Особенности устройства ходовых частей подвижного состава

Взаимодействие пути и подвижного состава

От колес подвижного состава на путь передается сложное силовое воздействие, которое можно разложить на вертикальные и горизонтальные (поперечные и продольные) составляющие: вертикальное давление, вызывающее осадку пути и изгиб рельсов; боковое давление, стремящееся сдвинуть путь в сторону, и продольные силы – причина угона (продольного смещения) рельсошпальной решетки.

Вертикальное давление на рельс – это нормальные (перпендикулярные к поверхности) силы, которые через колеса подвижного состава передаются на рельсы. Сила тяжести подвижного состава, приходящаяся на одну ось, когда он находится в неподвижном состоянии, называется статической нагрузкой. Допускаемая величина ее нормирована: для локомотивов – 250 кН (25 тс) и для грузовых вагонов – 235 кН (23,5 тс). Статическая нагрузка незагруженных вагонов примерно в 3 раза меньше.

Нагрузка, передаваемая подвижным составом на рельсы при движении, называется динамической. Динамическая нагрузка – величина непостоянная; она непрерывно изменяется под влиянием многочисленных факторов случайного характера. Динамическое воздействие подвижного состава на путь определяется сложными колебательными процессами, возникающими при движении. Они обусловлены наличием различных неровностей на поверхностях соприкасания колес с рельсами, упругой деформируемостью пути, рессор и других элементов ходовых частей, особым характером движения жестко соединенных между собой осей подвижного состава в рельсовой колее при изменяющейся по протяжению пути траектории движения подвижного состава.

В общем случае взаимодействие пути и подвижного состава определяется особенностями конструкций ходовых частей подвижного состава и рельсовой колеи, а также качеством технического содержания локомотивов, вагонов и пути.

Каждая единица подвижного состава состоит из неподрессоренной и подрессоренной частей. К неподрессоренной части относят массу колесных пар, букс и примерно 2/3 массы рессор. Все остальное составляет подрессоренную часть. При движении подрессоренные и неподрессоренные части локомотивов и вагонов совершают колебательные движения относительно пути и друг друга и это вызывает изменения нагрузок на рельсы. Динамическое давление на рельс может превышать статическую нагрузку в 1,5–2 раза, а при совпадении неровностей на пути с неровностями на колее, в зависимости от скорости движения, силы в контакте колеса и рельса в некоторых случаях возрастают в 3–4 раза.

При движении поезда на рельсы действуют и переменные горизонтальные поперечные силы: рамное давление (силы, действующие на кузов и передаваемые через раму на колесные пары), а также боковое давление, вызванное поворотом состава в кривых (вписывание подвижного состава в кривые). Рамные усилия могут достигать 6000–7000 кгс (6–7 тс); боковые давления составляют 0,2–0,65 максимального значения вертикальных сил. Силы давления на рельсы от гребней колес в прямых участках, вызванные вилянием подвижного состава, могут достигать 3–4 тс. Рельсы воспринимают также и горизонтальные продольные силы (силы угона, торможения и продольные усилия от действия температуры).

При конструировании верхнего строения пути и ходовых частей подвижного состава стремятся достигнуть возможно более благоприятного их взаимодействия.

Особенности устройства ходовых частей подвижного состава

Подвижной состав железнодорожного транспорта в отличие от других видов (автомобильного, водного, воздушного) не имеет рулевого управления. Траекторию его движения определяет рельсовая колея. Этим определяются и особенности ходовых частей подвижного состава:

• наличие реборд (гребней) у бандажей колес;
• глухая насадка колес на оси;
• параллельное расположение осей у безтележечных экипажей и у тележек локомотивов и вагонов;
• коничность бандажей колес;
• возможность поворота тележек и отдельных осей.

Постоянство рельсовой колеи требует и постоянства расстояния между колесами каждой из осей. Для этого колеса запрессовывают на оси так, чтобы они не могли ни смещаться, ни поворачиваться относительно оси. Это называется глухой насадкой колес. Ось с насаженными на нее двумя колесами называют колесной парой.

Для направления движения колес по рельсам и предотвращения схода их с рельсов они имеют с внутренней стороны обода закраины, называемые гребнями или ребордами. Расстояние между внутренними гранями ободов колес называется насадкой колес. На (рис. 1) показано соотношение размеров и допусков колесной пары и ширины рельсовой колеи. Ширина колесной пары К складывается из насадки колес (1440±3 мм), двух толщин гребней колес (от 25 до 34 мм) и 2 мм (по 1 мм на колесо), учитывающих скос гребней с внутренней стороны у стальных вагонных и тендерных колес, который начинается на 10 мм выше уровня контактирования колес с рельсами. Последний принимают на 10 мм ниже поверхности катания головок рельсов.

Рис. 1 – Соотношения размеров и допусков колесной пары и ширины рельсовой колеи

Из рисунка видно, что колесная пара размещается в рельсовой колее не вплотную обоими гребнями колес к боковым граням головок рельсов, а с некоторым зазором δ. Этот зазор необходим для компенсации допусков в насадке колес и ширине колеи, а также для уменьшения сопротивления движению поезда и износа гребней и головок рельсов.

Ширина зазора δ равна ширине рельсовой колеи S за вычетом ширины колесной пары К: δ = S - К. Величина его при нормальной ширине рельсовой колеи будет наибольшей при самой узкой насадке и предельно изношенных гребнях колес, а наименьшей – при наибольшей насадке и неизношенных гребнях колес. При расчетах учитывают, что практически не бывает так, чтобы оба гребня были предельно изношены.

При ширине колеи 1524 мм максимальный зазор между гребнем колеса и рельсом достигает 38 мм, а минимальный – 9 мм. Если же учитывать только номинальные размеры колесной пары и рельсовой колеи, то значения зазора получаются равными 16–18 мм. На зарубежных дорогах величины зазора различны (7; 9 и 11 мм).

Слишком малая, как и слишком большая, величина зазора ухудшают взаимодействие пути и подвижного состава; уменьшение зазора улучшает динамическое воздействие подвижного состава на путь, снижает напряжения в рельсах и расстройства пути в плане.

Рис. 2 – Очертания и основные размеры ободов колес: а – локомотивного; б – вагонного

Поверхность катания колес подвижного состава коническая с уклоном 1/20 (рис. 2); благодаря этому обеспечивается более равномерный их износ и более плавное движение. Колесо, выведенное из среднего положения на рельсе, стремится вернуться к нему. Особенно необходима коничность колес для прохода по стрелочным переводам, где даже при небольшом прокате цилиндрических колес создавались бы резкие удары в крестовинах. Для равномерного опирания колес рельсам также придают наклон в 1/20 внутрь колеи, который называют подуклонкой рельсов; он может изменяться от 1/60 до 1/12.

Две-три оси объединяют жесткой рамой, не допускающей поворота их относительно друг друга. Это обеспечивает их параллельность, которая необходима, чтобы исключить возможность перекоса колесных пар в плане и провала их внутрь колеи. Расстояние между крайними осями, параллельными друг другу, называется жесткой базой, а между крайними осями единицы подвижного состава – полной колесной базой. Чем длиннее жесткая база локомотива или вагона (рис. 3), тем труднее они проходят по кривым участкам, особенно малых радиусов.

Рис. 3 – Типы жестких баз подвижного состава: а – четырехосный вагон; б – двухосный вагон; в – электровоз; г – паровоз

Ширина колеи

Для начала ознакомимся с номинальными размерами ширины колеи, указанными в ПТЭ (приказ от 21 декабря 2010 года № 286):

Номинальный размер ширины колеи между внутренними гранями головок рельсов на прямых участках железнодорожного пути и на кривых радиусом 350 м и более – 1520 мм. Ширина колеи на более крутых кривых должна быть:

• при радиусе от 349 до 300 м – 1530 мм;
• при радиусе от 299 м и менее – 1535 мм.

На участках железнодорожных линий и железнодорожных путях, где комплексная замена рельсошпальной решетки не производилась, до их реконструкции допускается на прямых и кривых участках железнодорожного пути радиусом более 650 м номинальный размер ширины колеи – 1524 мм. В этих случаях на более крутых кривых ширина колеи принимается:

• при радиусе от 650 до 450 м – 1530 мм;
• при радиусе от 449 до 350 м – 1535 мм;
• при радиусе от 349 м и менее – 1540 мм.

Величины отклонений от номинальных размеров ширины колеи, не требующие устранений, на прямых и кривых участках железнодорожного пути не должны превышать по сужению -4 мм, по уширению +8 мм, а на участках, где установлены скорости движения 50 км/ч и менее, - по сужению -4 мм, а по уширению +10 мм.

Порядок устранения отклонений, превышающих указанные значения, устанавливается, соответственно, владельцем инфраструктуры, владельцем железнодорожных путей не общего пользования.

Ширина колеи менее 1512 мм и более 1548 мм не допускается. Нахождение и курсирование железнодорожного подвижного состава, предназначенного для использования на железнодорожных путях общего пользования, по железнодорожным путям, не соответствующим указанным нормам, не допускается.

На железнодорожных путях не общего пользования допускается сохранять до переустройства:

• номинальный размер ширины колеи между внутренними гранями головок рельсов на участках с деревянными шпалами на прямых участках железнодорожного пути и на кривых радиусом 350 м и более – 1524 мм;
• ширину колеи на более крутых кривых:
• при радиусе от 349 м и менее – 1540 мм;
• величины отклонений от номинальных размеров ширины колеи, не требующие устранений, на прямых и кривых участках железнодорожного пути радиусом 350 м и более не должны превышать по сужению -8 мм, по уширению +6 мм, а на участках железнодорожного пути радиусом 349 м и менее - по сужению -4 мм, по уширению +10 мм.

На строящихся, а также после проведения реконструкции и капитального ремонта железнодорожных путей номинальный размер ширины колеи между внутренними гранями головок рельсов на прямых участках железнодорожного пути и на кривых радиусом 350 м и более должен быть – 1520 мм.