UA78956C2 - Solid-rolled railroad wheel - Google Patents

Description

Опис винаходу

Винахід відноситься до області виробництва дискових коліс залізничних транспортних засобів з диском, 9 виконаним як одне ціле із ободом, і що мають рейкозачіпні елементи.

Останнім часом відбувається суттєва зміна умов експлуатації рухомого складу залізничних доріг, що обумовлена зростанням швидкостей руху і збільшенням навантажень до 30 тонн на вісь.

У процесі експлуатації на суцільнокатане залізничне колесо оказує вплив широкий спектр як зовнішніх навантажень з боку колії та елементів рухомого складу, гак і температурних напружень, що виникають у колесі в 710 процесі гальмування. Фактичні напруження, що виникають внаслідок цього, багато в чому визначають стійкість коліс до пошкоджень і, зрештою, його ресурс.

Одним із найважливіших факторів, що впливає на термін служби суцільнокатаного залізничного колеса, є значення сумарних внутрішніх напружень, які виникають при його експлуатації, а також характер розподілу напружень по об'єму колеса. 19 Виникнення в суцільнокатаному залізничному колесі значних по величині сумарних напружень обумовлене сумісною дією на нього як нормальних статичних і знакозмінних динамічних навантажень, що діють в радіальному й осьовому напрямах, так і температурних напружень, спричинених тертям гальмових колодок об обод колеса в процесі гальмування рухомого складу.

У разі, коли значення сумарних напружень близькі або тривалий час перевищують границю витривалості 20 матеріалу, з якого виготовлено колесо, в ньому відбувається утворення утомних тріщин, що в свою чергу призводять до передчасного руйнування колеса.

За несприятливих умов навантаження в колесі спостерігається концентрація напружень від діючих зовнішніх навантажень і температурного впливу. У цьому випадку сумарне значення внутрішніх напружень може перевищувати границю текучості матеріалу, з якого виготовлено суцільнокатане залізничне колесо, що є с 25 причиною виникнення в колесі залишкових деформацій, які призводять до зміни його експлуатаційних Ге) властивостей, що також веде до скорочення терміну його експлуатації.

Досвід експлуатації суцільнокатаних залізничних коліс показує, що більшість випадків виходу коліс з ладу внаслідок руйнування диска пов'язана з виникненням значних втомних напружень, при цьому руйнування, як правило, відбувається в місці сполучення диска з ободом. о 30 Традиційним шляхом зниження сумарних внутрішніх напружень і їх оптимального розподілу в колесі є вибір ю раціональної конструкції диска суцільнокатаного залізничного колеса і взаємного розташування його конструктивних елементів. о

З рівня техніки відоме суцільнокатане залізничне колесо, що містить обод, маточину і диск, утворений с внутрішньою та зовнішньою поверхнями КО 2085403 С1 (Всеросійський науково-дослідний інститут залізничного 3о транспорту), 27.07.1997). в

У відомому суцільнокатаному залізничному колесі внутрішня та зовнішня поверхні, що утворюють диск колеса, виконані прямолінійними та розташованими під кутом до осі колеса, який дорівнює 71-759,

Недоліками відомого колеса є нерівномірний розподіл сумарних внутрішніх напружень по об'єму колеса та « значне осьове переміщення ободу колеса відносно маточини, що, зрештою, призводить до скорочення терміну З служби колеса. Ці недоліки обумовлені високими значеннями внутрішніх напружень на внутрішній поверхні диска с в місці його сполучення з ободом, що спричинені дією зовнішніх навантажень, та високими значеннями "з внутрішніх напружень на зовнішній поверхні диска в місці його сполучення зі маточиною, що у свою чергу спричинено сумісною дією значних температурних напружень, які викликані тертям гальмових колодок об обод колеса в процесі гальмування, та бічними навантаженнями на гребінь колеса при проходженні рухомим складом кривих ділянок залізничної колії. - З рівня техніки відоме суцільнокатане залізничне колесо, що містить обод, маточину і диск, утворений (ее) внутрішньою й зовнішньою криволінійними поверхнями (ЗО 1139647 А17 (ФЕБ Радзатцфабрік Ілзенбург), 15.02.1985). ї-о У відомому колесі центральна лінія радіального перерізу диска в місці його сполучення з ободом збігається с 20 в осьовому напрямі із центральною лінією радіального перерізу диска в місці його сполучення з маточиною.

Таке виконання суцільнокатаного залізничного колеса дозволяє знизити значення напружень в місці

Фо сполучення диска колеса з ободом у порівнянні з попередньою конструкцією.

Недоліками відомого колеса є нерівномірний розподіл сумарних внутрішніх напружень по об'єму колеса та велике значення осьового зміщення ободу колеса відносно маточини, що у свою чергу призводить до зменшення 99 терміну служби колеса. Ці недоліки обумовлені високими значеннями внутрішніх напружень на внутрішній

ГФ) поверхні в центральній частині диска колеса, спричинених дією зовнішніх навантажень, а також значними юю температурними напруженнями, спричиненими тертям гальмових колодок об обод колеса в процесі гальмування.

З рівня техніки відомо найбільш близьке по сукупності суттєвих ознак і технічному результату, що 60 досягається, суцільнокатане залізничне колесо, що містить обод, маточину і диск, утворений внутрішньою і зовнішньою криволінійними поверхнями, виконаний таким чином, що центральна лінія радіального перерізу диска в місці його сполучення з ободом зміщена в осі колеса відносно центральної лінії радіального перерізу диска в місці його сполучення з маточиною у бік зовнішньої криволінійної поверхні |КО 2259279 СІ (Відкрите акціонерне товариство "Виксунський металургійний завод"), 27.08.2005. бо У відомому колесі зміщення центральної лінії радіального перерізу диска в місці його сполучення з ободом відносно центральної лінії осьового перерізу диска в місці його сполучення з маточиною знаходиться в інтервалі від 10 до 25мм.

Таке виконання суцільнокатаного залізничного колеса дозволяє знизити значення напружень на внутрішній поверхні в центральній частині диска, а також знизити значення осьового зміщення ободу колеса при нагріві в процесі гальмування або при проходженні рухомим складом кривих ділянок залізничної колії в порівнянні з попередньою конструкцією.

Недоліком відомого колеса є нерівномірний розподіл сумарних внутрішніх напружень по об'єму колеса. Цей недолік обумовлено більшим значенням вигину центральної частини диска колеса, що, в свою чергу, спричиняє /о значні температурні напруження на внутрішній поверхні в центральній частині диска колеса, що створює передумови для розвитку втомних тріщин і що в свою чергу призводить до зменшення терміну служби колеса.

В основу винаходу, що заявляється, поставлена задача створення такої конструкції суцільнокатаного залізничного колеса, використання якої дозволило б знизити значення сумарних внутрішніх напружень за рахунок їх оптимального розподілу по об'єму колеса й, тим самим, збільшити термін його служби.

Поставлена задача вирішується тим, що в суцільнокатаному залізничному колесі, що містить обод і маточину, що з'єднані криволінійними перехідними ділянками з диском, який утворений зовнішньою і внутрішньою криволінійними поверхнями, виконаними таким чином, що зовнішня криволінійна поверхня диска з боку ободу утворена першою зовнішньою радіусною кривою, з боку маточини другою зовнішньою радіусною кривою з кривизною, співпадаючою по напряму з кривизною першої зовнішньої радіусної кривої, і сполучених між собою 2о Третьою зовнішньою радіусною кривою з кривизною, протилежною по напряму кривизні першої зовнішньої і другої зовнішньої радіусних кривих, а внутрішня криволінійна поверхня диска з боку ободу утворена першою внутрішньою радіусною кривою, з боку маточини другої внутрішньою радіусною кривою з кривизною, співпадаючою по напряму з кривизною першої внутрішньої радіусної кривої, і сполучених між собою третьою внутрішньою радіусною кривою з кривизною, протилежною по напряму кривизні першої внутрішньої і другої сч г Внутрішньої радіусних кривих, згідно винаходу, для зовнішньої криволінійної поверхні радіус першої зовнішньої радіусної кривої дорівнює 0.09-0.14 діаметру круга катання колеса, радіус другої зовнішньої радіусної кривої і) дорівнює 0.1-0.15 діаметру круга катання колеса, радіус третьої зовнішньої кривої дорівнює 0.12-0.18 діаметру круга катання колеса, а для внутрішньої криволінійної поверхні радіус першої внутрішньої радіусної кривої дорівнює 0.12-0.18 діаметру круга катання колеса, радіус другої внутрішньої радіусної кривої дорівнює Ге зо 9.1-0.15 діаметру круга катання колеса, радіус третьої внутрішньої радіусної кривої дорівнює 0.12-0.17 діаметру круга катання колеса. юю

Виконання диска суцільнокатаного залізничного колеса таким чином, що для зовнішньої криволінійної Ге! поверхні радіус першої зовнішньої радіусної кривої дорівнює 0.09-0.14 діаметру круга катання колеса, радіус другої зовнішньої радіусної кривої дорівнює 0.1-0.15 діаметру круга катання колеса, радіус третьої зовнішньої со кривої дорівнює 0.12-0.18 діаметру круга катання колеса, а для внутрішньої криволінійної поверхні радіус ї- першої внутрішньої радіусної кривої дорівнює 0.12-0.18 діаметру круга катання колеса, радіус другої внутрішньої радіусної кривої дорівнює 0.1-0.15 діаметру круга катання колеса, радіус третьої внутрішньої радіусної кривої дорівнює 0.12-0.17 діаметру круга катання колеса є оптимальним, оскільки забезпечує зниження значень напружень від дії зовнішніх навантажень в місцях сполучення диска з маточиною й ободом, що « призводить, зрештою, до рівномірного розподілу напружень в колесі і зниженню їх сумарних значень. з с Збільшення радіусів першої зовнішньої і першої внутрішньої радіусних кривих з боку ободу призводить до . необхідності збільшення радіусу сполучених з ними третьої зовнішньої і третьої внутрішньої радіусних кривих, и?» що, в свою чергу, веде до збільшення радіусів другої зовнішньої і другої внутрішньою радіусних кривих з боку маточини. Інакше, якщо не відбуватиметься зміни радіусів сполучених радіусних кривих, це призводить до зміни розташування основних конструктивних елементів колеса відносно один одного. -І Таке виконання суцільнокатаного залізничного колеса призводить до наближення форми диску колеса до вертикальної прямолінійної форми, що, в свою чергу, призводить до зменшення жорсткості колеса в осьовому со напрямі і збільшує значення сумарних внутрішніх напружень в диску колеса від дії бічних навантажень.

Ге) У свою чергу, зменшення радіусів першої зовнішньої та першої внутрішньої радіусних кривих з боку ободу 5р призводить до необхідності зменшенню радіусів сполучених з ними третьої зовнішньої і третьої внутрішньої о радіусних кривих, що, в свою Чергу, веде до необхідності зменшення радіусів другої зовнішньої і другої

Ф внутрішньої радіусних кривих з боку маточини.

Таке виконання суцільнокатаного залізничного колеса призводить до збільшення згину колеса у центральній частині його диска, що, у свою чергу, призводить до збільшення значень сумарних внутрішніх напружень на внутрішній поверхні диска колеса, спричинених дією на колесо бічних навантажень, і їх концентрації в місці найбільшого вигину диска. (Ф, Сукупність ознак, що заявляється, у цілому дозволяє знизити вплив сумарних внутрішніх напружень в колесі, ка що знижує ймовірність появи втомних тріщин у найбільш навантажених зонах суцільнокатаного залізничного колеса, що у свою Чергу, дозволяє підвищити експлуатаційну стійкість і надійність конструкції й, тим самим, бор дозволяє збільшити термін служби колеса.

Надалі винахід пояснюється докладним описом його виконання з посиланнями на креслення, на яких зображено: на фіг. 1 - поперечний розріз суцільнокатаного залізничного колеса; на фіг.2 - поперечний розріз суцільнокатаного залізничного колеса (схема розташування радіусних кривих). 65 Суцільнокатане залізничне колесо 1 (фіг 1-2) містить обод 2 (фіг. 1) і маточину З, які з'єднані криволінійними перехідними ділянками 4 з диском 5, який утворений зовнішньою б і внутрішньою 7 криволінійними поверхнями. Зовнішня 6 та внутрішня 7 криволінійні поверхні виконано таким чином, що зовнішня криволінійна поверхня 6 диска 5 з боку ободу 2 утворена першою зовнішньою радіусною кривою КІ (фіг. 2), з боку маточини З (фіг.1) другою зовнішньою радіусною кривою КЗ (фіг. 2) з кривизною, співпадаючою по напряму

З кривизною першої зовнішньої радіусної кривої КІ, і сполучених між собою третьою зовнішньою радіусною кривою КЗ з кривизною, протилежною по напряму кривизні першої зовнішньої КІ і другої зовнішньої К2 радіусних кривих. Внутрішня криволінійна поверхня 7 (фіг. 1) диска 5 з боку ободу 2 утворена першою внутрішньою радіусною кривою КА (фіг.2), з боку маточини З (фіг.1) другої внутрішньою радіусною кривою К5 (фіг.2) з кривизною, співпадаючою по напряму з кривизною першої внутрішньої радіусної кривої К4, і сполучених /0 Між собою третьою внутрішньою радіусною кривою Кб з кривизною, протилежною по напряму кривизні першої внутрішньої К4 і другої внутрішньої КО радіусних кривих. Для зовнішньої криволінійної поверхні б (фіг.1) радіус першої зовнішньої радіусної кривої К1 (фіг.2) дорівнює 0.09-0.14 діаметру круга катання колеса 1, радіус другої зовнішньої радіусної кривої К2 дорівнює 0.1 - 0.15 діаметру круга катання колеса 1, радіус третьої зовнішньої кривої КЗ дорівнює 0.12-0.18 діаметру круга катання колеса 1. Для внутрішньої криволінійної поверхні 7 (фіг.1) радіус першої внутрішньої радіусної кривої К4 (фіг.2) дорівнює 0.12-0.18 діаметру круга катання колеса 1, радіус другої внутрішньої радіусної К5 кривої дорівнює 0.1-0.15 діаметру круга катання колеса 1, радіус третьої внутрішньої радіусної кривої Кб дорівнює 0.12-0.17 діаметру круга катання колеса 1.

Центральна лінія 8 (фіг. 1) радіального перерізу диска 5 в місці його сполучення з маточиною З зміщена відносно її середини на відстань 5, що дорівнює З5 - 55мМм.

Перехідна ділянка 4 у місці сполучення зовнішньої криволінійної поверхні 6 диска 5 з маточиною 3 колеса 1 виконане радіусом К7, рівним 0,3 - 0,9 радіусу К8 у місці сполучення внутрішньої криволінійної поверхні 7 диска 5 з маточиною 2 з внутрішньої сторони (К7 - (0,3 - 0,9) КВ).

Висота 01 маточини З з внутрішньої сторони колеса 1 виконана рівній 0,5 - 0,9 висоті 52 маточини З із сч ов Зовнішньої сторони колеса (Б1 - (0,5 - 0,9) 2).

Діаметр куга катання суцільнокатаного залізничного колеса переважно дорівнює 920-1020 мм. і)

Робота суцільнокатаного залізничного колеса 1, що заявляється, здійснюється таким чином.

При коченні колеса 1 по рейці (на кресленні не позначена) навантаження від вертикальної сили, що діє в площині круга катання, передається через обод 2 на диск 5 і на маточину 3. При цьому із-за кінематичних Ге

Зо Коливань і, особливо, при русі рухомого складу по кривих ділянках залізничної колії, виникає навантаження від бічного тиску гребеня 9 ободу 2 колеса 1 на рейку, яке також передається на диск 5 колеса 1. о

Максимальні значення динамічних навантажень, які сприймає колесо рухомого складу з навантаженням на б вісь до 30 тонн у процесі експлуатації, у два рази вище значення максимального статичного навантаження й, як правило, не перевищують ЗО0КН для вертикального навантаження та 147кН для бічного навантаження. При со

З5 Цьому, максимальне значення сумарних внутрішніх напружень в колесі від дії прикладених до нього навантажень ї- не повинне перевищувати границі текучості матеріалу, з якого виготовлено суцільнокатане залізничне колесо, яке дорівнює 800МПа.

У конструкції суцільнокатаного залізничного колеса 1, що заявляється, виділяються три на більш напружені зони, а саме: перехідні ділянки 4 у місці сполучення диска 5 з ободом 2 та у місці сполучення диска 5 з « маточиною 3, а також середина диска 5, у точці 10 найбільшого значення його вигину. з с Вертикальне навантаження переважно спричиняє виникнення в колесі стискаючі напруження, які досягають максимального значення в місці сполучення диска 5 з ободом 2 та в точці 10 найбільшого вигину внутрішньої ;» поверхні 7 диска 5. При цьому значення напружень у вказаних місцях не перевищують 100МПа, що значно менше значення, що допускається (тобто - В00МПа).

У той же час, бічне навантаження, що виникає при проходженні рухомим складом криволінійних ділянок -І залізничної колії, у поєднанні з вертикальним навантаженням, викликає в диску 5 колеса 1 згинаючий момент, що зростає від ободу 2 до маточини З колеса 1. со Унаслідок сумісної дії вертикального і бічного навантаження найбільш напруженою ділянкою колеса 1 є місце

Ге) сполучення диска 5 з маточиною 3, при цьому із зовнішньої сторони диска 5 виникають розтягуючи напруження, аз внутрішньої сторони диска - стискаючі напруження. о У цьому випадку значення максимальних напружень не перевищують 400МПа.

Ф Окрім цього, у процесі тривалого гальмування рухомого складу в колесі виникають значні теплові напруження, які спричинені інтенсивним виділенням тепла при контакті гальмових колодок з ободом 2 колеса 1.

У цьому випадку, за відсутності прикладених до колеса зовнішніх навантажень, найбільші значення дв напружень виникають у точці 10 найбільшого вигину внутрішньої поверхні 7 диска 5 й на зовнішньої поверхні 6 в місці сполучення диска 5 з маточиною 3. які не перевищують 560МПа, що значно нижче значень, що (Ф, допускаються. ка При доданні до колеса 1 вертикальних навантажень в більшості його ділянок спостерігається взаємна компенсація температурних напружень і напружень спричинених дією прикладених зовнішніх сил. Така бор Компенсація обумовлена тим, що зовнішні сили викликають переважно стискуючі напруження, які компенсуються тепловими розтягуючими напруженнями.

Максимальні напруження в колесі 1 у разі сумісного впливу на нього, з одного боку, вертикального і бічного навантажень, а з іншого боку - теплових напружень, виникають у перехідної ділянці 4 в місці сполучення диска 5 з маточиною 3 зі сторони зовнішньої криволінійної поверхні 6, які близькі до значень, що 65 допускаються. Підвищена концентрація напружень в цьому місці колеса обумовлена тим, що розтягуючи теплові напруження, які досягають в цьому місці свого максимального значення, підсумуються з розтягуючими напруженнями, які виникають в цьому ж місці колеса від дії прикладеного до нього бічного навантаження.

Виконання криволінійної перехідної ділянки 4 колеса 1 у місці сполучення зовнішньої криволінійної поверхні 6 диска 4 з маточиною З радіусом К7, меншим по значенню ніж радіусу К8 перехідної ділянки 4 у місці сполучення внутрішньої криволінійної поверхні 7 диска 5 з маточиною 3 дозволяє знизити концентрацію напружень від дії теплового впливу за рахунок їх рівномірного розподілу на цій ділянці зовнішньої криволінійної поверхні 6.

У свою чергу, виконання висоти 52 маточини З із зовнішньої сторони колеса 1 більшою в порівнянні із висотою 01 маточини З з внутрішньої сторони колеса 1, дозволяє знизити значення напружень від впливу бічного /о навантаження у перехідній ділянці 4 у місці переходу диска 5 в маточину 3, що також робить позитивний вплив на напружений стан суцільнокатаного залізничного колеса 1.

Як показують результати досліджень, напружений стан колеса 1 у місцях переходу диска 5 в обод 2 і маточину 3, а також у точці 10 найбільшого вигину внутрішньої криволінійної поверхні 7 не перевищують критичного значення 800МПа, тобто, границі текучості матеріалу, з якого виготовляють суцільнокатані /5 Залізничні колеса.

Таким чином, запропонована конструкція колеса забезпечує як рівномірний розподіл напружень по всьому об'єму колеса, так і дозволяє знизити напруження в найбільш навантажених зонах, що зменшує ймовірність появи втомних тріщин і збільшує термін службі залізничних суцільнокатаних коліс.

Таким чином, запропонована конструкція колеса забезпечує як рівномірний розподіл напружень по всьому 2о об'єму колеса, так і дозволяє знизити напруження в найбільш навантажених зонах, що зменшує ймовірність появи втомних тріщин і збільшує термін службі залізничних суцільнокатаних коліс.

Крім того, застосування конструкції колеса, що заявляється, дозволяє підвищити демпфуючі властивості, що у свою чергу дозволяє покращити експлуатаційний властивості колеса й підвищити безпеку руху залізничного транспорту. с

Суцільнокатане залізничне колесо, що заявляється, може бути виготовлено в умовах промислового виробництва на стандартному устаткуванні при цьому найбільший економічний ефект досягається при і) використанні такого колеса, в конструкціях високошвидкісних пасажирських і вантажних вагонах зі збільшеним навантаженням на вісь, наприклад, до ЗО тонн. (Се)

Claims (1)

1. Формула винаходу ю

   Суцільнокатане залізничне колесо, що містить обід і маточину, з'єднані криволінійними перехідними ділянками з диском, який утворений зовнішньою і внутрішньою криволінійними поверхнями, виконаними таким со з5 ЧИНОМ, ЩО зовнішня криволінійна поверхня диска з боку обода утворена першою зовнішньою радіусною кривою, їч- з боку маточини - другою зовнішньою радіусною кривою з кривизною, що співпадає по напряму з кривизною першої зовнішньої радіусної кривої, і сполученими між собою третьою зовнішньою радіусною кривою з кривизною, протилежною по напряму кривизні першої зовнішньої і другої зовнішньої радіусних кривих, а внутрішня криволінійна поверхня диска з боку обода утворена першою внутрішньою радіусною кривою, з боку «

   70 Маточини - другою внутрішньою радіусною кривою з кривизною, що співпадає по напряму з кривизною першої пу с внутрішньої радіусної кривої, Ї сполученими між собою третьою внутрішньою радіусною кривою з кривизною, протилежною по напряму кривизні першої внутрішньої і другої внутрішньої радіусних кривих, яке відрізняється :з» тим, що для зовнішньої криволінійної поверхні радіус першої зовнішньої радіусної кривої дорівнює 0,09 - 0,14 від діаметра круга катання колеса, радіус другої зовнішньої радіусної кривої дорівнює 0,1 - 0,15 від діаметра 75 Круга катання колеса, радіус третьої зовнішньої кривої дорівнює 0,12 - 0,18 від діаметра круга катання -І колеса, а для внутрішньої криволінійної поверхні радіус першої внутрішньої радіусної кривої дорівнює 0,12 - 0,18 від діаметра круга катання колеса, радіус другої внутрішньої радіусної кривої дорівнює 0,1 - 0,15 від со діаметра круга катання колеса, радіус третьої внутрішньої радіусної кривої дорівнює 0,12 - 0,17 від діаметра о круга катання колеса. с 50 42)

   Ф) іме) 60 б5