Способ крепления бандажа на колесном центре

Способ крепления бандажа на колесном центре

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Надежное крепление бандажа на колесном центре является необходимым условием безаварийной работы транспорта. Однако существующие технологии крепления бандажа на ободе колесного центра для локомотивов и моторных вагонов не дают полной гарантии его надежного крепления.

По существующей технологии [1, 2] посадочную поверхность бандажа растачивают в соответствии с диаметром обода колесного центра. По нормам [1] внутренний диаметр бандажа должен быть меньше наружного диаметра обода центра на 1,2-1.6 мм на каждые 1000 мм диаметра обода колесного центра. После обточки внутренней поверхности бандаж равномерно нагревают до 250-320°С и в горячем состоянии надевают на обод колесного центра. Бандаж крепят фасонным установочным кольцом, которое помещают в специальной выточке, выполненной с наклоном внутрь бандажа. Для того чтобы посадка бандажа на колесный центр как можно медленнее ослабевала, соприкасающиеся поверхности бандажа и центра чисто обрабатывают (по нормам [1] R_z=20 мкм). При грубой обработке поверхностей по существующей версии [2] вначале соприкосновение происходит по острым вершинам гребешков от резца, которые потом сминаются, и посадка бандажа ослабевает. Увеличение натяга приводит к излому бандажа. Для контроля за сдвигом бандажа после его насадки на обод наносят контрольные метки на наружные грани бандажа и колесного центра. Бандаж изготавливают на специальных прокатных станах из углеродистой мартеновской стали с временным сопротивлением растяжению не менее 80 кг/мм².

Недостатком существующего способа крепления бандажа являются высокие кольцевые напряжения натяга, которые в совокупности с высокими радиальными напряжениями от веса и удара колеса при набегании на стык рельсов приводят к появлению пластических деформаций, увеличению внутреннего диаметра бандажа, уменьшению сил трения и как результат к аварийному отделению бандажа от колесного центра.

Цель изобретения - повышение прочности соединения колесный центр - бандаж и увеличение допускаемого ресурса эксплуатации колес. Предлагается новый способ крепления бандажа, обеспечивающий плотную посадку бандажа на колесный центр и отсутствие проскальзывания под действием внешних касательных сил.

Новый способ обоснован расчетом напряженного состояния (НС) составных колец, в результате которого установлено, что шероховатость поверхности контакта мало влияет на напряжения натяга. Даже при шероховатости R_z=50 мкм напряжения натяга уменьшаются всего на 3%. При этом напряжения от натяга Δ=1,6 мм на диаметр для бандажа с параметрами r₁=510 мм, r₂=600 мм составляют σ_t'=284 МПа и контактное давление р=23 МПа.

Гораздо большее значение для уменьшения напряжений от натяга имеет отклонение от круглости бандажа и колесного центра, которое допускается в пределах 0,2-0,5 мм. Такую же роль играет допуск 0,5 мм радиального биения бандажей по кругу катания относительно осевых шеек [1]. В зависимости от длины волны отклонения оно меняет параметр р_* функции контактной податливости [3] на несколько порядков. (Параметр р_* - это давление, при котором исходное расстояние γ₀ между базовыми поверхностями уменьшается в два раза). Поэтому величина натяга зависит прежде всего от длины волны отклонения от круглости и радиального биения внутренней поверхности бандажа.

Причина ослабевания напряжений натяга обнаруживается при детальном рассмотрении НС, возникающего в бандаже от действия напряжений натяга и внешних сил:

силы тяжести, создающей давление на части внутреннего контура бандажа, и сил от опоры на рельсы и от удара на стыке рельсов.

При посадке бандажа с натягом на внутренней поверхности бандажа возникают кольцевые напряжения σ_t1' и радиальные напряжения σ_r1'. Эти напряжения зависят от величины натяга Δ и параметров функции контактной податливости.

При действии на внутренней поверхности диска (колесного центра) r₀ силы веса Р в зонах контакта бандажа с полуплоскостью и с диском на внутренней поверхности бандажа возникают напряжения σ_t1 и σ_r1. Эквивалентные напряжения σ_экв1 на внутренней поверхности бандажа тем больше, чем больше напряжения от натяга. При σ_z=0 и τ_tz=τ_rz=0 эквивалентные напряжения определяются по формуле

Как показывают расчеты, напряжения от натяга (и, следовательно, требуемая величина натяга) зависят, прежде всего, от величин γ₀ и p_*, а величина р_* определяется соотношением между отклонением от круглости и длиной волны этого отклонения. Сила веса составляет примерно Р=130 кН, а сила удара на стыках рельс Р_у=0,5-0,7 МН, а на крестовинах Р_у=1,5-3,5 МН [4]. Принимаем для оценки напряженного состояния бандажа Р=130 кН, Р_у=3,25 МН. Анализ результатов расчетов показывает, что эквивалентные напряжения σ_экв переходят за предел текучести R_p0,2=570 МПа при идеальном контакте уже при натяге Δ>0,6 мм на радиус.

Приравнивая σ_экв=R_p0,2, получаем максимально возможную величину натяга при волнистости меньше 0,1 мм. Таким образом, чем меньше напряжения натяга, тем прочнее бандаж. Однако к бандажу, надетому, например, на колесный центр, предъявляется еще требование воспринимать касательные напряжения, возникающие от действия продольной силы Т, без проскальзывания бандажа по колесному центру.

Предельная продольная сила Т на поверхности контакта бандажа с жесткой полуплоскостью должна быть не более

T<f₂P,

где f₂ - коэффициент трения скольжения на радиусе r₂.

Таким образом, на внутренней поверхности бандажа r₁ интегральный крутящий момент от предельных касательных напряжений τ₁, равных

τ₁=f₁(σ_rl+σ_r1'),

должен быть при отсутствии проскальзывания не меньше момента от силы Т на радиусе r₂:

Следовательно, напряжения σ_r1', зависящие от натяга, должны обеспечивать не только прочность бандажа, но и непроскальзывание его по центру, и, таким образом, натяг должен быть не меньше определенной величины. То есть существует область оптимальных значений натяга, обеспечивающих, с одной стороны, прочность бандажа, а с другой стороны, такую величину касательных напряжений на радиусе r₁, которая обеспечивает непроскальзывание бандажа по центру. Учитывая, что из условия равновесия сила Р равна

а радиальные напряжения σ_r1' от натяга Δ величина постоянная по длине окружности, преобразуем условие (1) к виду

и далее к виду

Правая часть неравенства зависит от отношения коэффициентов трения и через напряжения σ_r1 от силы Р. Поскольку левая часть неравенства зависит только от величины натяга, мы получаем нижнюю границу для величины натяга Δ. Пересечение кривых σ_r1'=σ_r1'(Δ) и F=F(f₂/f₁;|σ_r1|) дает нам минимальное значение натяга. Таким образом, область оптимальных значений натяга определена.

Следует отметить, что минимальное значение натяга зависит также от отношения коэффициентов трения скольжения f₂ на радиусе r₂ и f₁ на радиусе r₁. И чем меньше отношение f₂/f₁, тем меньше требуемая величина натяга. Поскольку коэффициент трения f₂ на радиусе r₂ задается внешними условиями, уменьшение отношения коэффициентов трения может быть достигнуто только за счет увеличения коэффициента трения f₁ на радиусе r₁. Проведенные авторами экспериментальные исследования изменения коэффициента трения скольжения показали, что существенное увеличение коэффициента трения может быть достигнуто применением специальных мелкодисперсных покрытий. Например, покрытие поверхностей мелом увеличивает коэффициента трения в несколько раз, делая его даже больше 1.

Литература

1. Инструкция по формированию, ремонту и содержанию колесных пар тягового подвижного состава железных дорог колеи 1520 мм. - МПС РФ. - Главное управление локомотивного хозяйства. - 1995 - 121 с.

2. Калинин В.К., Михайлов Н.М., Хлебников В.Н. Электроподвижной состав железных дорог. - М.: Транспорт, 1972 - 536 с.

3. Тупицын А.А. и др. Об аппроксимирующей функции сближения шероховатых контактирующих поверхностей в многослойных конструкциях. Изв. ВУЗов. Машиностроение, 1983, №12, с.3-9.

4. Вертинский С.В., Данилов В.Н., Хусидов В.Д. Динамика вагона. - М.: Транспорт, 1991 - 360 с.

Способ насадки бандажа на колесный центр, включающий расточку поверхности бандажа внутренним диаметром меньше наружного диаметра обода колесного центра с шероховатостью поверхности не более R_z20, нагрев бандажа и надевание бандажа на колесный центр с креплением его фасонным установочным кольцом, отличающийся тем, что превышение наружного радиуса обода колесного центра над внутренним радиусом бандажа составляет не менее величины волнистости или радиального биения внутренней поверхности бандажа и не более 0,6 мм при волнистости менее 0,1 мм, а на поверхность обода колесного центра перед надеванием бандажа наносится специальное мелкодисперсное вещество, например мел.