CZ308546B6 - Náprava pro kolejová vozidla - Google Patents

Abstract

Náprava pro kolejová vozidla, zejména železniční je vyrobená z tepelně zpracovaného materiálu. Povrch nápravy (1) je ve všech válcových částech (2a) i přechodových částech (2b) po celé délce (L) povrchu nápravy (1) tvořen zpevněnou indukčně zakalenou vrstvou (2) s rovnoměrnou hloubkou od povrchu nápravy (1). Na indukčně zakalenou vrstvu (2) navazuje přechodová vrstva (3) s postupně klesajícím gradientem zpevnění.

Description

Náprava pro kolejová vozidla

Oblast techniky

Vynález se týká provedení tepelně zpracované nápravy pro všechny typy kolejových vozidel, vyrobené z jakékoliv oceli vhodné pro zušlechťování.

Dosavadní stav techniky

Při jízdě kolejového vozidla dochází vlivem dynamických účinků k cyklickému zatěžování náprav, které při obvyklé životnosti okolo dvaceti let představuje s ohledem na počet najetých kilometrů dvojkolí stovky nebo i tisíce miliónů zátěžných cyklů v případě souprav pro vysokorychlostní přepravu.

Při takto vysokocyklickém namáhání náprav je snaha používat konstrukce navrhované s vyšším koeficientem bezpečnosti a dále s lepšími materiály tepelně zušlechtěnými kalením. I přesto jsou životnosti náprav snižovány a omezovány následkem povrchové koroze z titulu poškození nátěru v provozu, mechanickými defekty a poškozeními na nechráněných částech náprav, dále následkem třecí koroze v lisovaných spojích, ale rovněž vlivem poškození při demontáži lisovaných dílů na nápravě kvůli opravě nebo výměně opotřebených dílů za nové.

Dosud se ke zvyšování životnosti a spolehlivosti náprav používají různé metody inovací. Základní inovace představuje vývoj a optimalizaci samotného materiálu náprav, to je oceli a jejího chemického složení včetně následného tepelného zpracování, které dávají materiálu konečné vlastnosti v oblasti mechanických hodnot a struktury materiálu. Takto optimalizované materiály náprav a technologie jejich výroby a finálního tepelného zpracování však reálně přinášejí zlepšení požadovaných vlastností v řádech několika procent.

Jako další ochrana volného povrchu dříku nápravy slouží rovněž takové řešení umožňující používat speciální ochranné kryty, fólie a různě vrstvené materiály, které slouží jako dodatečná ochrana nechráněného volného povrchu dříku nápravy, což je příklad uvedený v EP 1690701.

Další metodou pro zlepšení požadovaných vlastností náprav je použití speciálních kovových i nekovových vrstev, které se na exponované části náprav nanášejí za pomocí různých technologií. Nej starší metodou je v tomto směru žárový nástřik vrstvy molybdenu na sedlech náprav, dnes definovaný například německou normou BN 918260. Příkladem takového řešení jsou dále nástřiky vrstvy materiálu na bázi Ni, Ni Cr, Ni Br. Tyto vrstvy jsou nanášeny v tloušťkách desetin milimetrů, většinou pak 0,5 až 1 mm, následně jsou finálně obráběny s konečnou tloušťkou v rozmezí od 0,1 do 0,3 mm. Tato metoda se však s ohledem na drahé materiály a technologie jejich nanášení včetně finálního obrábění využívá pouze na vybrané a nejvíce exponované části náprav jako jsou sedla pro kola, čepy pro ložiska nebo sedla pro montáž hnací převodovky.

Poslední metodou zlepšování životnosti a spolehlivosti náprav je indukční kalení známé zejména z náprav rychlovlaků Shinkansen. Jedná se o řešení známé z patentů FR 2018372 nebo JP 3329263, které je však uplatňováno pro konkrétní chemické složení použitého materiálu na bázi ocelí používaných především na japonské železnici. Nevýhodou těchto řešení je jejich použití pouze na vybrané materiály, ale hlavně se jedná vždy o řešení aplikované jen na nejvíce namáhaných částech náprav, to je na sedlech náprav, kde jsou nalisovaná pojezdová kola.

- 1 CZ 308546 B6

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky odstraňuje řešení nápravy pro kolejová vozidla, vyrobené z tepelně zpracovaného materiálu, jehož podstata spočívá vtom, že povrch nápravy je ve všech válcových částech i přechodových částech po celé délce povrchu nápravy tvořen zpevněnou indukčně zakalenou vrstvou s rovnoměrnou hloubkou od povrchu nápravy a na indukčně zakalenou vrstvu navazuje přechodová vrstva s postupně klesajícím gradientem zpevnění a zvýšených mechanických hodnot.

Jako výhodné je provedení, pokud přechodová vrstva má hloubku rovnu nejméně l,5násobku hloubky indukčně zakalené vrstvy.

Výhoda tohoto provedení nápravy je, že po celé délce nápravy je vyrobena určitá rovnoměrná tloušťka materiálu s vysokou mezí pevnosti a tvrdosti dosahující 1,5 až 2,5násobku tvrdosti materiálu dosažené po základním tepelném zpracování, jaké mají například popisující normy na výrobu železničních náprav.

Správnou volbou technologie a optimalizací parametrů indukčního kalení, jakož i konstrukcí samostatného zařízení, bylo dosaženo rovnoměrné tloušťky dostatečně zušlechtěné vrstvy v celé délce nápravy bez značných rozdílů, především mezi válcovými částmi a přechodovými částmi. Tímto je omezeno místo vytvoření takzvaných materiálových vrubů, které jsou nebezpečné a v jejichž místech se naopak životnost, respektive únavová pevnost, nemusí zvýšit nebo dokonce se může snížit. Popisované řešení tak zabezpečí dosažení dokonalých vysokých mechanických hodnot materiálu včetně únavy na povrchu i v hloubce do cca 6 mm pod povrchem v celé délce nápravy s pozvolným gradientem těchto vlastností v hloubce dalších 10 mm, kde dochází k postupnému přechodu až na úroveň parametrů a vlastností základního materiálu, respektive materiálu ve výchozím stavu po základním tepelném zpracování s mechanickými vlastnostmi popsanými příslušnými normami pro výrobu náprav jako je především evropská norma EN 13261 nebo americká norma AAR M101 a v nich definované různé jakosti oceli včetně jejich chemického složení.

Další výhodou takového řešení s indukčně zakalenou rovnoměrnou vrstvou po celé délce nápravy je vysoce homogenní pole zbytkových tlakových napětí, které na povrchu i po finálním obrábění do stavu montáže nápravy představují úroveň až 900 MPa. Spolu s vysokou pevností materiálu po indukčním zakalení je znemožněn rozvoj jakýchkoliv defektů nebo inicializačních trhlin v jakémkoli místě nápravy.

Poslední výhodou je, že takto vyrobené nápravy nepotřebují pro vysoké rychlosti nad 200 km/hodinu, definované například zmiňovanou normu EN 13261, používání silnovrstvých nátěrů tloušťky několik milimetrů na dříku nápravy jako prevence proti impaktním úderům balastu z kolejového pásu v místech volného nechráněného povrchu nápravy a rovněž takové řešení umožňuje nepoužívat speciální ochranné kryty, fólie a různě vrstvené materiály, které sloužily jako dodatečná ochrana nechráněného volného povrchu dříku nápravy.

Objasnění výkresů

Na obr. 1 a 2 je znázorněno provedení nápravy s indukčně zakalenou vrstvou po celé délce povrchu nápravy kolejových vozidel.

- 2 CZ 308546 B6

Příklady uskutečnění vynálezu

Příklad 1

Příkladné provedení běžné nápravy s indukčně zakalenou vrstvou po celé délce povrchu nápravy kolejových vozidel podle obr. 1 sestává z povrchu nápravy 1, indukčně zakalené vrstvy 2 a přechodové vrstvy 3, vše po celé délce L povrchu nápravy 1. Indukčně zakalená vrstva 2 je ve všech válcových částech 2a v oblasti sedla, dříku, čepu a sedla těsnicího kroužku a v přechodových částech 2b. Na ní navazuje přechodová vrstva 3 s postupně klesajícím gradientem zpevnění. Indukčně zakalená vrstva 2 má po celé délce L povrchu ochrany rovnoměrnou hloubku. Přechodová vrstva 3 má hloubku rovnou nejméně l,5násobku hloubky indukčně zakalené vrstvy 2.

Příklad 2

Příkladné provedení běžné nápravy s indukčně zakalenou vrstvou po celé délce povrchu nápravy kolejových vozidel podle obr. 2 sestává z povrchu nápravy 1, indukčně zakalené vrstvy 2 a přechodové vrstvy 3, vše po celé délce L povrchu nápravy 1. Indukčně zakalená vrstva 2 je ve všech válcových částech 2a v oblasti sedla, dříku, čepu a sedla těsnicího kroužku, přechodových částech 2b a v kompletní zóně 2c pro montáž hnací převodovky. Na ní navazuje přechodová vrstva 3 s postupně klesajícím gradientem zpevnění. Indukčně zakalená vrstva 2 má po celé délce L povrchu ochrany rovnoměrnou hloubku. Přechodová vrstva 3 má hloubku rovnou nejméně l,5násobku hloubky indukčně zakalené vrstvy 2.

Průmyslová využitelnost

Uvedené řešení indukčně zakalené vrstvy v celé své délce a všech částech je určeno pro všechny typy kolejových vozidel, zvláště pak pro kolejová vozidla s vysokým namáháním a velkým ročním proběhem představujícím milióny zátěžových cyklů u vysokorychlostních vozů.

Claims (2)

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Náprava pro kolejová vozidla, zejména železniční, vyrobená z tepelně zpracovaného 5 materiálu, vyznačující se tím, že povrch nápravy (1) je ve všech válcových částech (2a) i přechodových částech (2b) po celé délce (L) povrchu nápravy (1) tvořen zpevněnou indukčně zakalenou vrstvou (2) s rovnoměrnou hloubkou od povrchu nápravy (1) a na indukčně zakalenou vrstvu (2) navazuje přechodová vrstva (3) s postupně klesajícím gradientem zpevnění.

ίο

2. Náprava pro kolejová vozidla podle nároku 1, vyznačující se tím, že přechodová vrstva (3) má hloubku rovnou nejméně l,5násobku hloubky indukčně zakalené vrstvy (2).