем состо- янии наносят знаки маркировки и клеймения в следующем порядке

(через тире или с промежутками): две последние цифры года изготов- ления; номер плавки; порядковый номер оси, начинающийся с услов- ного номера предприятия-изготовителя (первые три цифры номера). Пример маркировки оси: 90-153426-00513042, где 005 — номер пред- приятия-изготовителя; 13042 — порядковый номер оси, изготовлен- ной с начала года. Каждая заготовка должна иметь клеймо отдела технического контроля и инспекции. После механической обработ- ки эти знаки и клейма переносят на один из торцов шейки (рис. 2.6).

Механические свойства термически обработанных заготовок оси согласно ГОСТ 4008 должны удовлетворять нормам, указан- ным в табл. 2.3.

Учитывая, что напряжения поперечного изгиба в оси распределя- ются неравномерно по сечению, достигая наибольшего значения в на- ружных волокнах и наименьшего — во внутренних, создаются воз- можности замены сплошного сечения полым без увеличения габа- ритных размеров. Конструкция полой оси показана на рис. 2.7. По

сравнению со сплошными осями

а)

полые оси имеют массу на 100— 110 кг меньше, в результате сокра- щается расход металла на заготов- ку оси на 15%. Ось имеет увеличен- ный диаметр подступичной части, что позволяет повысить прочность соединения колеса с осью. На осно- вании положительных результатов опытно-конструкторских работ, всесторонних исследований и дли-

б) тельных эксплуатационных испы- таний полых осей под грузовыми вагонами допущено применение таких осей в эксплуатации.

Рис. 2.6. Знаки и клейма на торце шейки новой оси:

а — типа РУ1; б — типа РУ1Ш; / — клеймо инспекции: 2 — условный номер предприятия, производившего обработку и перенесшего знаки маркировки; 3 — номер

оси; 4 — две последние цифры года изготовления черновой оси. 5 — клеймо технического контроля

Таблица 2.3. Механические свойства материала оси

Рис. 2.7 Полая вагонная ось

2.3. КОЛЕСА________________________________________

Вагонные колеса различаются:

конструкцией — цельные и составные (бандажные), т.е состоя- щие из колесного центра, бандажа и предохранительного кольца;

способом изготовления — катаные и литые; размерами диаметра колеса (950 и 957 мм) и отверстия ступи-

цы (190 и 175 мм);

материалом.

Стандартом (ГОСТ 9036) предусмотрено изготовление цель- нокатаных колес с диаметром по кругу катания 957 мм.

Рис. 2 8 Цельнокатаное колесо

П р и м е ч а н и е к рис 2 8 и 2 9. Одной звездочкой обо- значены размеры, обе- спечиваемые инстру- ментом, двумя звездоч- ками — для справок Параметр шероховатос- ти поверхности А —

Rz < 80 мкм

повышается срок службы колес. Плавность хода вагонов с коле- сами, имеющими такой профиль значительно выше, чем вагонов с колесными парами, имеющими обычный стандартный про- филь.

В эксплуатации имеются также колеса с диаметром по кругу катания 950 мм. Их изготавливают в незначительном количестве только для замены неисправных колесных пар в вагонах старой постройки.

При качении колес по рельсам они испытывают сложные виды нагружения: контактные и ударные нагрузки, трение от соприкос- новения с рельсами и тормозными колодками. Соприкасаясь с рельсом малой поверхностью, колесо передает ему значительные статические и динамические нагрузки. В результате этого в зонах соприкосновения колес с рельсами возникают большие контакт- ные напряжения. В процессе торможения между колесами и колод- ками создаются большие силы трения, вызывающие нагрев обода, что способствует образованию в нем ряда дефектов. Удары колес на стыках рельсов могут вызвать появление трещин в ободе.

Внаиболее сложных условиях нагружения находится обод ко- леса. Металл обода поэтому должен обладать большой прочно- стью, ударной вязкостью и износостойкостью; металл ступицы и диска — необходимой вязкостью (упругостью). Ободья колес для удовлетворения указанным требованиям подвергают после ме- ханической обработки упрочняющей термической обработке путем прерывистой закалки и отпуска.

Всвязи с различными условиями эксплуатации пассажирских

игрузовых вагонов стандартом (ГОСТ 10791) предусматривает- ся специализация вагонных колес.

Условия эксплуатации пассажирских вагонов характеризуют- ся высокими скоростями движения, частыми и интенсивными торможениями, в результате чего на поверхности катания колес появляются участки с измененной структурой. Поэтому для ко- лес пассажирских вагонов локомотивной тяги и немоторных вагонов электро- и дизель-поездов предусмотрена сталь менее склонная к закалке — сталь марки 1 ГОСТ 10791 с содержанием углерода 0,44-0,52%.

Колеса грузовых вагонов работают в условиях более высоких напряжений в контакте колеса и рельса, поэтому для таких колес применяется сталь марки 2 ГОСТ 10791 с увеличенным содержа- нием углерода до 0,55-0,65%.

Механические свойства стали ободьев колес после упрочняю- щей термической обработки приведены в табл. 2.4.

Таблица 2.4. Механические свойства стали ободьев колес

В процессе изготовления колес на боковой поверхности обо- да с наружной стороны в горячем состоянии наносят специаль- ные знаки и клейма в следующем порядке: год изготовления (две последние цифры); марка стали колеса; номер плавки; условный номер предприятия-изготовителя; порядковый номер колеса по системе нумерации предприятия-изготовителя. При наличии со- держания углерода в стали более 0,63% после марки колеса вы- бивают букву "Г". Между условным номером предприятия-изго- товителя и номером колеса должно быть оставлено место для клейма приемщика.

2.4. СОЕДИНЕНИЕ КОЛЕМ С ОСЬЮ___________________

Формирование вагонных колесных пар. Колесную пару фор-

мируют из оси и колес.

Применяются различные варианты соединения колес с осью:

колеса, неподвижно закрепленные относительно оси; колеса, вращающиеся относительно оси; колеса, имеющие возможность изменять свое положение от-

носительно оси в зависимости от ширины колеи.

Наиболее распространенным в практике вагоностроения яв- ляется вариант неподвижного соединения колес с осью.

Надежность работы колесной пары и безопасность движения поездов во многом зависят от прочности соединения колес с

осью. Колеса, насаженные на ось, удерживаются на ней благода- ря наличию натяга, образующегося вследствие того, что диа- метр отверстия ступицы колеса меньше диаметра подступичной части оси. Колеса с осью можно соединить прессовым или теп- ловым способами. В вагоностроении России и стран СНГ в ка- честве основного способа согласно ГОСТ 4835 принят прессо- вый Колесные пары формируют в колесных цехах вагоно- строительных и вагоноремонтных заводов (ВСЗ и ВРЗ), а также в вагонных колесных мастерских (ВКМ).

Перед запрессовкой элементы колесных пар проверяют и под- бирают по размерам. Запрессовка колес на ось производится на гидравлических прессах.

При п р е с с о в о й п о с а д к е колеса насаживают на ось при нормальной температуре (14-20°). Рациональное усилие за-прессовки колес принимается 383-569 кН (39-58 тс) на каждые 100 мм диаметра подступичной части. При этом натяг составляет 0,10-0,25 мм, а скорость запрессовки — не выше 2 мм/с. Такие величины принимают для того, чтобы обеспечить необходимую прочность соединения и не допустить перенапряжения в ступице колеса и подступичной части оси.

Рассматриваемый способ характеризуется нестабильностью тех- нологического процесса, поэтому в некоторых случаях приходится колеса перепрессовывать. Качество запрессовки при этом способе формирования колесных пар контролируется по индикаторной ди- аграмме (рис 2.10), показывающей изменение усилия запрессовки по длине сопрягаемых поверхностей. Диаграмма записывается на специальной ленте с масштабом по длине 1'2, а по высоте 1 мм диаграммы должен соответствовать не более 25 кН (2,5 тс).

К основным контролируемым параметрам диаграммы запрес- совки относятся (рис. 2.10): величина конечных усилий Р , длина сопряжения L и форма кривой. Величина конечных усилий Рж на диаграмме запрессовки определяется уровнем точки кривой, со- ответствующей концу процесса запрессовки. Длина сопряжения L на диаграмме запрессовки характеризуется размером возрастаю- щей ветви, т.е. расстоянием от начала до точки перехода в гори- зонтальную или наклонную прямую в конце. Форма кривой диаг- раммы при нормальной запрессовке должна быть плавно на- растающей несколько выпуклой вверх. На каждую формируемую колесную пару индикатор вычерчивает две диаграммы — для ле- вого и правого колес. Годные диаграммы хранятся 20 лет.

74

Рис 2 10. Варианты годных диаграмм запрессовки

При тепловой посадке ступица колеса нагревается до определенной температуры, что создает возможность свободно- го надевания колеса на ось. При остывании колесо прочно соеди- няется с осью. Однако отсутствие контроля качества посадки, ус- ложнение снятия колес с оси при расформировании колесных пар и значительно большие затраты энергии на нагрев задерживают применение тепловой посадки до устранения этих недостатков.

Маркирование и клеймение колесных пар. При формировании колесных пар из новых элементов, а также при ремонте со сменой элементов на торце оси с правой стороны наносят соответству-

ющие знаки и клейма (рис. 2.11). Правой стороной колесной пары и оси считается сторона, на торце которой выбиты знаки и клей- ма, относящиеся к изготовлению оси (рис. 2.6).

После опробования ступиц колес на сдвиг на торце оси с пра-

вой стороны колесной пары наносят (рис. 2.12, а) знак опробо- вания на сдвиг 5 (две последовательно поставленные буквы ФФ), условный номер завода или ВКМ 6, дату опробования на сдвиг 7, приемочные клейма МПС 8. Опробование на сдвиг произво- дится при наличии у колесной пары признаков ослабления колес на осях.

Таким образом, на торце правой стороны оси колесной пары наносятся знаки и клейма, относящиеся к изготовлению оси, формированию колесной пары и опробованию на сдвиг.

При монтаже буксовых узлов на предприятиях, которые не производили формирование колесных пар, знаки и клейма о

75

б)

Рис. 2.11. Знаки и клейма, наносимые на торцы осей с правой стороны при формировании колесных пар:

а — для осей типа РУ1; б — для осей типа РУ1Ш; 1 — знак формиро- вания; 2 — клеймо ОТК; 3 — условный номер предприятия, сформи- ровавшего колесную пару, 4 — приемочные клейма МПС; 5 — дата формирования; 6 — клейма, относящиеся к изготовлению оси

Рис. 2.12. Знаки и клейма, наносимые на торцы осей колесных пар:

а — после опробования ступиц колес на сдвиг; б — при постановке ре- дукторно-карданного привода; 1 — знак формирования; 2 , 6 9 — услов- ные номера заводов или ВКМ: 3 — дата формирования (месяц год)- 48 — приемочные клейма МПС; 5 — знак опробования на сдвиг (двебуквыФФУ 10 — дата освидетельствования; 11 — буквы РК и дата установки привода: 12 — номер пункта; 13 — СВК; 14 — дата ревизии

76

производстве монтажа выбиваются на торце оси левой шейки оси (рис. 2.13).

При полном освидетельствовании колесной пары на левом тор-

це оси наносят условный номер завода, вагонного депо или ВКМ 9, дату освидетельствования 10 (рис. 2.12, б). Полное осви- детельствование колесной пары производится при формирова- нии колесных пар и ремонте со сменой элементов, при опробо- вании ступиц колес на сдвиг, при полной ревизии букс, после схода вагона с рельсов, крушений и аварий поездов и др.

Перед постановкой редукторно-карданного привода от торца оси на этом торце наносят клейма 11 (рис. 2.12, б) — буквы РК и дату установки привода (месяц римской цифрой и две после- дние цифры года). При этом клейма на правом торце оси нано- сят в секторе, где имеется номер оси, на левом — в любом из секторов.

Колесные пары, подвергшиеся динамической балансировке, должны иметь клеймо "Б", которое выбивают в холодном состоя- нии на ободе каждого колеса рядом с маркировкой, предусмот- ренной ГОСТ 10791.

а)

Рис. 2.13. Знаки и клейма, наносимые ва торцы осей с левой стороны при монтаже буксовых узлов:

а — для осей типа РУ1; б — для осей типа РУ1Ш; 1 — условный номер предприятия, производившего монтаж буксовых узлов; 2 — знак монта- жа буксовых узлов; 3 — дата монтажа

77

усталостной прочности вагонных осей является комбинирован- ный способ поверхностного упрочнения, сочетающий закалку токами высокой частоты с поверхностным пластичным дефор- мированием путем обкатывания роликами.

Для повышения усталостной прочности диски колес подвер- гают дробеструйному наклепу. Ведутся также работы по созда- нию и внедрению новой конструкции колеса, обладающей повы- шенной усталостной прочностью за счет устранения технологи- ческих перегибов в диске.

Одно из важнейших направлений повышения надежности ва-

гонных колес — улучшение металлургического качества путем внедрения на заводах-изготовителях вакуумирования, внепечной обработки, непрерывной разливки стали, а также применение технологии сплошного неразрушающего контроля внутренних и наружных дефектов. Другое важнейшее направление — повыше-

ние прочностных характеристик ободьев колес. С учетом перспек-

тив повышения осевых нагрузок до 245 кН термообработка обо- дьев должна гарантировать твердость в пределах 360-380 НВ, что обеспечит снижение износа гребней.

Выполненные исследования показали, что добавка в сталь для колес ванадия увеличивает срок их службы на 30%. В настоящее время эта сталь рекомендована к внедрению. Кроме того, разра- ботаны и утверждены технические условия на выпуск колес из стали следующего поколения с карбонитридным упрочнением.

Для грузовых вагонов, имеющих повышенные осевые нагруз- ки от колесной пары на рельсы, ведутся работы по созданию специальных колесных пар. Колесные пары таких вагонов отлича- ются большими диаметрами элементов оси и увеличенной тол- щиной ступицы и диска колес.

Большое место в исследованиях по созданию надежной колес-

ной пары занимает обеспечение прочности посадки колес на ось.

В результате установлены основные контролируемые параметры диаграммы запрессовки: конечные усилия, длина сопряжения и форма кривой.

Улучшение взаимодействия колесных пар с рельсами. Активно ведутся работы по совершенствованию профиля поверхности ка- тания и формы диска, а также по созданию новых конструкций колес.

Совершенствование профиля поверхности катания обеспечива-

ет снижение контактных напряжений, улучшение плавности хода

80

и повышение устойчивости колесной пары на рельсах. Для скоро- стных вагонов, к которым предъявляются повышенные требова- ния по плавности хода, применяется объединенный профиль повер- хности катания (см. рис. 2.9, б). Улучшение плавности хода реа- лизуется за счет введения в профиле дополнительной конусности 1:50, что позволило уменьшить частоту колебаний влияния, осо- бенно существенных при больших скоростях движения. Для гру- зовых вагонов с повышенными осевыми нагрузками особенно эффективен криволинейный профиль поверхности катания (см. рис. 2.9, в), соответствующий приработанному (изношенному) очертанию. Такие профили, кроме уменьшения частоты колеба- ний виляния, обеспечивают также снижение контактных напряже- ний за счет увеличения поверхности контакта колес с рельсами. Увеличение угла наклона гребня по сравнению со стандартным профилем уменьшает вероятность схода вагона с рельсов.

Форма диска оказывает влияние на его упругость, массу и на- пряженное состояние колеса, а также на уровень шума.

Дляулучшениявзаимодействияколеснойпарыипутизасчетсниже- ниясил, обусловленныхнеобрессореннымимассами, улучшенияплав- ности хода вагона и уменьшения шума разработаны конструкции со- ставных упругих колес, которые широко применяются в вагонах метро- политепа. В этом колесе между бандажом (ободом) и колесным цент- ром расположены резиновые вкладыши. Резиновые элементы хорошо гасят колебания высокойчастоты, втомчисле ишумовые колебания.

Уменьшение массы колеса и повышение его упругости дости- гается также изготовлением колесных центров из алюминиевых сплавов или неметаллических материалов.

2.6.ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ НОРМ РАСЧЕТА КОЛЕСНЫХПАРВАГОНОВ__________________________

Колесные пары, обеспечивая безопасность движения, воспри- нимают все нагрузки от вагона и передают их на рельсовый путь. Работая в сложных условиях загружения, они должны обес- печивать высокую надежность в эксплуатации, так как от них во многом зависит надежность вагона и в целом безопасность дви- жения поездов. Поэтому при проектировании к колесным парам Нормами предъявляются особые требования.

81