Конструкция колесной пары

 

Колесная пара электровоза состоит из оси и двух движущих колес и устройств для передачи вращающего момента от ТЭД или гидропередачи. Конструкция колесной пары определяется видом тяговой передачи, типом подвешивания ТЭД и типом колесных центров. При опорно–осевом и независимом подвешивании ТЭД на колесную пару жестко укрепляют одно или два зубчатых колеса.

Для примера рассмотрим унифицированную колесную пару (рис.5.1). Она состоит из оси, двух движущих колес, состоящих из колесных центров и бандажей. Зубчатые колеса насажены на удлиненные втулки колесных центров.

Рис.5.1 Колесная пара грузового локомотива

Диаметр колес по кругу катания у тепловозов – 1050 мм; у электровозов пассажирских – 1200 мм, грузовых – 1250 мм, на высокоскоростном электропоезде «Сокол» - 950 мм. Колесный центр с бандажом и зубчатым колесом после окончательной механической обработки посадочной поверхности напрессовывается на ось с усилием 1080 – 1470 кН. От прочности соединения колеса с осью зависит безопасность движения поездов, поэтому запрессовка каждого колеса контролируется, и сила при запрессовке регистрируется приборами. Диаграммы запрессовки колес прикладываются к паспорту на колесную пару. Для уменьшения усилия распрессовки колесного центра при ремонтах, в ступицах предусмотрены отверстия для подвода масла под давлением между посадочными поверхностями.

Колесная пара электровоза должна удовлетворять требованиям ГОСТ 11018 – 87 и соответствующей инструкции заказчика. Полностью сформированные колесные пары обтачивают по поверхностям катания и внутренним граням бандажей. Колесная пара должна соответствовать требованиям:

· радиальное биение бандажей по кругу катания не более 0,75 мм;

· овальность не более 0,5 мм;

· разница в диаметрах бандажей по кругу катания для одной и всех колесных пар одного локомотива

 

Оси колесных пар

 

Оси колесных пар представляют собой брус круглого поперечного сечения (рис.5.2). Диаметр оси по длине не одинаков: наибольший диаметр имеет подступичная часть оси, на которую напрессовывается ступица колеса. Эта часть оси подвержена наибольшим нагрузкам и здесь, чаще всего, наблюдается излом осей.

Рис.5.2 Ось колесной пары: 1 - две буксовые шейки; 2 - предпоступичные части; 3 - подступичные части; 4 - шейки моторно-осевых подшипников

Ось унифицированной колесной пары электровозов ВЛ10, ВЛ60, ВЛ80 имеет две буксовые шейки 1 (они служат для монтажа роликовых подшипников буксы), предпоступичные части 2 (на них насаживаются лабиринтные кольца осевой буксы), подступичные части 3 (на них напрессовывают колесные центры), шейки моторно-осевых подшипников (МОП) 4 и среднюю часть

У осей колесных пар при рамном подвешивании ТЭД нет шеек для МОП. В конструкциях с приводом II класса на оси закреплены зубчатые колеса, в случае привода класса III они отсутствуют и вращающий момент передается непосредственно колесному центру.

Во избежании концентрации напряжений, все переходы с одного диаметра оси на другой выполняются плавными кривыми, сопряжение называется переходными галтелями.+

Оси колесных пар подвергаются действию вертикальных и горизонтальных сил и скручиванию. Тяжелые условия работы предъявляют высокие требования к материалу осей, особенно к вязкости, и способам обработки. Оси колесных пар электровозов изготовляются из заготовок стали, выплавленной в мартеновской (или электрической) печи. Для отечественных электровозов применяется сталь марки ОсЛ.

На наружной поверхности заготовок не должно быть трещин, расслоений, волосовин, и других пороков; торцевые поверхности не должны иметь следов усадочной раковины и разности: в металле не допускаются флокены, пузыри, ликвации, расслоения и трещины.

Оси изготовляются ковкой и подвергаются последующей нормализации с дополнительным отпуском, причем термические операции должны проводиться при автоматической регистрации заданных режимов. Правка осей должна производиться в горячем состоянии и температуре конца правки не ниже 600 ˚С. Правку можно производить после нормализации или после отдельного нагрева до температуры не более 700˚С без последующей термообработки.

После грубой обточки оси подвергаются чистовой обточке; предподступичные, подступичные части и шейки накатываются и шлифуются. Качество обработки поверхности оси имеет большое значение для повышения предела усталости материала. Грубообработанные поверхности и поверхности с царапинами и вмятинами имеют пониженный предел усталости; на них чаще появляются трещины.

Посадка ступицы колеса и внутренних колес подшипников снижает усталостную прочность металла при циклической нагрузке. Накатка поверхности оси повышает усталостную прочность оси в 1,5 – 2 раза и делает ось менее чувствительной к концентрации напряжений. Глубина упрочненного слоя после накатки достигает 6 – 7 мм, причем поверхностная твердость металла повышается на 25 – 30 %.

Шейки осей накатываются сферическими роликами, затем шлифуются или подвергаются обработке цилиндрическим роликом для сглаживания поверхности. В торцах осей высверливаются отверстия для нарезки резьбы под болты, крепящие торцовые шайбы, которыми крепятся роликоподшипники на осях. Обработанная ось проверяется дефектоскопом. При наличии поперечных или косых трещин, а также плен на поверхности ось бракуется. На годной оси ставят клейма.

Колесная пара является неподрессоренным элементом поэтому для уменьшения сил взаимодействия с верхним строением пути в ряде случаев у пассажирских электровозов оси изготовляются из легированной стали с временным сопротивлением до 70 кг/мм², что позволяет уменьшить их диаметр или делают полыми по всей длине (диаметр отверстия 30 – 70 мм). Это позволяет снизить вес оси на 20 – 25 %.

 

Колесные центры

 

На отечественных электровозах применяются разборные колеса, состоящие из колесного центра и бандажа.

Рис.5.3 Колёсный центр унифицированной колёсной пары электровозов ВЛ60, ВЛ80 и ВЛ10.

Согласно [8] на колесный центр действуют силы от посадки бандажа и запрессовки оси колесной пары; он также передает вертикальные и горизонтальные продольные и поперечные силы, действующие между бандажом и осью колесной пары. Колесный центр должен иметь достаточную прочность и жесткость.

Колесный центр состоит из трех частей: ступицы, напрессовывающейся на подступичную часть оси колесной пары; обода, на который крепится съёмный бандаж, и промежуточной части, выполняемой в виде литого диска (дисковые центры) или спиц (спицевые центры).

Спицевые колесные центры состоят из обода, удлиненной ступицы с обработанной по наружному диаметру посадочной поверхностью для насадки зубчатого колеса, и спиц. Предпочтительнее нечетное число спиц в колесе во избежании их разрыва. При увеличении диаметра колеса количество спиц увеличивают (при диаметре 1250 мм – ВЛ22^м 11 спиц, ЧС2 и ЧС4 – 12 спиц, 1050 мм – 11, 950 мм – 9 спиц). Центры колесной пары типа II имеют отверстие в ступице колесного центра растачивается по подступичной части оси с соблюдением установленных механическим условиям натягов.

Основанием для отказа от спицевых колесных центров послужило резкое изменение жесткости колеса в местах примыкания спиц к ободу, вызывающее повышенное динамическое воздействие колес на путь, особенно при прохождении стыков и стрелочных переводов. Кроме того, значительное сосредоточение металла в отдельных частях колесного центра, особенно у колесной ступицы, создает большие внутренние напряжения, вызывающие при остывании трещины в ступицах.

У электровозов ВЛ80, ВЛ60 между ступицей и ободом имеются два диска с овальными отверстиями для облегчения центра, а между дисками сделаны перемычки для повышения прочности центра.

Колесные центры выполняются литыми и катаными. Отливаются из стали особого качества 20Л или 25Л группы III. Отлитые центры для получения однородной и мелкозернистой структуры металла и снятия внутренних напряжений подвергается отжигу.

Колесные центры пассажирских электровозов должны подвергаться балансировке.

Рис.5.4 Колесная пара электровоза ВЛ84 1 – зубчатый венец; 2 - кожух ; 3 – невращающаяся цапфа; 4 – полый вал; 5 – палец привода колесного центра; 6 – бандажное кольцо; 7 – колесный центр; 8 – ось колесной пары; 9 – болт крепления цапфы ; 10 – роликовый подшипник зубчатого колеса; 11 - шестерня; 12 – вал тягового двигателя; 13 – шатун с резинометаллическими втулками; 14 – центр зубчатого колеса

В конструкции электровоза ВЛ84 крутящий момент передается на колесный центр с помощью полого вала и двух плоских шатунных муфт (рис.5.4) [10].

Из – за особенностей тягового привода и больших осевых нагрузок диаметр ходовых колес по кругу катания принимают равным 1350 мм, колесные центры дисковые, у осей средние и подступичные части имеют увеличенный диаметр.

На грузовых и пассажирских вагонах и высокоскоростном подвижном составе применяют цельнокатаные дисковые безбандажные колеса. Их изготавливают из мартеновской стали обжимкой под гидравлическим прессом. Они по сравнению с бандажными имеют меньшую массу, и у них отсутствует ослабление бандажей. Использование цельнокатаных колес уменьшает стоимость изготовления колесных пар. При этом масса колесных пар снижается на 400 – 500 кг и упрощается её формирование. Однако износостойкость их значительно меньше, чем бандажных, они чаще выходят из строя из – за повреждения поверхности катания. Вместе с тем, по соображениям безопасности на высокоскоростном подвижном составе применяют, как правило, безбандажные. Первоначальная толщина обода такого колеса 70 мм. По мере образования проката колеса обтачивают. После предельного износа цельнокатаные колеса перетачивают на дисковые и насаживают на них отдельные бандажи.

В Японии на высокоскоростных линиях применяют цельнокатаные колеса с закалкой обода, что увеличивает их твердость и усталостную прочность.

 

Бандажи

 

На бандажи действуют нагрузки от вертикальных и горизонтальных сил взаимодействия колес и рельсов. Напряжения, связанные с действием этих сил в зоне контакта колеса и рельса, могут быть достаточно большими. При прохождении неровностей пути эти силы часто имеют ударный характер. В процессе эксплуатации происходит проскальзывание колес относительно рельсов.

Материал бандажа должен обладать высокой прочностью при растяжении, сжатии и смятии, быть достаточно износостойким и вязким, чтобы сопротивляться ударным нагрузкам, которые особенно опасны в зимнее время. Из материаловедения известно: чтобы повысить твердость необходимо увеличить содержание углерода в стали, но это будет снижать её вязкость. Получение одновременно большей твердости и вязкости достигается изменением химического состава стали (введением специальных легирующих добавок) и специальной термической обработкой.

Бандажи изготовляют из раскисленной мартеновской стали. Обеспечение одновременно высокой твердости и вязкости достигается введением легирующих элементов и специальной термической обработкой (закалка и отпуск). Для пассажирских локомотивов изготовляют бандажи из стали Ст1, для грузовых и маневровых локомотивов из стали Ст2.

В металле не должно быть остатков, усадочной раковины, рыхлости, расслоений, газовых пузырей, флокенов и неметаллических примесей. Флакены и примеси приводят к концентрации напряжений и усталостному разрушению металла. В глубине металла появляются и развиваются трещины которые вызывают расслоение металла и отколы, а также расслоение бандажа.

Бандажи проверяют на отсутствие трещин сбрасыванием с определенной высоты на рельс, установленный на массивном основании. Лучший же метод исследования – дефектоскопия, выявляющая пороки в материале бандажей.

Механической обработке подвергаются поверхности катания, гребень, внутренняя грань и посадочная поверхность бандажа. Внутренняя посадочная поверхность протачивается в соответствии с диаметром обода колесного центра, причем диаметр посадочной поверхности принимается меньше наружного диаметра обода. У наружной грани на внутренней поверхности оставляется упорный буртик, предохраняющий сползание бандажного кольца к середине колесной пары, а у внутренней грани вытачивается канавка для бандажного кольца, обеспечивающего предотвращение сползания бандажа наружу.

Ширина бандажей колесных пар электровозов отечественных железных дорог 140 мм, толщина по кругу катания у новых - 90 мм, минимальная в эксплуатации – 40 мм. Толщина гребня, измеряемая на расстоянии 20 мм от его вершины равна 33 мм. Вагонные бандажи отличаются от локомотивных шириной (130 вместо 140 мм), высотой гребня (28 вместо 30 мм) и углом наклона гребня (60 вместо 70°). Величина угла определяет условия безопасности в отношении схода колеса с рельсов, при всползании его на рельс.

Профиль бандажа определяется ГОСТ 11018 – 87 (рис.5.5). Поверхность катания коническая, причем на разных участках она составляет 1/7 и 1/20.

С целью уменьшения износа гребней бандажей, рельсов улучшения ходовых качеств локомотива предложены и другие профили [11].

Для посадки бандажа на обод колеса бандаж нагревается до температуры 250 – 320 ˚С. В уложенный горизонтально нагретый бандаж опускается колесный центр до упора в кольцевой выступ на внутренней расточке бандажа. Пока бандаж не остыл, в выточку вводится разрезное бандажное кольцо и производится обсадка внутренней кромки бандажа для обеспечения плотного крепления кольца. Концы кольца должны плотно подходить один к другому.

Рис.5.5 Профили поверхности катания (а) локомотивного и (б) вагонного бандажей

После остывания бандажа, плотность его посадки на колесный центр проверяется обстукиванием ручным молотком. Молоток должен издавать чистый (звонкий) звук и упруго отскакивать. Затем на ободе наноситься контрольная риска глубиной не более 1 мм, а на бандаже напротив этой риски керном наносятся 4 – 5 точек глубиной 1,2 – 2 мм. По сделанным меткам осуществляется наблюдение в эксплуатации за прочностью крепления бандажа. Окончательная обточка бандажей производиться после их насадки.

Масса бандажей составляет значительную часть массы колесной пары, значит для уменьшения вредного воздействия на путь её на путь необходимо снижать толщину бандажа, что неэкономично с точки зрения использования бандажа при неизбежных обточках. Поэтому, толщину бандажа снижают только для высокоскоростного транспорта.

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться: