Конструирование и расчет вагонов

 

 

В настоящее время из ГОСТ 4835-2006 исключены оси РУ1 с торцевым креплением гайкой М110 и большинство заводов прекратило выпуск осей данного типа. Колесные пары РУ1-950 и РУ1Ш-950 еще можно встретить в эксплуатации.

Диаметры шеек 3, (рис.2. 1), 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.

Рисунок 2.1- Колесная пара и  форма шейки оси: 1 - ось; 2 - колесо; 3 - шейка; 4 - предподступичная часть; 
5 - подступичная часть; 6 - средняя часть; 7 - нарезная часть

 

Для безопасного движения вагона по рельсовому пути на ось 1 прочно закрепляются колёса 2 (рис. 2.2) 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 2.2-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.

2.1 Ось колесной пары.

Вагонная ось (рис. 1) является составной  частью колёсной пары и представляет собой стальной брус круглого, переменного  по длине поперечного сечения. На подступичных частях 3 оси располагаются колёса, укреплённые жёстко или подвижно, а на шейках 1 размещаются подшипники. Вагонные оси различаются между собой размерами, определяемыми в зависимости от заданной нагрузки; формой шейки оси в соответствии с применяемым типом подшипника – для подшипников качения и подшипников скольжения; формой круглого поперечного сечения – сплошные или полые; способом торцового крепления подшипников качения на шейке оси – корончатой гайкой или шайбой.

Рисунок 2.3-Типы вагонных осей:1 - шейка;2 - предподступичная часть; 
3 - подступичная часть;4 - средняя часть

Кроме того, оси классифицируются по материалу и технологии изготовления. Между шейками 1и подступичными частями 3 находятся предподступичные части 2, служащие для размещения деталей задних уплотняющих устройств букс, а также снижения концентрации напряжений в переходных сечениях от nодступичных частей к шейкам оси. В местах изменения диаметров для снижения концентрации напряжений имеются плавные сопряжения – галтели, выполненные определёнными радиусами: от шейки 1 – к предподступичной 2, от предnодступичной – к подступичной 3 и от средней 4 – к подступичной частям. Снижение концентрации напряжений, вызванных посадкой внутреннего кольца роликового подшипника, обеспечивается разгружающей канавкой, расположенной у начала задней галтели шейки оси . Оси для подшипников качения на концах шеек имеют нарезную часть К для навинчивания корончатой гайки, на торце имеется паз с двумя нарезными отверстиями для постановки и крепления двумя болтами стопорной планки. 
В вагонных осях с креплением подшипников качения при помощи приставной шайбы в торцах шеек делают нарезные отверстия для болтов  в двух вариантах: при помощи трёх или четырёх болтов. На торцах всех типов осей предусмотрены центровые отверстия , служащие для установки и закрепления оси или колёсной пары в центрах при обработке на токарном станке. Форма и размеры центровых отверстий стандартизированы. Оси колёсных пар, оборудуемых дисковым тормозом, а также оси, на которых предусмотрена установка привода подвагонного генератора, имеют посадочные поверхности для установки тормозных дисков или деталей редуктора. Основные размеры и допускаемые нагрузки для стандартных типов осей вагонов широкой колеи, приведены в табл. 2.2. 
На шейки осей РУ1 и РУ1Ш устанавливают роликовые подшипники с наружным диаметром 250 мм. 
У всех типов осей расстояния между центрами приложения нагрузки к шейкам одинаковы и составляют 2036 мм. Для грузовых вагонов с повышенными нагрузками от колесной пары на рельсы до 245 кН предусмотрена усиленная ось, имеющая увеличенные диаметры.

В соответствии с ГОСТ 4008 гарантийный  срок эксплуатации чистовых осей 8,5 лет, а срок службы - 15 лет. На торце чистовой оси предусмотрена маркировка с соответствующим расположением знаков и клейм: клеймо Госприёмки; условный номер предприятия, производившего обработку и перенесшего знаки маркировки; номер оси; две последние цифры года изготовления черновой оси; клеймо технического контроля.

 

Таблица 2.2-Стандартные типы осей вагонов широкой колеи (ГОСТ Р50334-92)

Тип оси	Диаметр частей оси, мм				Длина шейки, мм	Общая длина оси, мм			Нагрузка от колесной пары вагонов  на рельсы, кН (тс)
	шейки	предподступичной	подступичной	средней					Грузовые	Пассажирские
РУ1	130	165	194	165	176			2294	230(23,5)	176,5(18)
РУ1Ш	130	165	194	165	190		2216		230(23,5)	176,5(18)

Оси проектируют в исполнении УХЛ  по ГОСТ 15150. для вагонов магистральных  дорог колеи 1520 мм оси изготовляют  из осевой заготовки по ГОСТ 4728: для  вагонов основных типов применяется  сталь марки ОсВ, для вагонов электропоездов - сталь марки ОсЛ.  
Химический состав:

• углерода 0,40 - 0,48;
• марганца 0,55 - 0,85;
• кремния 0,15 - 0,35;
• фосфора не более 0,04;
• серы не более 0,045;
• хрома не более 0,3;
• меди не более 0,25 %.

 

 

В эксплуатации ось работает при  нестационарном режиме нагружения при вращении колёсной пары. Поэтому она испытывает знакопеременные напряжения с амплитудами переменной величины. Такой нестационарный режим требует применения мер по повышению предела выносливости осевой стали.  
Специфика работы оси заключается в том, что при нагружении она испытывает изгибные напряжения, которые по площади поперечного сечения распределяются неравномерно, достигая наибольших значений в наружных и наименьших - во внутренних волокнах. Это обстоятельство ставит проблему замены сплошного сечения оси полым, не вызывая заметного увеличения габаритных размеров, но способствующее уменьшению массы на 100...110 кг по сравнению с осью сплошного сечения. Поэтому разрабатываются конструкции и технология изготовления полых осей методом поперечно-винтовой прокатки (рис.2.4).

Рисунок 2.4-Полая ось

Опыт применения колёсных пар с  полыми осями показывает, что при  их создании особое внимание следует  уделять обеспечению надежного  соединения колеса с осью, так как  в эксплуатации ослабевает их посадка  – усилия распрессовки колёс оказываются ниже усилий напрессовки. Это может быть объяснено возникновением остаточных деформаций полой оси и действием других факторов, определение которых требует специальных исследований.

2.2 Цельнокатаное колесо.

Стальное цельнокатаное  колесо (рис.2.5) 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.

Рисунок 2.5-Стальное цельнокатаное  вагонное колесо: 1 - обод; 2 - диск; 3 - ступица 

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.  
Ободья колёс подвергаются упрочняющей термической обработке путём прерывистой закалки и отпуска. 
На процессы взаимодействия колёс с рельсами и безопасность движения поездов существенно влияет профиль поверхности катания. Стандартный профиль поверхности обода колеса (рис. 2.6, 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 рис. 2.6 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. 2.6, в). 
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 (рис. 2.6, 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 45° наружная грань б (рис. 2.5) приподнимается над головкой рельса даже при наличии допустимого проката, наплыва металла и других дефектов поверхности катания колёс, обеспечивая безопасный проход стрелочных переводов.

Рисунок 2.6-Профили катания 

Профиль поверхности катания обода  для колёсных пар пассажирских вагонов, эксплуатируемых со скоростями движения свыше 160 км/ч (рис. 2.6, 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 45о. Наружная грань гребня составляет 65о к горизонтали вместо 60о, как это предусмотрено в стандартном профиле (рис. 2.6, 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.

2.3 Расчет оси колесной пары условным методом

 

Условный метод может быть применен в эксплуатации при выявлении  и для предупреждения излома или  деформации оси, если они не вызваны  перегревом буксового узла или другими  явно выраженными факторами. Наиболее эффективно этот метод может быть использован при перегрузки вагона или максимальный износ шеек осей, связанных с их обточками в эксплуатации.

Рисунок 2.7-Схема действия сил при  расчете оси колесной пары условным методом

 

При условном методе расчета ось принимается  нагруженной двумя силами(рис.2.7)-вертикальной Р=1,25Р₀ и горизонтальной Н=0,5Р₀,где Р₀-статическая нагрузка на ось от веса вагона брутто.

Статическая нагрузка на ось(нагрузка на обе шейки)определяется по формуле

 

где  -масса вагона брутто;

        -число колесных пар в вагоне;

       -масса колесной пары;

         g – ускорение свободного падения.

 

 

 

Р=1,25·135,32=169,15 кН

Н=0,5·135,32=67,66 кН

 

    В расчетной схеме силы приложены в центре тяжести вагона, на расстоянии от осевой линии колесной пары

h=1,45 м- расстояние между осевой линии колесной пары до центра тяжести вагона;

2S=1,58 м- расстояние между кругами катания колесной пары;

r=0,45 м- радиус колеса;

2b₂=2,036 м расстояние между серединами шеек оси;

 

Вертикальная сила загрузки левой шейки оси;

 

 

 

 

Загрузка правой шейки оси;

 

 

 

 

 

Вертикальные реакции рельсов  при этом;

Для левого колеса

 

 

 

для правого колеса

 

 

 

 

 

Изгибающие моменты, вызванные  действием расчетных нагрузок в  трех расчетных сечениях:

в шейке оси у внутренней галтели 

 

 

где - длинна шейки; ε- износ по длине шейки в эксплуатации, для оси с подшипниками качения принимают ε=0.

 

 

-в подступичной части оси в плоскости круга катания колеса

 

 

 

 

 

-в средней части оси

 

 

 

 

Находим минимальные допустимые в эксплуатации диаметры:

Шейки оси 

 

 

подступичной части оси

 

средней части оси 

 

где         

     

     

 

 

 

Найдем минимальные допустимые в эксплуатации диаметры в расчетных  сечениях оси:

3 Подшипники качения

В мировой практике вагоностроения применялись буксовые узлы на подшипниках качения и подшипниках скольжения. Буксовые узлы отечественных вагонов, а также современых конструкций зарубежных вагонов, оборудованы исключительно подшипниками качения (роликовыми подшипниками). Это обусловлено тем, что роликовые подшипники обеспечивают реализацию высоких скоростей движения и осевых нагрузок, а также более надежны и экономичны в эксплуатации. 
В практике вагоностроения используются три основных типа роликовых подшипников: цилиндрические однорядные — с короткими цилиндрическими роликами, сферические двухрядные — со сферическими роликами, конические одно- и двухрядные — с коническими роликами. Наибольшее распространение в отечественных и зарубежных вагонах получили цилиндрические роликовые подшипники. С 1964 г. отечественные вагоны на сферических подшипниках не выпускаются. 
Внутри корпуса буксы обычно размещаются два подшипника качения. Подшипники для букс грузовых и пассажирских вагонов железных дорог МПС единые. Это роликовые цилиндрические подшипники — радиальные однорядные подшипники с короткими цилиндрическими роликами размером 130x250x80 мм.

Рисунок 3.1-Типы роликов: а  — со скосами; б — с рациональным контактом "бомбиной".

Ролики имеют форму  цилиндра, образующая которого представляет прямую линию, параллельную оси вращения подшипника и перпендикулярную радиальной нагрузке. Поэтому радиальная нагрузка распределяется по длине и хорошо воспринимается цилиндрической поверхностью тел качения, а осевая — лишь торцами  роликов. Для предупреждения вредного влияния перекоса буксы и прогиба  шейки оси на работу цилиндрических подшипников ролики стали изготавливать  со скосами "бомбиной". 
Роликовый подшипник состоит из наружного и внутреннего колец, между которыми находятся ролики. Последние удерживаются в сепараторе на одинаковом расстоянии друг от друга. 
Наружное кольцо одинаковое как для переднего, так и для заднего подшипника.