Вагоны промышленного железнодорожного транспорта - Колесные пары

Глава 2 КОЛЕСНЫЕ ПАРЫ

2.1. Назначение, классификация и устройство колесных пар

Колесная пара является одной из главнейших и весьма ответственных частей вагона. Она несет на себе массу вагона, направляет его движение по рельсовому пути и воспринимает все нагрузки, передающиеся от вагона на рельсовый путь и обратно. В связи с этим вагонная колесная пара должна обладать достаточной прочностью и износостойкостью, иметь возможно меньшую массу и обеспечивать безопасность движения поездов, которая во многом зависит от конструкции, материала, технологии изготовления, ремонта и качества осмотра колесных пар.
Конструкция и содержание колесных пар оказывают влияние на плавность хода, на силы, возникающие при взаимодействии вагона и пути, и на сопротивление движению.
Типы, основные размеры и технические условия на изготовление определяются государственным стандартом, а ремонт и содержание  — специальной Инструкцией по осмотру, освидетельствованию, ремонту и формированию вагонных колесных пар и Правилами технической эксплуатации железных дорог СССР.

Рис. 2.1. Колесная пара.

Колесная пара состоит из оси 2 и двух колес 1, прочно насаженных на ось (рис. 2.1).
ГОСТ 4835—71 предусматривает шесть типов колесных пар для вагонов магистральных железных дорог: 111-1050, 111-950;  РУ-1050;   РУ-950;
РУ1-950; РУ1Ш-950. Цифры и буквы до дефиса указывают тип оси, цифры после дефиса — диаметр колеса в миллиметрах.
Колесные пары типов Ш-1050 и РУ-1050 для новых вагонов не изготовляются, их используют только при ремонте вагонов.
Колесные пары с осями III типа приспособлены для подшипников скольжения, а колесные пары с осями РУ, РУ1 и РУ1Ш — для роликовых подшипников. При этом РУ означает роликовая унифицированная для подшипников 280 мм, т. е. предназначенная как для грузовых, так и для пассажирских вагонов; РУ1 — роликовая унифицированная для подшипников диаметром 250 мм на горячей посадке с торцовым креплением гайкой; РУ1Ш — то же, с торцовым креплением шайбой.
Чтобы обеспечить безопасность движения вагона по рельсовому пути, особенно по стрелочным переводам, колеса укрепляются на оси так, чтобы расстояние между внутренними вертикальными гранями ободьев колес было равно (1440±3) мм, а у вновь формируемых колесных пар —  мм.
Для повышения плавности хода, что особенно существенно при высоких скоростях движения, а также для уменьшения боковых сил, передаваемых от колес на рельсы, целесообразно сократить возможные поперечные перемещения колесных пар относительно рельса. Это уменьшает износ колес и рельсов, снижает сопротивление движению, повышает устойчивость колесных пар. Уменьшению поперечного перемещения колесных пар способствует переход в СССР к колее шириной 1520 мм вместо 1524 мм.
Чтобы избежать перекосов и скольжения колес по рельсам, повышающих сопротивление движению и вызывающих неравномерный и увеличенный износ поверхностей катания колес, последние должны иметь минимальную разность диаметров поверхностей катания колес одной и той же колесной пары не более 1 мм.
Чтобы не возникали силы инерции от дисбаланса, колесные пары должны быть уравновешенными (ГОСТ 4835— 71).

Оси колесных пар, их конструкции и основные размеры

Вагонные оси представляют собой стальные брусья круглого, переменного по длине поперечного сечения, в зависимости от усилий, возникающих в отдельных частях осей.
На рис. 2. 2 показаны стандартные типы осей железных дорог широкой колеи СССР, а в табл. 2.1 — их основные размеры.

Рис. 2.2. Вагонные оси:
а — для подшипников скольжения; б — для подшипников качения.

Концевые части 4 оси, имеющие цилиндрическую форму, называются шейками и служат для размещения на них подшипников и передачи нагрузки от вагона.

Таблица 2.1. Основные размеры стандартных осей

Поверхность шейки подвергается обточке, шлифовке и накатке роликами. У осей для подшипников скольжения (рис. 2.2,а) шейки оканчиваются буртиками 5, препятствующими смещению подшипника наружу. У осей для подшипников качения (рис. 2.2,б) вместо буртиков на концах шеек имеется резьба для навинчивания гайки 6, а на торцах — пазы 7 и два отверстия для размещения и крепления болтами стопорной планки.
Предподступичные. части 3 являются переходными от шейки 4 к подступичной части 2 и служат для размещения на них заднего затвора буксы. Подступичные части оси имеют наибольший диаметр, на них напрессовываются колеса.
Чтобы избежать концентрации напряжений, все переходы от одного диаметра оси к другому выполнены кривыми определенного радиуса, называемыми галтелями.
Средняя часть 1 оси имеет конический переход к подступичной части.
Для установки оси или всей колесной пары в центрах токарных станков на торцах оси предусмотрены стандартные центровые отверстия.
Вагонные оси отличаются: размерами основных элементов в зависимости от допускаемой нагрузки; формой шейки в зависимости от типа подшипника (трения качения или трения скольжения); формой поперечного сечения — сплошные или полые. Кроме того, оси отличаются по материалу и технологии их изготовления.
Размеры сечений оси обусловливаются деформацией изгиба и допускаемой на них нагрузкой. При этом уменьшенные допускаемые нагрузки для осей пассажирских вагонов по сравнению с осями грузовых вагонов объясняются повышенными скоростями движения пассажирских поездов и необходимостью обеспечить большую безопасность движения, чем грузовых.
Оси III типа по сравнению с осями РУ имеют больший диаметр шеек, так как оси подвергаются износу и переточке при их ремонте.
Оси изготовляют из углеродистой стали марки Ос.В, которая имеет следующий химический состав, %: углерода 0,35—0,45, марганца 0,5—0,8, кремния 0,15—0,35, фосфора не более 0,045, серы не более 0,05, хрома не более 0,3, никеля не более 0,3, меди не более 0,25.
Механические свойства металла оси после ее изготовления должны удовлетворять нормам, указанным в табл. 2.2.
Повышение усталостной прочности материала оси может быть достигнуто упрочнением оси и совершенствованием ее термической обработки.

Таблица 2.2. Механические свойства материала осей

Рис. 2.3. Полая вагонная ось.

В настоящее время разрабатывается новый стандарт на оси колесных пар вагонов, предусматривающий четыре типа осей: на роликовых подшипниках — РМ-4, РМ-5, РУ и на подшипниках скольжения — III (буквы обозначают: Р — роликовая, М — моторная, У — унифицированная).
Нормальные напряжения изгиба распределяются по сечению оси неравномерно, достигая наибольшего значения снаружи и наименьшего — внутри сечения. Поэтому замена осей сплошного сечения полыми для рассматриваемых условий является целесообразной. Это снижает массу оси примерно на 25%, не снижая при этом ее прочности.
При создании колесных пар с полыми осями особое внимание уделяется обеспечению надежного соединения колес с осью. Это объясняется тем, что в первых опытных партиях колесных пар с полыми осями усилия, необходимые для распрессовки колес, оказались ниже усилий напрессовки. Об этом свидетельствует и опыт США, где в 1943 г. для массового изготовления полых осей был построен специальный цех. Но впоследствии из-за частых повреждений прессовых соединений и появления усталостных трещин в подступичных частях такие оси стали изыматься из эксплуатации.
Снижение распрессовочных усилий может быть объяснено остаточными деформациями подступичной части первых конструкций полых осей в США и СССР вследствие недостаточной их жесткости.

Учтя опыт изготовления первых партий полых осей в СССР и США, в 1964—1965 гг. Уральским вагоностроительным заводом была изготовлена партия (1000 шт.) более совершенных конструкций полых вагонных осей (рис. 2. 3). Лабораторные и эксплуатационные испытания колесных пар с такими полыми осями показали, что несущая способность полой оси на 15% больше, чем у сплошной.

Так как масса полой оси на 100 кг, или на 25%, меньше по сравнению со сплошной осью, то уменьшается расход металла на 4,2 млн. руб., а ежегодная экономия эксплуатационных расходов составляет 2,2 млн. руб. на каждые 100 тыс. четырехосных вагонов. Масса полой оси составляет 323 кг, а аналогичной оси сплошного сечения — 423 кг.
В СССР ведутся широкие исследования прочности и эксплуатационной надежности полых осей вагонных колесных пар, устанавливаются наиболее целесообразные их конструкции и методы изготовления.
Колесные пары с полыми осями применяются в ФРГ, Швейцарии и в некоторых других странах Западной Европы.