RU2770044C1

RU2770044C1 - Колесо железнодорожного транспорта

Info

Publication number: RU2770044C1
Application number: RU2021130648A
Authority: RU
Inventors: Алексей Александрович Васильев; Роман Александрович Ильиных; Александр Юрьевич Беспамятных; Виталий Геннадьевич Флатов
Original assignee: Акционерное общество "ЕВРАЗ Нижнетагильский металлургический комбинат"
Priority date: 2021-10-21
Filing date: 2021-10-21
Publication date: 2022-04-14
Also published as: EP4424520A1; WO2023068966A1

Abstract

Центральная осевая линия поперечного профиля диска железнодорожного колеса образована кривой, проходящей через три точки. Первая точка расположена в месте сопряжения диска с ободом. Вторая точка расположена в центральной части диска. Третья точка расположена в месте сопряжения диска со ступицей. Вторая точка дополнительно смещена в направлении обода, а расстояние от этой точки до третьей точки превышает расстояние от этой точки до первой точки. Технический результат - повышение надежности колеса железнодорожного транспорта. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к транспортному машиностроению, в частности к колесам железнодорожных транспортных средств, и может быть использовано в транспортной отрасли промышленности.

Известно колесо железнодорожного транспорта, включающее обод, ступицу и диск, при этом центральная осевая линия поперечного профиля диска образована прямой, проходящей через три точки, при этом первая точка расположена в месте сопряжения диска с ободом, вторая точка расположена в центральной части диска, а третья точка расположена в месте сопряжения диска со ступицей, при этом все три точки расположены на центральной плоскости сечения колеса [RU2589814C1, дата публикации: 10.07.2016 г., МПК: B60B 17/00, B61F 13/00, B21H 1/04].

Недостатком известного технического решения является низкая усталостная прочность, из-за недостаточного гашения напряжений, возникающих по всему колесу в ходе его эксплуатации. Это приводит к риску преждевременной деформации обода колеса и выходу его из строя.

Известно колесо железнодорожного транспорта, включающее обод, ступицу и диск, при этом центральная осевая линия поперечного профиля диска образована кривой, проходящей через три точки, при этом первая точка расположена в месте сопряжения диска с ободом, вторая точка расположена в центральной части диска, а третья точка расположена в месте сопряжения диска со ступицей, при этом вторая точка расположена на центральной плоскости сечения колеса, а первая и третья смещены в противоположные стороны относительно указанной плоскости [RU187467U1, дата публикации: 06.03.2019 г., МПК: B60B 17/00].

Преимуществом известного технического решения являются повышенные показатели прочности, вызванные применением радиального искривления осевой линии поперечного профиля диска, способствующего распределению и гашению нагрузки, приложенной к колесу в процессе его эксплуатации. Такая конструкция позволяет существенно продлить срок службы, как обода колеса в частности, так и всего колеса в целом.

Однако недостатком известного технического решения является высокое напряжение, концентрирующееся в местах примыкания диска к ободу и ступице, передаваемое колесу в процессе эксплуатации, повышающееся вследствие его неравномерного распределения. Это приводит к высокому риску преждевременной деформации обода колеса и выходу его из строя.

В качестве прототипа выбрано колесо железнодорожного транспорта, включающее обод, ступицу и диск, при этом центральная осевая линия поперечного профиля диска образована кривой, проходящей через три точки, при этом первая точка расположена в месте сопряжения диска с ободом, вторая точка расположена в центральной части диска, а третья точка расположена в месте сопряжения диска со ступицей, при этом первая и вторая точка смещены в одну сторону от центральной плоскости сечения колеса, а третья точка смещена в противоположную от центральной плоскости колеса и этих точек сторону [RU2486063C1, дата публикации: 27.06.2013 г., МПК: B60B 17/00, B60B 3/02, B61F 13/00, B21H 1/04].

Преимуществом прототипа являются повышенные показатели прочности, вызванные дополнительным изгибом поперечного профиля диска, способствующим более равномерному распределению и гашению нагрузки, приложенной к колесу в процессе эксплуатации. Такая конструкция за счет более равномерного распределения напряжения, передаваемого колесу в процессе эксплуатации, позволяет существенно снизить риск преждевременной деформации обода колеса и выходу его из строя.

Недостатком прототипа является относительно низкий показатель надежности, в частности, деформационной стойкости колеса железнодорожного транспорта. Несмотря на то, что описанная конструкция колеса предполагает распределение и гашение напряжений, передаваемых ему в процессе эксплуатации, она не обеспечивает наиболее равномерного их распределения по всему колесу, что способствует их кумулятивному сосредоточению в критических местах примыкания диска к ступице или ободу. Это может привести к деформации диска, обода или же других особо важных конструктивных элементов колеса и последующему выходу его из строя. Кроме того, такое повреждение колеса может привести к деформации элементов рельсового пути, что приведет к невозможности их использования в дальнейшем, что в существенной степени ухудшает эксплуатационные характеристики колеса железнодорожного транспорта.

Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в необходимости улучшения эксплуатационных характеристик колеса железнодорожного транспорта.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении надежности колеса железнодорожного транспорта.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Колесо железнодорожного транспорта включает обод, ступицу и диск, при этом центральная осевая линия поперечного профиля диска образована кривой, проходящей через три точки, при этом первая точка расположена в месте сопряжения диска с ободом, вторая точка расположена в центральной части диска, а третья точка расположена в месте сопряжения диска со ступицей, при этом первая и вторая точка смещены в одну сторону от центральной плоскости сечения колеса, а третья точка смещена в противоположную от центральной плоскости колеса и этих точек сторону. В отличие от прототипа вторая точка дополнительно смещена в направлении обода, при этом расстояние от этой точки до третьей точки превышает расстояние от этой точки до первой точки.

Обод колеса железнодорожного транспорта обеспечивает возможность создания поверхности качения колеса. Ступица колеса железнодорожного транспорта имеет отверстие и предназначена для фиксации колеса на оси железнодорожного транспорта.

Диск колеса железнодорожного транспорта содержит внутреннюю и внешнюю поверхности, образованные группами соответствующих друг другу радиальных кривых. При этом, соответствующая выпуклой части внутренней поверхности, часть внешней поверхности выполнена вогнутой или наоборот. При этом, примыкание диска к ступице и примыкание диска к ободу образовано галтелями, поперечные сечения которых представлены радиальными кривыми.

Центральная осевая линия поперечного профиля диска образована кривой, проходящей через три точки, при этом первая точка расположена на осевой линии поперечного сечения диска в месте примыкания диска к ободу, вторая точка расположена на осевой линии поперечного сечения диска в его максимально удаленной от центральной плоскости сечения колеса, а третья точка расположена на осевой линии поперечного сечения диска в месте примыкания диска к ступице. Под центральной плоскостью подразумевается плоскость, проходящая через середину поперечного профиля колеса и перпендикулярная к оси его вращения.

Первая и вторая точка смещены в одну сторону от центральной плоскости сечения колеса, а третья точка в противоположную от нее и этих точек сторону. Это обеспечивает дополнительный изгиб диска, способствующий более равномерному распределению напряжения, прикладываемого к колесу в процессе эксплуатации. В предпочтительном варианте расстояние от первой точки до центральной плоскости сечения колеса меньше соответствующего расстояния от второй точки, что обеспечивает прочность и упругость, необходимые для равномерного распределения напряжения, прикладываемого к колесу в процессе эксплуатации.

При этом для дополнительного повышения равномерности распределения напряжения, прикладываемого к колесу в процессе эксплуатации, расстояние от первой точки до центральной плоскости сечения колеса может составлять от 0,081 до 0,150 ширины обода, расстояние от второй точки до центральной плоскости сечения колеса составляет не более 0,34 ширины обода, а расстояние от третьей точки до центральной плоскости сечения колеса составляет от 0,11 до 0,90 ширины обода.

Вторая точка дополнительно смещена в направлении обода, при этом расстояние от нее до третьей точки превышает расстояние от нее до первой точки. Это обеспечивает наиболее равномерное распределения нагрузок по всему колесу, не допуская их кумулятивного сосредоточения в критических местах примыкания диска к ступице или ободу, тем самым повышая надежность колеса железнодорожного транспорта. При этом, расстояние от первой до второй точки может быть меньше расстояния от третьей до второй точки в 1,1-4 раза, что обеспечивает повышение прочности и упругости, и равномерность распределения напряжения, прикладываемого к колесу в процессе эксплуатации. При этом, в наиболее предпочтительном варианте расстояние от первой до второй точки может быть меньше расстояния от третьей до второй точки в 1,2-3 раза.

Дополнительно, для повышения надежности колеса за счет повышения механической прочности, диск колеса железнодорожного колеса может быть образован внешней и внутренней поверхностями таким образом, что толщина поперечного сечения диска может увеличиваться от первой точки к третьей или только от второй точки к третьей. При этом толщина поперечного сечения диска в третьей точке может быть увеличена посредством изменения геометрии радиальной кривой, описывающей поперечное сечение вогнутой части внешней поверхности диска, находящейся в промежутке между второй и третьей точкой. Это обеспечивается за счет дополнительной радиальной кривой, выполненной на пересечении описанной линии и центральной плоскости сечения колеса.

Изобретение может быть выполнено из известных материалов с помощью известных средств, что свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности «промышленная применимость».

Изобретение характеризуется ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, отличающейся тем, что вторая точка дополнительно смещена в направлении обода, при этом расстояние от этой точки до третьей точки превышает расстояние от этой точки до первой точки, что позволяет повысить деформационную стойкость в критической зоне колеса, а именно в зоне примыкания диска к ступице, снижает риск деформации колеса под действием знакопеременных нагрузок и предполагает равномерное распределение напряжений, передаваемых ему в процессе эксплуатации. За счет этого исключается возможность образования слабых и легко деформируемых зон конструкции и уменьшения перемещения обода в осевом направлении, способствующего лучшему сохранению колесом колеи в процессе торможения и снижается вероятность деформации диска, обода или же других особо важных конструктивных элементов колеса и последующего выхода его из строя.

Благодаря этому обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в повышении надежности колеса железнодорожного транспорта, тем самым улучшаются эксплуатационные характеристики колеса железнодорожного транспорта.

Изобретение обладает ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, что свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности «новизна».

Из уровня техники известно колесо железнодорожного транспорта, центральная осевая линия поперечного сечения диска которого образована прямой и расположена перпендикулярно относительно оси вращения колеса. Также из уровня техники известно колесо железнодорожного транспорта, у которого центральная осевая линия поперечного сечения диска выполнена радиальной. Также из уровня техники известно колесо железнодорожного транспорта, у которого центральная осевая линия поперечного профиля диска образована кривой, проходящей через три точки, расположенные в месте сопряжения диска с ободом, в центральной части диска и в месте сопряжения диска со ступицей.

Однако из уровня техники неизвестно колесо железнодорожного транспорта, у которого вторая точка дополнительно смещена в направлении обода, при этом расстояние от этой точки до третьей точки превышает расстояние от этой точки до первой точки. Также из уровня техники неизвестен технический результат от такого признака, заключающийся в повышении надежности колеса железнодорожного транспорта.

Кроме того, также неизвестен и синергетический эффект от совокупного применения признаков в изобретении и такого смещения точек, характеризующих форму диска, заключающийся в равномерном распределении нагрузок, прилагаемых к колесу в процессе его эксплуатации, что позволяет добиться уменьшения осевого перемещения обода, что не только способствует повышению надежности колеса железнодорожного транспорта, но и способствует лучшему сохранению колесом колеи в процессе торможения. Это обеспечивается за счет того, что дуга, образованная в центральной части диска его боковыми поверхностями, способствует снижению деформирующего воздействия, как на обод, так и на все колесо в целом. К тому же, смещение первой и второй точек в одну сторону и смещение третьей точки в противоположную сторону увеличивает способность колеса принимать и распределять нагрузку, прикладываемую к нему под воздействием силы тяжести, а также нагрузку, дополнительно возникающую при поворотах и торможении.

Дополнительное смещение второй точки в направлении обода позволяет диску лучше воспринимать воздействия на него, в том числе термическое воздействие со стороны колодки при торможении, а более конкретно - более равномерно распределять полученное напряжение по всему корпусу колеса, исключая возможность образования слабых и легко деформируемых зон конструкции, что имеет особое значение в местах наибольшего искривления диска. Это позволит существенно повысить надежность колеса, продлить срок службы и улучшить его прочие эксплуатационные характеристики. В том числе, позволит добиться уменьшения перемещения обода в осевом направлении, что способствует лучшему сохранению колесом колеи в процессе торможения. Образование поверхности диска группами соответствующих друг другу радиальных кривых, а также примыкание диска радиальными кривыми к ободу, обеспечивает форму диска с наиболее плавными изгибами, также способствующую наиболее равномерному распределению и гашению нагрузки, прилагаемой к колесу в процессе эксплуатации. Ввиду этого изобретение соответствует критерию патентоспособности «изобретательский уровень».

Изобретение поясняется следующими фигурами.

Фиг.1 - Колесо железнодорожного транспорта, поперечный разрез.

Для иллюстрации возможности реализации и более полного понимания сути изобретения ниже представлен вариант его осуществления, который может быть любым образом изменен или дополнен, при этом настоящее изобретение ни в коем случае не ограничивается представленным вариантом.

Изобретение работает следующим образом.

Колесо железнодорожного транспорта (Вариант 1) имеет центральную плоскость α, перпендикулярную оси Z вращения колеса включает обод 1, ступицу 2 и диск 3, при этом центральная осевая линия 4 поперечного профиля диска образована кривой, проходящей через точки 5, 6 и 7, при этом точка 5 расположена в месте сопряжения диска 3 с ободом 1, точка 6 расположена в центральной части диска, а точка 7 расположена в месте сопряжения диска 3 со ступицей 2; причем точка 5 и точка 6 смещены от центральной плоскости α в одну сторону на расстояния a₁ и a₂, соответственно, а точка 7 смещена от центральной плоскости α в противоположную сторону на расстояние a₃; при этом точка 6 смещена в направлении обода 1, а расстояние b₁ от нее до точки 5 меньше расстояния b₂ от нее до точки 7.

Колесо железнодорожного транспорта (Вариант 2) выполненное по варианту 1, при этом расстояние b₁ от точки 5 до точки 6 меньше расстояния b₂ от точки 7 до точки 6 в 1,1 раза.

Колесо железнодорожного транспорта (Вариант 3) выполненное по варианту 1, при этом расстояние b₁ от точки 5 до точки 6 меньше расстояния b₂ от точки 7 до точки 6 в 4 раза.

Колесо железнодорожного транспорта (Вариант 4) выполненное по варианту 1, при этом расстояние b₁ от точки 5 до точки 6 меньше расстояния b₂ от точки 7 до точки 6 в 1,2 раза.

Колесо железнодорожного транспорта (Вариант 5) выполненное по варианту 1, при этом расстояние b₁ от точки 5 до точки 6 меньше расстояния b₂ от точки 7 до точки 6 в 3 раза;

Колесо железнодорожного транспорта (Вариант 6) выполненное по любому из вариантов 1-4, при этом поверхность диска с внешней стороны дополнительно содержит радиусную кривую R₅, радиус которой составляет 0,10 диаметра круга катания;

Колесо железнодорожного транспорта (Вариант 7) выполненное по любому из вариантов 1-5, при этом отношение толщины t₁ диска 3 в точке 5 к толщине t₃ диска 3 в точке 7 составляет 1, а отношение толщины t₂ диска 3 в точке 6 к толщине t₃ диска 3 в точке 7 составляет 0,8;

Колесо железнодорожного транспорта (Вариант 8), выполненное по любому из вариантов, при этом поверхность диска с внутренней стороны составлена радиусными кривыми R₆, радиус которой составляет 0,079 диаметра круга катания, R₈, радиус которой составляет 0,059 диаметра круга катания, R₉, радиус которой составляет 0,1 диаметра круга катания и R₇, радиус которой составляет 0,15 диаметра круга катания, а поверхность диска с внешней стороны составлена радиусными кривыми R₁, радиус которой составляет 0,039 диаметра круга катания, R₃, радиус которой составляет 0,079 диаметра круга катания, R₄, радиус которой составляет 0,12 диаметра круга катания, R₅, радиус которой составляет 0,15 диаметра круга катания и R₂, радиус которой составляет 0,05 диаметра круга катания; при этом отношение толщины t₁ диска 3 в точке 5 к толщине t₃ диска 3 в точке 7 составляет от 1,1, а отношение толщины t₂ диска 3 в точке 6 к толщине t₃ диска 3 в точке 7 составляет от 0,9; при этом расстояние a₁ от точки 5 до центральной плоскости α составляет 0,15 ширины обода 1, расстояние a₂ от точки 6 до центральной плоскости α составляет 0,34 ширины обода 1, а расстояние a₃ от точки 7 до центральной плоскости α составляет 0,90 ширины обода 1.

Выбор оптимальной формы диска колеса согласно изобретению, осуществлен с использованием конечно-элементного моделирования различных вариантов конструкций по методике, описанной в стандарте EN 13979-1:2003+А2:2011, которая позволяет определять напряженно-деформированное состояние колеса от действия механических нагрузок, наиболее критичных при эксплуатации, а также размах напряжений, являющийся критерием усталостной прочности.

В соответствии с EN 13979-1:2003+А2:2011 произведено исследование напряженного состояния цельнокатаных колес конструкции прототипа и предложенных конструкций.

Для всех конструкций с целью оценки напряженного состояния были рассчитаны эквивалентные напряжения по Мизесу, в частности для наихудшего случая нагружения при эксплуатации, соответствующем движению колесной пары по кривому участку пути, когда на гребень одного из колес действует горизонтальная боковая сила, а на обод - вертикальная, смещенная в сторону гребня. Также были замерены: размах напряжений (Δσ, МПа) в расчете для осевой нагрузки 25 тс и боковая деформация обода нового и изношенного колеса в процессе торможения (Δy, мм).

Пример	Параметры
Пример	Экв. напряжения, МПа	Δσ, МПа	Новое, Δy, мм	Изношенное, Δy, мм
Прототип	270,3	315,3	+1,76	+1,31
1	224,4	293,3	+1,38	+0,97
2	235,6	298,4	+1,35	+0,99
3	220,1	294,5	+1,34	+0,97
4	233,5	297,3	+1,31	+0,98
5	222,8	295,6	+1,28	+0,95
6	215,4	291,7	+1,27	+0,96
7	214,1	290,0	+1,29	+0,98
8	212,3	286,9	+1,29	+0,96

По результатам проведенных, согласно требованиям EN 13979-1:2003+А2:2011 исследований конструкция железнодорожного колеса по всем предложенным вариантам изобретения имеет лучшие в сравнении с аналогичными по назначению конструкциями колес характеристики прочности диска, наряду с обеспечением меньшего напряжения от термического воздействия, возникающего при торможении тормозными колодками.

Кроме того, выбор оптимальной формы диска колеса способен обеспечить высокие эксплуатационные характеристики железнодорожного колеса, в том числе низконапряженное состояние колеса от действия эксплуатационных нагрузок; высокую степень усталостной прочности, характеризующуюся минимальным размахом напряжений среди всех известных аналогов;

Также преимуществом является увеличение прочности диска в приступичной части за счет локального утолщения диска в критическом месте сопряжения диска со ступицей, что положительно сказывается на безопасности при эксплуатации подвижного состава.

Таким образом обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в повышении надежности колеса железнодорожного транспорта, тем самым улучшаются эксплуатационные характеристики колеса железнодорожного транспорта.

Claims

1. Колесо железнодорожного транспорта, включающее обод, ступицу и диск, при этом центральная осевая линия поперечного профиля диска образована кривой, проходящей через три точки, при этом первая точка расположена в месте сопряжения диска с ободом, вторая точка расположена в центральной части диска, а третья точка расположена в месте сопряжения диска со ступицей, при этом первая и вторая точка смещены в одну сторону от центральной плоскости сечения колеса, а третья точка смещена в противоположную от центральной плоскости колеса и этих точек сторону, отличающееся тем, что вторая точка дополнительно смещена в направлении обода, при этом расстояние от этой точки до третьей точки превышает расстояние от этой точки до первой точки.

2. Колесо по п.1, отличающееся тем, что расстояние от первой до второй точки меньше расстояния от третьей до второй точки в 1,1-4 раза.

3. Колесо по п.3, отличающееся тем, что расстояние от первой до второй точки меньше расстояния от третьей до второй точки в 1,2-3 раза.

4. Колесо по п.1, отличающееся тем, что расстояние от первой точки до центральной плоскости сечения колеса составляет от 0,081 до 0,150 ширины обода, расстояние от второй точки до центральной плоскости сечения колеса составляет не более 0,34 ширины обода, а расстояние от третьей точки до центральной плоскости сечения колеса составляет от 0,11 до 0,90 ширины обода.

5. Колесо по п.1, отличающееся тем, что толщина поперечного сечения диска увеличивается от первой точки к третьей точки или только от второй точки к третьей.

6. Колесо по п.5, отличающееся тем, что толщина поперечного сечения диска в третьей точке увеличена посредством изменения геометрии радиальной кривой, описывающей поперечное сечение вогнутой части внешней поверхности диска, находящейся в промежутке между второй и третьей точкой за счет дополнительной радиальной кривой, выполненной на пересечении описанной линии и центральной плоскости сечения колеса.