Классификация и особенности устройства осей и колес

Рассмотрим отдельно детали колесных пар:

– оси;

– колеса.

Ось – это стальной брус круглого, переменного по длине поперечного сечения. Бывают сплошные и полые. Различаются способом крепления внутренних колес подшипников (приставной шайбой или гайкой) на шейке оси и технологией изготовления.

В окончательно обработанных вагонных осях различают следующие части (рис 2): шейки с буртами или резьбовой частью, предпоступичные и подступичные части, галтели (переходные поверхности) и среднюю часть.

Шейки 1 имеют цилиндрическую форму и служат для размещения на них подшипников.

На подступичной части 3 оси напрессовывают колеса.

Между шейками 1 и подступичными частями 3 находятся предпоступичные части 2, служащие для размещения деталей задних уплотняющих устройств букс, а также снижения концентрации напряжений в переходных сечениях от подступичных частей к шейкам оси.

В местах изменения диаметров для снижения концентрации напряжений имеются плавные сопряжения – галтели, выполненные определенными радиусами: от шейки 1 к предподступичной 2, от предподступичной к подступичной 3 и от средней 4 к подступичной частям.

Оси вагонных колесных пар отличаются длиной и диаметром шеек, расстоянием между их серединами, общей длиной сои, диаметром подступичных и предподступичных частей.

Рисунок 2– Вагонная ось

Конструктивно вагонные колёса можно разделить на (цельные); бандажные (составные, состоящие из колёсного бандажа и предохранительного кольца); упругие, имеющие между бан­дажом и колёсным центром упругий элемент; раздвижные и 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 вызывающие нагрев и износ обода, что способствует образованию в нем ряда дефектов. Удары на стыках могут вызывать появление трещин и отколов в ободах колёс. В этой связи от их исправного состояния во многом зависит безопасность движения поездов.

Учитывая сложные условия работы и повышение надёжности 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 были заменены на безбандажные. Причем, наиболее совершенными и надёжными в эксплуатации признаны стальные цельнокатаные колеса.

Рисунок3

Номи­нальный размер ширины обода состав­ляет 130 мм. На расстоянии 70 мм от внутренней грани обода, являющейся базовой, расположен воображаемый круг катания. Противоположная грань называется наружной. Ступица объединена с ободомдиском, расположенным под некоторым углом к плоскости круга катания, что придаёт колесу упругость и способствует снижению уровня ди­намических сил во время движения ва­гона. Ступица служит для посадки колеса на подступичной части оси.

Цельнокатаные колёса изготавливают из сталей двух марок: 1— для пассажирских вагонов; 2— для грузовых ваго­нов дорог колеи. 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. Ободья колёс подвергаются упрочняющей термической обработке путём преры­вистой закалки и отпуска. Механические свойства стали ободьев после упрочняющей термической обработки должны соответствовать нормам, приведенным в таблице.

На процессы взаимодействия колёс с рельсами и безопасность дви­жения поездов существенно влияет профиль поверхности катания. Стан­дартный профиль поверхности обода колеса показан на рис.1.

Профиль 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 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 созда­ёт 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 наружная грань обода приподнимается над головкой рельса даже при наличии допустимого проката, наплыва металла и других дефектов поверхности катания колес, обеспечивая безопасный проход стрелочных переводов.

В ряде случаев применяются также упругие колеса. Упругие колеса - более сложные по конструкции. Имея упругие элементы между ободом и колесным центром, они обладают целым рядом преимуществ, особенно важных для ваго­нов скоростных пассажирс­ких поездов, трамваев и мет­рополитена. При конструи­ровании учитывается, чтобы в эксплуатации такое колесо обладало следующими каче­ствами: смягчало вертикаль­ные и боковые толчки; име­ло минимальную величину необрессоренной массы; уменьшало шум при движе­нии вагона; обеспечивало упругость передачи крутящего момента в моторных вагонах при движе­нии и торможении; снижало напряжения в элементах колёсной пары и сопряжённых с ней деталей.