Колісна пара

Наша публікація буде присвячена колісній парі: її будові, елементам конструкції, хімічному скаладу матеріалу, дослідженню і розрахунку навантажень колісних пар. Колісна пара являється однією із головних і відповідальних частин вагона. Вона направляє рух по залізничній колії і сприймає всі навантаження, які передаються від вагона до колії і в зворотному напрямі. Безпечність руху потягів багато в чому залежить від конструкції, матеріалу, технології виготовлення і ремонту колісних пар. Конструкція і стан колісних пар впливає на плавність ходу, величину сил, які виникають при взаємодії вагону і колії, і опору руху. 

Рисунок 1 - Колісна пара 744.10.010 СБ

 

Колісна пара. Колісна пара складається з осі і двох закріплених на ній коліс.Тип колісної пари визначається типом осі і діаметром коліс. Для безпечного руху вагона по залізничних коліях, і особливо по стрілочних переводах, колеса на осі закріплюються так, щоб відстань між внутрішніми вертикальними гранями ободів знаходились в певних рамках. У вагонів широкої колії ця відстань 1440±3мм, якщо швидкість руху не перевищує 120км/год. Для вагонів з більшими швидкостями — 1440±13мм скорочення нижнього допуску зменшує зазор між гребенем колеса і головкою рейси. В результаті цього зменшуються бокові сили, які передаються від коліс на рейси, підвищується стійкість колісної пари від сходу з рейсів, покращується плавність ходу вагона. 

Рисунок 2 - Колісна пара

Колеса, закріплені на одній осі, повинні мати мінімальну різницю діаметрів поверхонь катання (не більше 1мм). Це необхідно для попередження перекосів і сковзання колісної пари, які викликають нерівномірний і збільшений знос поверхонь катання коліс і скручування осі.  Однією з основних вимог до колісної пари є обмеження її неврівноваженості. Неврівноваженість (дисбаланс) колісних пар викликає додаткові напруження в елементах залізничного шляху, в колесах, осях і інших деталях вагона, а також додатковий знос ходових частин, погіршення стійкості колісної пари на рейсах. Дисбаланс в площині кожного колеса відносно осі, яка проходить через центр кіл катання коліс, повинен бути не більше 0,6кг·м. 

     

Осі. Осі розрізняються: 

·            Розмірами основних елементів – в залежності під величини навантаження, яке сприймається .

·           Формою шийки – для підшипників ковзання або кочення (роликових).

·           Формою поперечного перерізу – суцільні і порожні. 

Крім цих ознак, які визначають конструкцію, осі класифікують по матеріалу і технології виготовлення. Основною деформацією в осі являється деформація поперечного згину. Тому у відповідності з епюрою моментів згину найменший діаметр мають шийки, найбільший – підступичні частини, а середній мають конічні преходи від підступичних частин до середині осі. Збільшення діаметра підступичної частини осі обумовлене також наявністю напружень від насадки колеса і впливу корозії тертя. Для зниження концентрації напружень в місцях зміни діаметрів наявні плавні з’єднання – галтелі, виконані певним радіусом. Осі виготовляються із вуглецевої сталі марки Ос В, яка згідно ГОСТ4728-79 має наступний хімічний склад (в %): вуглець -0,40-0,48; марганець – 0,55-0,85; кремній – 0,15-0,35, а також менш ніж пів відсотка фосфору, сірки, міді, нікелю, хрому. Оскільки нестаціонарний режим навантаження при обертанні колісної пари викликає в осі знакоперемінні напруження з амплітудою змінної величини, велике значення мають міри по підвищенню границі виносливості осьової сталі. До таких мір відноситься обточка середньої частини осі і зміцнення всієї осі накаткою роликами, а також контроль ультразвуком, який дозволяє виявити осі з крупно зерновою структурою металу. Підвищення усталосної міцності матеріалу осі може бути досягнуто вдосконаленням термічної обробки, наприклад індукційне загартовування. 

Рисунок 3 - Колісна пара (колесо зі спицями)

 

Колеса. Колеса розрізняються: 

·           Конструкцією – безбандажні (цілісні) і бандажні (складні, які складаються із бандажа, колісного центру); 

·           Матеріалом – стальні і чавунні; 

·           Способом виготовлення – катані і литі; 

·            Розмірами діаметру поверхні катання і ступиці. 

 Елементами конструкції колеса являються обод, диск і ступиця. В найбільш складних умовах навантаження знаходиться обод. Метал ободу повинен мати велику міцність, ударну в’язкість, зносостійкість. Пружність бажана для металу диску. Ці вимоги задовольняються в конструкції скадного колеса, де бандаж виготовлений із сталі високої міцності і твердості, а колісний центр – з більш в’язкої і дешевої сталі. При досягненні граничного зносу або виявленні іншого пошкодження бандаж можна замінити без заміни колісного центру. 

Проте в порівнянні з цільними колесами бандажні колеса мають велику кількість недоліків: менша міцність і надійність (можливе послаблення бандажа), велика трудоємність формування колісної пари, велика маса. Ці недоліки виявляються при підвищенні швидкості потягів і збільшенні навантажень на колеса. 

З’єднання колеса з віссю. Широко розповсюджений спосіб зєднання колеса з віссю – пресова посадка. Колесо, в якого діаметр отвору в ступиці менший діаметру підступичної частини осі, з великим зусиллям напресовується на вісь в результаті чого досягається надійне зєднання колеса з віссю. Контроль за якістю пресового зєднання здійснюється по індикаторній діаграмі, яка показує зміну зусиль по довжині з’єднуваних поверхонь в процесі напресовки колеса на вісь. 

    Сили, які діють на колісну пару: 

·           вертикальне статичне навантаження, яке приходиться на шийку осі; 

·           вертикальне динамічне навантаження обумовлене коливаннями обресорених коліс; 

·           вертикальне навантаження від центробіжної сили, яка завантажує одну шийку і розвантажує іншу; 

·           вертикальне навантаження від тиску вітру на бокову поверхню вагону; 

·           горизонтальне навантаження від центробіжної сили і тиску вітру; 

·           вертикальне навантаження від сил інерції необресорених мас; 

·           вертикальні реакції рейсів. 

 Дослідження колісних пар. Раніше дослідження і розрахунок навантажень колісних пар зводились до виготовлення експериментальних колісних пар та розрахунку досліджень вручну. Так, наприклад, для дослідження порожнистих осей в 70-хх роках один з вагонобудівних заводів виготовив дослідну партію порожнистих осей(близько 1000шт). Колеса для досліджень були використані стандартні. Дані колісні пари були піддані лабораторним і експлуатаційним дослідженням. Внаслідок чого було встановлено, що межа міцності у всіх порожнистих осей не нижче, а чуттєвість до концентрації напружень навіть менше, ніж у стандартних суцільних осях. Тобто дослідження на реальних об’єктах вимагали затрат чималих коштів і були досить трудоємними. Зараз багато досліджень проводяться за допомогою числових методів. Одним із найбільш популярних є метод скінченних елементів.Суть методу випливає з його назви. Область, у якій шукається рішення диференціальних рівнянь, розбивається на кінцеву кількість підобластей (елементів). У кожному з елементів довільно вибирається вид апроксимуючої функції. Складається система лінейних алгебраїчних рівнянь. Так як кожен з елементів пов'язаний з обмеженою кількістю сусідніх, система лінійних алгебраїчних рівнянь має розрідженній вигляд, що істотно спрощує її рішення. Істотним достоїнством численних методів є дешевизна,а конкретно метода скінченних елементів можливість підібрати оптимальне рішення для конкретної задачі сітку можна зробити більш рідкісною в тих місцях, де особлива точність не потрібна.

     Для побудови 3-D моделі була обрана программа SolidWorks 2008. Для аналізу моделі були обрані   такі програмні комплекси:

·           Литвинеко Л.В. Ansys

·           Кулинич Г.А. Femap