Содержание материала

Для обеспечения прочности посадочных соединений колесной пары применяют прессовые посадки. Формирование вагонных колесных пар осуществляется при помощи гидравлического пресса. Для обеспечения плавного захода оси в ступицу колеса на наружном конце подступичной части выполняется заходный конус с разностью диаметров 1 мм на длине 7 ... 15 мм. Во избежание задиров в процессе запрессовки внутренние кромки отверстия ступицы выполняют с закруглением радиусом 4 ... 5 мм. В соединении колеса с осью обеспечивается диаметральный натяг 0,1 ... 0,25 мм. Сила в конце запрессовки составляет 390 ... 580 кН на каждые 100 мм диаметра подступичной части оси.
Сборка колесных центров электровозов и тепловозов с осями проводится путем запрессовки или термическим способом. Для унифицированной колесной пары электровоза применяют натяг 0,25 ... 0,35 мм, а для тепловозов - 0,18 ... 0,3 мм. Максимальная сила запрессовки составляет 441 ... 636 кН на каждые 100 мм диаметра оси при насаженном бандаже и 392 ... 588 кН - без бандажа. На подступичной части оси унифицированной колесной пары электровозов выполняется заходный конус 1:60. При тепловой посадке на ось колесо нагревают до температуры 240... 260°C.
Насадка бандажа на колесный центр проводится тепловым способом. Натяг в соединении должен быть не менее 1,2 ... 1,6 мм на каждые 1000 мм диаметра посадочной поверхности обода колесного центра. При сборке бандаж нагревается до температуры 250 ... 320 °C.
При формировании колесной пары в ее деталях возникают монтажные напряжения и деформации, которые превышают напряжения, вызванные силами, действующими на нее в эксплуатационных условиях.  Посадочные напряжения являются постоянной составляющей, на которую накладываются переменные составляющие, вызванные вертикальными и боковыми динамическими силами, а также температурными полями, возникающими при колодочном торможении. В значительной мере они определяют среднее напряжение цикла переменных напряжений.
Экспериментальными исследованиями сопротивления усталости колес с литыми центрами установлено, что усталостные трещины, как правило, образуются в точках приступичной части с алгебраически большими посадочными напряжениями [57]. Положительное значение среднего напряжения цикла ведет к снижению предела выносливости колесного центра. При увеличении среднего напряжения от 0 до 0,5 σт предел выносливости центра снижается от 125 до 105 МПа. Следует отметить, что эти напряжения опасны не только в тех случаях, когда дают положительную составляющую цикла напряжений, но и когда являются отрицательными. Нагрев бандажа и обода при торможении вызывает растягивающие меридиональные напряжения в диске колеса. Так, на приступичном участке центра с меридиональными напряжениями от посадки близкими к пределу текучести получены растягивающие температурные напряжения 230 МПа [57]. Они явились причиной образования трещин на участке с высокими значениями сжимающих меридиональных напряжений от насадки бандажа. Распределение контактных давлений в посадочных соединениях зависит также от формы диска. Колесные центры в зависимости от формы осевого сечения диска можно подразделить на центры с плоскими, коническими и изогнутыми дисками.

Колесные центры с плоскими дисками.

К плоским можно отнести диски колес тепловозов ТЭП-60 и ТЕП-70 (см. рис. 8.3, а). Смещение середины посадочной поверхности обода относительно середины ступицы для них составляет 47,5 мм внутрь колеи.
Исследовано напряженно-деформированное состояние центров, вызванное запрессовкой в них осей с натягами 0,25 мм и насадкой бандажей с натягами 1,4 мм для колеса тепловоза ТЭП-60 и 1,66 мм для колеса тепловоза ТЭП-70. Разделение осевого сечения расчетной схемы колесной пары на треугольные конечные элементы выполнено с помощью программы TRIANG, обеспечивающей автоматическое построение сеток с необходимыми сгущениями в заданных областях. Сетка сгущена у краев контактных поверхностей, на переходах от диска к ободу и ступице, в средней части диска. Путем последовательного измельчения подобрана сетка, обеспечивающая достаточную точность вычисления напряжений. Размер конечных элементов на краях контактных поверхностей составил около 4 мм, а на галтельных переходах - 6...8 мм, по толщине диска расположено не менее четырех слоев конечных элементов.
Решение для колеса тепловоза ТЭП-60 получено за 150 прогонок. Хорошая сходимость решения объясняется малыми осевыми смещениями посадочной поверхности обода колеса при насадке бандажа (0,14 мм). Эпюры давлений, возникающих на посадочных поверхностях колесного центра при сборке его с осью и бандажом, а также окружных и меридиональных напряжений в точках, лежащих на поверхностях центра, приведены на рис. 8.7, а. В связи с тем, что диск колеса примыкает не к серединам ступицы и обода, эпюры давлений на посадочных поверхностях несимметричны относительно середин этих поверхностей. Особенно сильно это выражено на поверхности обода. На эпюре контактных давлений на поверхности ступицы наблюдается экстремум напротив того места, в котором диск примыкает к ступице; явно выражены также краевые эффекты, обусловленные наличием заходных конусов на поверхностях ступицы и подступичной части оси. Если не принимать во внимание краевые эффекты, то давление на посадочной поверхности ступицы в 1,5 раза выше, чем на поверхности обода.
Радиальные перемещения 4 сопрягаемых точек посадочных поверхностей ступицы и оси, расположенных вблизи их середин, практически равны между собой: точка, принадлежащая ступице, смещается на 0,06 мм от осевой линии, а точка, принадлежащая оси, - на 0,065 мм по направлению к осевой линии. Натяг в соединении колесного центра и бандажа в большей мере реализуется за счет деформации бандажа.
Меридиональные и окружные напряжения 7, 2 практически во всех точках поверхностей диска являются сжимающими. Меридиональные напряжения достигают наибольших значений на галтельных переходах с внешней стороны диска и близки к пределу текучести его материала 200,6 и 250 МПа соответственно у ступицы и обода.
Решение для колеса тепловоза ТЭП-70 характеризуется более медленной сходимостью, что объясняется несколько большим значением осевого смещения посадочной поверхности его обода -
0,35-10-3 м. В результате решения получены распределения контактных давлений 3 на посадочных поверхностях центра (рис. 8.7, б). Распределение давлений на поверхности ступицы характеризуется резко выраженной несимметрией относительно ее середины. Эпюра давлений является практически треугольной с убыванием до нуля давлений на внутренней стороне. Этот закон нарушается краевыми эффектами, особенно сильно выраженными у внешней стороны колеса.

Рис. 8.7. Монтажные напряжения (МПа) в центре колеса и радиальные перемещения:
а - тепловоза ТЭП-60; б - тепловоза ТЭП-70;
1, 2- меридиональные и окружные; 3 - контактные давления; 4 - радиальные перемещения (10-3 м)

 Следует отметить, что работоспособность соединения обеспечивается сохранением определенных значений контактного давления во всех точках сопрягаемых поверхностей при воздействии на колесо эксплуатационных нагрузок. При очень высоких значениях давления возможно возникновение пластических деформаций в прилегающей области, приводящих к потере натяга. При низких значениях контактного давления становятся возможными проскальзывания контактирующих точек, а уменьшение их до нуля приводит к раскрытию стыка под действием этих нагрузок.

Рис. 8.7. Продолжение

К ободу диск примыкает вблизи его середины, благодаря чему эпюра давлений на посадочной поверхности обода близка к симметричной. Как и в предыдущем варианте, давления на посадочной поверхности ступицы выше, чем на поверхности обода. Для этого колесного центра наибольшие меридиональные напряжения 1 получены на галтельном переходе к ободу с полевой стороны (250 МПа). Окружные напряжения в опасной точке также являются сжимающими, поэтому оценка напряженного состояния по четвертой теории дает значение расчетного напряжения 216 МПа.
Для последнего колесного центра получен сильно выраженный краевой эффект на участке заходного конуса ступицы, контактные давления 3 достигают 337 МПа. Необходимо признать, что такой эффект получен при использовании довольно грубой конечно-элементной сетки для этой области. С измельчением сетки значение максимального давления уточняется, как правило, в сторону его увеличения. Однако шероховатость сопрягаемых поверхностей смягчает этот эффект.

Колесные центры с коническими дисками.

В литом колесном центре реализуется конструктивное осевое смещение середины посадочной поверхности обода относительно середины ступицы 29,5 мм наружу колеи, а в катаном - 55 мм. Оба диска переменной толщины к ободу и ступице примыкают вблизи их середин. Переходы от диска к ступице выполнены радиусом 50 мм, а к ободу - радиусом 25 мм в литом центре и 40 мм в катаном.
При расчете обоих центров приняты натяги для запрессовки осей в центры 0,25х10-3 м и для насадки бандажа - 1,44х10-3 м. Решение выполнено в упругопластической постановке задачи. Для материала центров взята диаграмма деформирования идеального упругопластического тела с пределом текучести 310 МПа.
Для получения первого приближения использовали грубые конечноэлементные сетки. Уточненное решение получали с использованием сеток с элементами размером 2 ... 4 мм в местах сгущения. Осевые смещения ободов при насадке бандажей для конических центров значительные: 0,55х10-3 м для литого и 0,9х10-3 м для катаного. При задании хорошего начального приближения перемещений узлов в осевом направлении задачу удается решить за 120 прогонок.
Эпюры монтажных напряжений, возникающих на поверхностях литого центра, представлены на рис. 8.8, а. Распределение контактных давлений на поверхности ступицы близко к симметричному относительно ее середины. На поверхности обода максимальные значения давления достигают 65,5 МПа в месте примыкания к нему диска. На поверхности ступицы максимальные контактные давления в 1,6 раза выше, чем на поверхности обода. Меридиональные напряжения в точках свободных поверхностей центра распределены неблагоприятно. На внутренней стороне в приступичной части они растягивающие, а на переходе к ободу они настолько возрастают, что достигаются пластические деформации. Велики также меридиональные напряжения в приступичной зоне на полевой стороне центра. Области пластического деформирования материала малы, поэтому упругое и упругопластическое решения дают близкие результаты.
Катаный центр более податлив по сравнению с литым, в связи с этим на его посадочных поверхностях возникают более низкие значения контактного давления (рис. 8.8, б). Они в 1,2 раза меньше, чем на поверхностях литого центра. Распределение контактных давлений аналогично полученному для литого центра. В точках свободных поверхностей диска возникают значительные меридиональные и окружные напряжения.  Места наиболее неблагоприятных напряженных состояний - это места сопряжения диска со ступицей и ободом. На внутренней стороне приступичной части меридиональные и окружные напряжения являются растягивающими, причем первые достигают значения 184 МПа. На полевой стороне приступичной части меридиональные напряжения так велики, что на галтельном переходе возникает область пластических деформаций, характеризуемая интенсивностью деформаций 1,13 ε. Такая же область возникает на внутренней стороне сопряжения диска с ободом с интенсивностью деформаций 1,21 ε.

Рис. 8.8. Монтажные напряжения (МПа) в колесном центре с коническими дисками:
а - литом; б - катаном: 1,2- меридиональные и окружные; 3 - контактные давления упругое решение;
упругопластическое решение


Рис. 8.8. Продолжение

Колесные центры с изогнутыми дисками.

Особенности распределения монтажных напряжений в колесах с изогнутыми дисками рассмотрим, обратившись к результатам расчета колеса тепловоза ТЭП-70, представленного на рис. 8.3, б. Середина посадочной поверхности обода этого колеса сдвинута внутрь колеи относительно середины ступицы на 48,5 мм. Диск колеса изогнут с тем, чтобы с внутренней стороны можно было расположить упругую муфту для передачи вращающего момента от тягового электродвигателя на колесную пару.
При расчете колеса приняты следующие натяги: 0,25х10-3 м в сопряжении оси и ступицы, 1,66х10-3 м в сопряжении бандажа и обода. Использованные в расчетах конечно-элементные сетки аналогичны рассмотренным выше. В результате решения получено осевое перемещение обода колеса 0,68х10-3 м, угол поворота бандажа составил 0,23°. Распределение напряжений на посадочных и свободных поверхностях диска показано на рис. 8.9.

Рис. 8.9. Монтажные напряжения (МПа) и радиальные перемещения в колесе тепловоза ТЭП-70 с изогнутым диском:
1,2- меридиональные и окружные; 3 - контактные давления; 4 - радиальные перемещения (10-3 м)

В распределении контактных давлений интересна одна особенность, характерная для обеих посадочных поверхностей: несмотря на то, что посадочная поверхность обода смещена внутрь колеи относительно ступицы, контактные давления возрастают к наружной стороне. Очевидно, определяющее влияние на распределение давлений оказывает место примыкания диска к ободу и ступице, в этом колесе оно сдвинуто к полевой стороне, где возникают наибольшие давления. В точках, расположенных на свободных поверхностях изогнутого диска, меридиональные напряжения не превышают 185 МПа, а окружные 194 МПа.