Способ крепления бандажа на колесном центре

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта, в частности к способу крепления бандажей на колесных центрах. В предложенном способе крепления бандажа на колесный центр величина натяга назначается с учетом параметров функции контактной податливости и волнистости внутренней поверхности бандажа из условия прочности бандажа при одновременном выполнении условия непроскальзывания бандажа по колесному центру. Увеличение сил трения между бандажом и колесным центром обеспечивается за счет применения мелкодисперсного покрытия поверхности колесного центра, увеличивающего коэффициент трения на поверхности контакта бандажа и колесного центра. Технический результат - увеличение прочности соединения колесного центра с бандажом, повышение ресурса эксплуатации колес. 1 ил.

 

Надежное крепление бандажа на колесном центре является необходимым условием безаварийной работы транспорта. Однако существующие технологии крепления бандажа на ободе колесного центра для локомотивов и моторных вагонов не дают полной гарантии его надежного крепления.

По существующей технологии [1, 2] посадочную поверхность бандажа растачивают в соответствии с диаметром обода колесного центра. По нормам [1] внутренний диаметр бандажа должен быть меньше наружного диаметра обода центра на 1,2-1.6 мм на каждые 1000 мм диаметра обода колесного центра. После обточки внутренней поверхности бандаж равномерно нагревают до 250-320°С и в горячем состоянии надевают на обод колесного центра. Бандаж крепят фасонным установочным кольцом, которое помещают в специальной выточке, выполненной с наклоном внутрь бандажа. Для того чтобы посадка бандажа на колесный центр как можно медленнее ослабевала, соприкасающиеся поверхности бандажа и центра чисто обрабатывают (по нормам [1] R_z=20 мкм). При грубой обработке поверхностей по существующей версии [2] вначале соприкосновение происходит по острым вершинам гребешков от резца, которые потом сминаются, и посадка бандажа ослабевает. Увеличение натяга приводит к излому бандажа. Для контроля за сдвигом бандажа после его насадки на обод наносят контрольные метки на наружные грани бандажа и колесного центра. Бандаж изготавливают на специальных прокатных станах из углеродистой мартеновской стали с временным сопротивлением растяжению не менее 80 кг/мм².

Недостатком существующего способа крепления бандажа являются высокие кольцевые напряжения натяга, которые в совокупности с высокими радиальными напряжениями от веса и удара колеса при набегании на стык рельсов приводят к появлению пластических деформаций, увеличению внутреннего диаметра бандажа, уменьшению сил трения и как результат к аварийному отделению бандажа от колесного центра.

Цель изобретения - повышение прочности соединения колесный центр - бандаж и увеличение допускаемого ресурса эксплуатации колес. Предлагается новый способ крепления бандажа, обеспечивающий плотную посадку бандажа на колесный центр и отсутствие проскальзывания под действием внешних касательных сил.

Новый способ обоснован расчетом напряженного состояния (НС) составных колец, в результате которого установлено, что шероховатость поверхности контакта мало влияет на напряжения натяга. Даже при шероховатости R_z=50 мкм напряжения натяга уменьшаются всего на 3%. При этом напряжения от натяга Δ=1,6 мм на диаметр для бандажа с параметрами r₁=510 мм, r₂=600 мм составляют σ_t'=284 МПа и контактное давление р=23 МПа.

Гораздо большее значение для уменьшения напряжений от натяга имеет отклонение от круглости бандажа и колесного центра, которое допускается в пределах 0,2-0,5 мм. Такую же роль играет допуск 0,5 мм радиального биения бандажей по кругу катания относительно осевых шеек [1]. В зависимости от длины волны отклонения оно меняет параметр р_* функции контактной податливости [3] на несколько порядков. (Параметр р_* - это давление, при котором исходное расстояние γ₀ между базовыми поверхностями уменьшается в два раза). Поэтому величина натяга зависит прежде всего от длины волны отклонения от круглости и радиального биения внутренней поверхности бандажа.

Причина ослабевания напряжений натяга обнаруживается при детальном рассмотрении НС, возникающего в бандаже от действия напряжений натяга и внешних сил:

силы тяжести, создающей давление на части внутреннего контура бандажа, и сил от опоры на рельсы и от удара на стыке рельсов.

При посадке бандажа с натягом на внутренней поверхности бандажа возникают кольцевые напряжения σ_t1' и радиальные напряжения σ_r1'. Эти напряжения зависят от величины натяга Δ и параметров функции контактной податливости.

При действии на внутренней поверхности диска (колесного центра) r₀ силы веса Р в зонах контакта бандажа с полуплоскостью и с диском на внутренней поверхности бандажа возникают напряжения σ_t1 и σ_r1. Эквивалентные напряжения σ_экв1 на внутренней поверхности бандажа тем больше, чем больше напряжения от натяга. При σ_z=0 и τ_tz=τ_rz=0 эквивалентные напряжения определяются по формуле

Как показывают расчеты, напряжения от натяга (и, следовательно, требуемая величина натяга) зависят, прежде всего, от величин γ₀ и p_*, а величина р_* определяется соотношением между отклонением от круглости и длиной волны этого отклонения. Сила веса составляет примерно Р=130 кН, а сила удара на стыках рельс Р_у=0,5-0,7 МН, а на крестовинах Р_у=1,5-3,5 МН [4]. Принимаем для оценки напряженного состояния бандажа Р=130 кН, Р_у=3,25 МН. Анализ результатов расчетов показывает, что эквивалентные напряжения σ_экв переходят за предел текучести R_p0,2=570 МПа при идеальном контакте уже при натяге Δ>0,6 мм на радиус.

Приравнивая σ_экв=R_p0,2, получаем максимально возможную величину натяга при волнистости меньше 0,1 мм. Таким образом, чем меньше напряжения натяга, тем прочнее бандаж. Однако к бандажу, надетому, например, на колесный центр, предъявляется еще требование воспринимать касательные напряжения, возникающие от действия продольной силы Т, без проскальзывания бандажа по колесному центру.

Предельная продольная сила Т на поверхности контакта бандажа с жесткой полуплоскостью должна быть не более

T<f₂P,

где f₂ - коэффициент трения скольжения на радиусе r₂.

Таким образом, на внутренней поверхности бандажа r₁ интегральный крутящий момент от предельных касательных напряжений τ₁, равных

τ₁=f₁(σ_rl+σ_r1'),

должен быть при отсутствии проскальзывания не меньше момента от силы Т на радиусе r₂:

Следовательно, напряжения σ_r1', зависящие от натяга, должны обеспечивать не только прочность бандажа, но и непроскальзывание его по центру, и, таким образом, натяг должен быть не меньше определенной величины. То есть существует область оптимальных значений натяга, обеспечивающих, с одной стороны, прочность бандажа, а с другой стороны, такую величину касательных напряжений на радиусе r₁, которая обеспечивает непроскальзывание бандажа по центру. Учитывая, что из условия равновесия сила Р равна

а радиальные напряжения σ_r1' от натяга Δ величина постоянная по длине окружности, преобразуем условие (1) к виду

и далее к виду

Правая часть неравенства зависит от отношения коэффициентов трения и через напряжения σ_r1 от силы Р. Поскольку левая часть неравенства зависит только от величины натяга, мы получаем нижнюю границу для величины натяга Δ. Пересечение кривых σ_r1'=σ_r1'(Δ) и F=F(f₂/f₁;|σ_r1|) дает нам минимальное значение натяга. Таким образом, область оптимальных значений натяга определена.

Следует отметить, что минимальное значение натяга зависит также от отношения коэффициентов трения скольжения f₂ на радиусе r₂ и f₁ на радиусе r₁. И чем меньше отношение f₂/f₁, тем меньше требуемая величина натяга. Поскольку коэффициент трения f₂ на радиусе r₂ задается внешними условиями, уменьшение отношения коэффициентов трения может быть достигнуто только за счет увеличения коэффициента трения f₁ на радиусе r₁. Проведенные авторами экспериментальные исследования изменения коэффициента трения скольжения показали, что существенное увеличение коэффициента трения может быть достигнуто применением специальных мелкодисперсных покрытий. Например, покрытие поверхностей мелом увеличивает коэффициента трения в несколько раз, делая его даже больше 1.

Литература

1. Инструкция по формированию, ремонту и содержанию колесных пар тягового подвижного состава железных дорог колеи 1520 мм. - МПС РФ. - Главное управление локомотивного хозяйства. - 1995 - 121 с.

2. Калинин В.К., Михайлов Н.М., Хлебников В.Н. Электроподвижной состав железных дорог. - М.: Транспорт, 1972 - 536 с.

3. Тупицын А.А. и др. Об аппроксимирующей функции сближения шероховатых контактирующих поверхностей в многослойных конструкциях. Изв. ВУЗов. Машиностроение, 1983, №12, с.3-9.

4. Вертинский С.В., Данилов В.Н., Хусидов В.Д. Динамика вагона. - М.: Транспорт, 1991 - 360 с.

Способ насадки бандажа на колесный центр, включающий расточку поверхности бандажа внутренним диаметром меньше наружного диаметра обода колесного центра с шероховатостью поверхности не более R_z20, нагрев бандажа и надевание бандажа на колесный центр с креплением его фасонным установочным кольцом, отличающийся тем, что превышение наружного радиуса обода колесного центра над внутренним радиусом бандажа составляет не менее величины волнистости или радиального биения внутренней поверхности бандажа и не более 0,6 мм при волнистости менее 0,1 мм, а на поверхность обода колесного центра перед надеванием бандажа наносится специальное мелкодисперсное вещество, например мел.