Подшипники

       Работая в современных режимах эксплуатации железных дорог и экстремальных условиях окружающей среды, колёсная пара вагона должна удовлетворять следующим основным требованиям: обладать достаточной прочностью, имея при этом минимальную необрессоренную массу с целью снижения тары подвижного состава и уменьшения непосредственного воздействия на рельсовый путь и элементы вагона при прохождении неровностей рельсовой колеи; обладать некоторой упругостью, обеспечивающей снижение уровня шума и смягчение толчков, возникающих при движении вагона по рельсовому пути; совместно с буксовыми узлами обеспечивать, возможно, меньшее сопротивление при движении вагона и возможно большее сопротивление износу элементов, подвергающихся изнашиванию в эксплуатации.

     

     Колёсная  пара (рис. 3) состоит из оси 1 и двух укрепленных на ней колёс 2. Типы, основные размеры и технические условия на изготовление вагонных колёсных пар определены Государственными стандартами, а содержание и ремонт «Правилами технической эксплуатации железных дорог» (ПТЭ) и «Инструкция по осмотру, освидетельствованию, ремонту и формированию вагонных колесных пар ЦВ/3429», а также другими нормативными документами при проектировании, изготовлении и содержании. Конструкция и техническое состояние колёсных пар оказывают влияние на плавность хода, величину сил, возникающих при взаимодействии вагона и пути, и сопротивление движению. 
 
 

     

     

     Рисунок 3 – Колесная пара и форма шейки оси: 1 - ось; 2 - колесо; 3 - шейка; 4 - предподступичная часть; 5 - подступичная часть; 6 - средняя часть; 7 - нарезная часть 

     Тип колёсной пары определяется типом оси  и диаметром колес (табл. 1).Согласно ГОСТ 4835-2006 устанавливают пять типов  колесных пар с осями типов  РУ1Ш и РВ2Ш и колесами диаметром  по кругу катания 957 мм в зависимости  от типа вагона и максимальной расчетной  статической нагрузки от колесной пары на рельсы (таблица 3). 

     Таблица 3 – Типы колёсных пар вагонов

     

     

     Диаметры  шеек 3, (рис. 3), подступичной 5 и средней 6 частей оси определяют исходя из расчётной нагрузки. Предподступичная часть 4 является ступенью перехода от шейки к подступичной части оси и служит для установки уплотняющих устройств корпуса буксы. На nодступичных частях 5 прочно закрепляются колёса 2. На шейках 3 размещаются подшипники.

     Колёсные  пары с осями, предназначенными для  эксплуатации с роликовыми подшипниками, различают между собой конструкцией торцового крепления внутренних колец роликовых подшипников  на шейке:

       - с нарезной частью 7 для навинчивания корончатой гайки (ось РУ1);

       - при помощи приставной шайбы, для чего на торцах делают отверстия с нарезкой для болтов крепления (ось РУ1Ш рис. 3). Такое крепление выполнено в двух вариантах: тремя или четырьмя болтами.

     Для безопасного движения вагона по рельсовому пути на ось 1 прочно закрепляются колёса 2 (рис. 4) с соблюдением строго определённых размеров. Расстояние между внутренними гранями колёс 2s составляет: для новых колёсных пар, предназначенных для вагонов, обращающихся со скоростями до 120 км/ч – (1440±3), свыше 120, но не более 160 км/ч – (1440) мм. Номинальное расстояние между кругами катания колес 2l равно 1580 мм, а между серединами шеек 2b – 2036 мм.

             

     Рисунок 4 - Основные размеры колесной пары 

     Во  избежание неравномерной передачи нагрузки на колёса и рельсы разность размеров k от торца оси до внутренней грани обода допускается не более 3 мм. Колёса, укреплённые на одной оси, не должны иметь разность диаметров D более 1 мм, что предотвращает односторонний износ гребней и не допускает повышения сопротивления движению. Чтобы снизить инерционные усилия, колесные пары скоростных вагонов подвергают динамической балансировке: для скоростей 140...160 км/ч допускается дисбаланс не более 6 Нм; для скоростей 160...200 км/ч - не более 3 Нм. Номинальная ширина обода колес всех типов колесных пар составляет 130 мм.

     

       Кроме колёсных пар, изготавливаемых  в соответствии ГОСТ 4835-80, поставляют  также конструкции, выполненные  по специальным чертежам и  техническим условиям, для вагонов  промышленного транспорта, вагонов  электро- и дизель- поездов, а также с раздвижными на оси колёсами для эксплуатации на дорогах с различной шириной колеи и др. В вагонах, оснащённых дисковыми тормозами, на оси 1 (рис. 5), кроме двух колёс 2, прочно укреплены диски 3. 

     Рисунок 5 - Колесная пара с тормозными дисками (3) 

     Колесо  состоит из ступицы, диска и обода. Колесо изготавливается из материала по ГОСТ 10791-89 или из специального химического состава, обеспечивающего повышенную твёрдость после термообработки до 350-380 НВ, позволяющего поднять в 1,5-2 раза износостойкость гребня колеса и в 1,5-2 раза снизить выщербинообразование. Поверхности колеса механически обрабатываются в соответствии с ГОСТ 9036-88.

     Конструктивно вагонные колёса можно разделить  на безбандажные (цельные); бандажные (составные, состоящие из колёсного центра, бандажа  и 

предохранительного  кольца); упругие, имеющие между бандажом и колёсным центром упругий элемент; раздвижные на оси, вращающиеся на оси  колёса. По способу изготовления колёса делятся на катаные и литые, а  в зависимости от размеров - по диаметру, измеренному в плоскости круга катания, - 950 и 1050 мм.

В эксплуатации колёса, перекатываясь по рельсовому пути, передают ему значительные статические  и динамические нагрузки через небольшую  площадь. Они работают в сложных  условиях окружающей среды. Одновременно с этим в процессе торможения между  колёсами и колодками, а также  в контакте с рельсами возникают  силы трения, вызывающие нагрев и износ  обода, что способствует образованию  в нём ряда дефектов. От исправного состояния колёс во многом зависит  безопасность движения поездов.

     Учитывая  сложные условия работы и необходимость  обеспечения высокой надежности в эксплуатации, поверхность катания  колеса должна обладать высокой прочностью, ударной вязкостью и износостойкостью, а металл диска и ступицы, удерживающейся на оси силами упругости, - необходимой  вязкостью. Этим требованиям удовлетворяют  составные колёса, в которых бандаж можно изготовлять из стали повышенной прочности и твёрдости, а колёсный центр - из более вязкой и дешёвой  стали. Кроме того, при достижении предельного износа или появления  другого повреждения в эксплуатации бандаж можно заменить без смены  колёсного центра.

     Однако  в современных условиях эксплуатации железных дорог из-за существенных недостатков по прочности и надёжности, значительной трудоёмкости формирования колёсной пары и повышенной массе  бандажные колёса в нашей стране были заменены на безбандажные. Причём, наиболее совершенными и надёжными в эксплуатации признаны стальные цельнокатаные. Конструкция, размеры и технология изготовления колёс определяются Госстандартами.

     Стальное цельнокатаное колесо (рис.6) состоит из обода 1, диска 2 и ступицы 3. Рабочая часть колеса представляет собой поверхность катания 4. Номинальный размер ширины обода составляет 130 мм. На расстоянии 70 мм от внутренней грани а обода, являющейся базовой, расположен воображаемый круг катания, используемый для измерения специальными инструментами диаметра колеса, толщины обода и проката.

     Противоположная грань б называется наружной. Ступица 3 объединена с ободом 1 диском 2, расположенным  под некоторым углом к плоскости  круга катания, что придает колесу упругость и способствует снижению уровня динамических сил во время  движения вагона. Ступица служит для  посадки колеса на подступичной части оси. Поверхность катания 4 обрабатывается по стандартному профилю.  
 
 
 

     В соответствии с ГОСТ 10791 цельнокатаные  колёса изготовляют из сталей двух марок: 1 - для пассажирских вагонов  локомотивной тяги, немоторных вагонов электро - и дизель - поездов; 2 - для грузовых вагонов дорог колеи 1520 мм с нагрузкой от оси на рельсы до 228 кН. Химический состав сталей в %: марки 1 - углерода 0,44...0,52, марганца - 0,8...1,2, кремния - 0,4...0,6, ванадия - 0,08...0,15; марки 2 - углерода 0,55...0,65, марганца 0,5...0,9, кремния 0,2...0,42; для обеих марок сталей допускается не более: фосфора - 0,035 и серы - 0,04.

     

     На  процессы взаимодействия колёс с  рельсами и безопасность движения поездов  существенно влияет профиль поверхности  катания. Стандартный профиль поверхности обода колеса (рис. 7, а) распространяется на колёса для колёсных пар грузовых и пассажирских вагонов локомотивной тяги, немоторных вагонов электро- и дизель-поездов, а также путевых машин. Профиль поверхности обода колеса, приведенный на рисунке 12 б, применяется для колес колесных пар пассажирских вагонов, эксплуатируемых со скоростями движения свыше 160 км/ч, а для колёс вагонов промышленного транспорта используется специальный криволинейный профиль (рис.7, в).  

 

     Рисунок 6 - Стальное цельнокатаное вагонное колесо  

     Рисунок 7 - Профили поверхности катания колёс: а - для грузовых и пассажирских вагонов локомотивной тяги, немоторных вагонов электро- и дизель-поездов, а также путевых машин; б – для пассажирских вагонов, эксплуатируемых со скоростями движении свыше 160 км/ч; в - вагонов промышленного транспорта

     

     Каждый  из приведенных профилей поверхности  катания колеса имеет гребень, служащий для направления движения и предохранения  от схода колёсной пары. Он имеет  высоту 28 мм, измеряемую от его вершины  до горизонтальной линии, проходящей через  точку пересечения круга катания  с профилем. Угол наклона наружной грани гребня оказывает влияние  на безопасность движения: его увеличение повышает устойчивость колёсной пары на рельсах и уменьшает износ. Стандартный профиль (см. рис.7, а) имеет конусность рабочей части 1:10, которая обеспечивает центрирование колёсной пары при её движении на прямом участке пути и предотвращает образование неравномерного износа по ширине обода колеса, а также улучшает прохождение кривых участков пути. Вместе с тем, конусность 1:10 создает условия для появления извилистого движения, что неблагоприятно влияет на плавность хода вагона. Поверхность профиля катания колеса с конусностью 1:3,5 гораздо реже катится по рельсу, поэтому она меньше изнашивается. Благодаря наличию этой конусности и фаски 6 мм х 450 наружная грань б (см. рисунок 6) приподнимается над головкой рельса даже при наличии допустимого проката, наплыва металла и других дефектов поверхности катания колёс, обеспечивая безопасный проход стрелочных переводов.

     Профиль поверхности катания обода для  колёсных пар пассажирских вагонов, эксплуатируемых со скоростями движения свыше 160 км/ч (см. рисунок 7, б), имеет горизонтальную площадку между размерами от 60,7 до 70 мм, а далее конусности 1:50; 1:10; 1:3,5 - и фаску 6 мм х 450. Наружная грань гребня составляет 650 к горизонтали вместо 600, как это предусмотрено в ста ндартном профиле (см. рис.7, а), переходные радиусы закруглений также изменены. Цилиндрическая часть катания, обработанная в соответствие с горизонтальной частью профиля, исключает извилистое движение колёсной пары. Вместе с уменьшенной конусностью до 1:50 рабочей части колеса она не допускает ухудшения плавности хода вагона. Увеличение угла наклона наружной грани гребня совместно с изменением профиля рабочей части поверхности катания колеса улучшает устойчивость движения колёсной пары, способствует уменьшению износа гребня, повышает безопасность движения вагонов скоростных поездов.

     Безопасность  движения подвижного состава в большей  степени зависит от надежности колесной пары, которая характеризуется способностью безотказной ее работы в сложных  условиях эксплуатации. Надежность зависит  от качественных параметров колесной пары и ее напряженного состояния, возникающего под влиянием действующих нагрузок, которые приводят к появлению  дефектов. На колесную пару оказывают  воздействие внешние переменные статические нагрузки и постоянно  действующие силы, обусловленные  посадками с натягом колес  на подступичные части и роликовых подшипников на шейки оси.