Ресурс и ремонтопригодность колесных пар подвижного состава железных дорог


                НАУЧНАЯ МЫСЛЬ




СЕРИЯ ОСНОВАНА В 2008 ГОДУ



РЕСУРС
И РЕМОНТОПРИГОДНОСТЬ КОЛЕСНЫХ ПАР
ПОДВИЖНОГО СОСТАВА ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

МОНОГРАФИЯ

Под редакцией профессора И.А. Иванова


znanium.com электронно-библиотечная система
Москва
ИНФРА-М


2024

УДК 656.2(075.4)
ББК 39.28
      Р44

   ФЗ    Издание не подлежит маркировке  
№ 436-ФЗ в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1

      Авторы:
         Воробьев А.А., Губенко С.И., Иванов И.А., Кондратенко В.Г., Кононов Д.П., Орлова А.М.


          Ресурс и ремонтопригодность колесных пар подвижного состава Р44 железных дорог : монография / А.А. Воробьев, С.И. Губенко, И.А. Иванов [и др.] ; под ред. проф. И.А. Иванова. — Москва : ИНФРА-М, 2024. — 264 с. — (Научная мысль).
          ISBN 978-5-16-005039-3 (print)
          ISBN 978-5-16-101168-3 (online)
          В монографии представлены результаты комплексных теоретических и экспериментальных исследований процессов взаимодействия в системе «колесо — рельс» и в технологических системах восстановления работоспособности колесных пар, а также рассмотрены закономерности протекания этих процессов при восстановлении колес с повышенной твердостью обода.
          Книга предназначена для научных и инженерно-технических работников предприятий и научно-исследовательских организаций, работающих в области проектирования и эксплуатации подвижного состава, а также для преподавателей, аспирантов и студентов механических факультетов вузов железнодорожного транспорта.
УДК 656.2(075.4)
ББК 39.28
   ISBN 978-5-16-005039-3 (print)
   ISBN 978-5-16-101168-3 (online)              © Коллектив авторов, 2011



Издано в авторской редакции

Подписано в печать 28.09.2023.
Формат 60^90/16. Гарнитура Newton. Бумага офсетная.
Печать цифровая. Усл. печ. л. 16,5.
ППТ12. Заказ № 00000

ТК 158450-2115223-250711

Оригинал-макет подготовлен в НИЦ ИНФРА-М
ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29
E-mail: books@infra-m.ru http://www.infra-m.ru

Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М» 127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1 Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

            Введение


   Опыт эксплуатации подвижного состава показывает, что значительная часть отказов в пути следования и неплановых ремонтов колесных пар является следствием износа и термомеханических повреждений верхних слоев поверхности катания и гребня. Появляющиеся дефекты вызваны главным образом динамическим взаимодействием пути и подвижного состава, а также процессом торможения. Они прямо или косвенно влияют на безопасность движения и работоспособ-ноть колес.
   Работоспособность колесных пар восстанавливается периодическими ремонтами. При этом наиболее распространенным способом восстановления геометрических параметров профиля поверхности катания колес является обточка на колесотокарных станках. На поверхности катания колес, поступающих из эксплуатации в ремонт, нередко имеются такие дефекты, которые вызывают затруднения при восстановлении профиля обточкой, значительно ухудшая обрабатываемость. Обточка в этом случае ведется «под корку», т.е. при ремонте срезается работоспособный металла обода, снижается ресурс колеса.
   Для улучшения обрабатываемости, повышения износостойкости и сокращения потерь колесной стали, в последнее время в практике ремонта колес находят методы термической обработки материала верхних слоев поверхности катания и гребня.
   В работе рассмотрены вопросы ремонта колесных пар без смены и со сменой элементов. Уделено внимание способу термической обработки поверхности катания в процессе ремонта с целью улучшения физико-механических свойств верхних слоев металла обода.
   Материалы, используемые в работе, являются обобщением исследований, проводимых на кафедре «Технология металлов» Петербургского государственного университета путей сообщения в творческом содружестве с Национальной металлургической академией Украины, Октябрьской железной дорогой, Метрополитеном, Октябрьским элек-тровагоноремонтным заводом (г. Санкт-Петербург), ВНИИЖТом, МИИТом и др.

3

   Глава 1


            ОБЩЕЕ УСТРОЙСТВО КОЛЕСНОЙ ПАРЫ


1.1  Обзор типов колесных пар, основные конструктивные размеры колесной пары, колесные пары для российских железных дорог и нормативные документы на них
   Колесной парой называют узел в сборе, [1 - 3], состоящий из оси с установленными на ней неподвижно ходовыми колесами и другими деталями, такими как зубчатые колеса тягового привода, осевые подшипники тягового двигателя или редуктора, тормозные диски, которые не могут быть демонтированы без расформирования колесной пары. Как сборочную единицу различают колесную пару без буксовых узлов (подшипников) и колесную пару с буксовыми узлами (подшипниками). Далее рассмотрены колесные пары без буксовых узлов.
   Колесная пара относится к ходовым частям вагона, и по своему функциональному назначению является опорой, передающей нагрузки на рельсы и обеспечивающей необходимое расстояние между экипажем и дорогой; направляющим устройством, задающим движение вдоль оси рельсового пути, включая кривые и стрелочные переводы; движителем и элементом тормозной системы, обеспечивающим ускорение и замедление.
   Основные варианты исполнения колесных пар показаны на рисунке 1.1 [2].
   Конструкция колесной пары зависит от типа подвижного состава (тяговый, нетяговый). Колесные пары тягового подвижного состава (рис. 1.1, д, е) оборудуются устройствами для передачи крутящего момента, например, зубчатыми колесами.
   Колесные пары, предназначенные для эксплуатации с колодочным тормозом (рис. 1.1, а, б), не имеют дополнительных элементов, колодки тормоза трутся о поверхность катания. Для взаимодействия с клещевыми захватами дисковых тормозов на оси колесной пары (рис. 1.1, в) или колесе (рис. 1.1, г) устанавливаются диски.
   Подшипники могут располагаться относительно колес с внутренней или с внешней стороны. Традиционным является расположение подшипников с внешней стороны (рис. 1.1, а), где они доступны для осмотра и контроля температуры. Расположение подшипников внутри (рис. 1.1, б) позволяет уменьшить размеры ходовых частей, добиться существенного выигрыша по массе тележек, однако, требует от подшипников особой надежности и наличия диагностических устройств, заменяющих их визуальный контроль.

4

Рисунок 1.1 - Основные типы конструкции колесных пар: 1 - ось, 2 - колесо, 3 - шейка оси, 4 - тормозной диск, 5 - зубчатое колесо

   Крепление колеса на оси может производиться жестко или допускать его вращение. При применении свободновращающихся колес уменьшается циклическая нагрузка на оси и масса необрессоренных частей может быть существенно уменьшена. Однако в этом случае возникают дополнительные проблемы, связанные с центрированием колесной пары в рельсовой колее. В связи с этим такая конструкция не нашла широкого применения и далее не рассматривается.
   На осях колесных пар выделяют специальные места, называемые шейками, которые служат для размещения подшипников. На поверхности колеса выделяют круг катания, который является условной окружностью, соответствующей положению геометрических точек контакта между колесами и рельсами при их номинальных размерах.
   У колесной пары следующие основные конструктивные размеры (рис. 1.2), которые определяют ее взаимодействие с подшипниками, буксами, тормозной системой и рельсами:
   -   диаметр и длина шейки оси, которые определяют размеры устанавливаемых подшипников;
   -   расстояние между центрами шеек осей (2b), которое определяет приложение нагрузки от веса вагона на подшипники;

5

    -   диаметры колес (го), которые измеряются по кругу катания;
    -   расстояние между кругами катания (2£);
    -   расстояние между внутренними гранями ободьев колес (2d).
    Несущая способность колесной пары определяется величиной максимальной расчетной статической нагрузки от колесной пары на рельсы (Ро), а динамическая нагруженность - величиной конструкцион-





ной скорости.

Рисунок 1.2 - Основные размеры железнодорожной колесной пары





    Типы, основные размеры и технические условия на изготовление колесных пар для эксплуатации на железных дорогах колеи 1520 мм для немоторного подвижного состава определяются ГОСТ 4835-2006 «Колесные пары вагонов магистральных железных дорог колеи 1520 мм. Технические условия» [4], а для моторного и тягового подвижного состава - ГОСТ 11018-2000 «Тяговый подвижной состав железных дорог колеи 1520 мм. Колесные пары. Общие технические условия» [5]. Одновременно с ГОСТ 4835-2006 действуют ТУ 24.05.81682 «Колесные пары с буксовыми узлами на подшипниках качения» [6].
Таблица 1.1

Типы колесных пар немоторного подвижного состава по ГОСТ 4835-2006   
                                         Максимальная расчетная     
Тип колесной       Тип вагона           статическая нагрузка от     
    пары                                колесной пары на рельсы,    
                                                кН (тс)             
РУ1Ш-957-Г          Грузовой                  230,5 (23,5)          
РУ1Ш-957-П        Пассажирский                176,6 (18,0)          
РУ1Ш-957-Э         Немоторный                                       
                 электропоезда                186,4 (19,0)          
РУ1Ш-957-Д         Немоторный                                       
                 дизель-поезда                                      
РВ2Ш-957-Г          Грузовой                  245,2 (25,0)          
РМ3                 Моторный                  196,0 (20,0)          
РМ5               электропоезд                216,0 (22,0)          

6

    ГОСТ 4835-2006 установлены пять типов колесных пар с осями типов РУ 1Ш и РВ2Ш, колесами диаметром по кругу катания 957 мм в зависимости от типа вагона и максимальной расчетной статической нагрузки от колесной пары на рельсы (табл. 1.1). Кроме колесных пар, перечисленных в табл. 1.1 в эксплуатации под грузовыми и пассажирскими вагонами имеются колесные пары с осями РУ 1. Требования к основным размерам колесных пар приведены в табл. 1.2.
Таблица 1.2

Основные размеры колесных пар немоторного подвижного состава по ГОСТ 4835-2006

                                                      Значение,  
                  Основные размеры                        мм     
Расстояние между внутренними боковыми поверхно-                  
стями ободьев колес                                  1440+2      
Разность расстояний между внутренними боковыми       не более 1,5
поверхностями ободьев колес                                      
Разность диаметров колес по кругу катания в одной    не более 1,0
колесной паре                                                    
Разность расстояний от торцов преподступичных час-               
тей оси до внутренних боковых поверхностей ободьев   не более 3,0
колес с одной и другой стороны колесной пары                     
Отклонение от соосности кругов катания колес относи- не более 1,0
тельно оси базовой поверхности                                   

    Колесные пары для скоростей движения от 140 до 160 км/ч подвергаются динамической балансировке. Допускаемый дисбаланс в плоскости каждого колеса относительно оси, проходящей через центры кругов катания колес, должен быть не более 0,6 кг-см.
    На каждой колесной паре в холодном состоянии на торце шейки оси должны быть выбиты знаки маркировки: условный номер предприятия, сформировавшего колесную пару, знак формирования, дата формирования, знак балансировки, знак монтажа буксовых узлов, клеймо ОТК.
    ГОСТ 11018-2000 [5] устанавливает требования к колесным парам тягового подвижного состава для скоростей движения до 200 км/ч. Требования к основным размерам колесных пар приведены в таблице 1.3.
    Колесные пары с неподвижно закрепленными зубчатыми колесами для скоростей движения от 100 до 120 км/ч для локомотивов и до 130 км/ч для МВПС подвергаются статической балансировке. Допускаемый дисбаланс не должен превышать 25 кг-см.
    Колесные пары с неподвижно закрепленными зубчатыми колесами для скоростей движения более 120 км/ч для локомотивов и более 130

7

км/ч для МВПС подвергаются динамической балансировке. Допускаемый динамический дисбаланс в плоскости каждого колеса не должен превышать 12,5 кг-см для конструкционной скорости до 160 км/ч и 7,5 кг-см - свыше 160 км/ч до 200 км/ч.
Таблица 1.3

Основные размеры колесных пар тягового подвижного состава по ГОСТ 11018-2000

                 Основные размеры                  Значение, мм
Расстояние между внутренними боковыми поверхно-                
стями ободьев колес                                            
- для конструкционной скорости до 120 км/ч         1440+3      
- для конструкционной скорости свыше 120 км/ч      1440 ±1     
Ширина обода колеса                                            
- для локомотивов                                  140+2       
- для МВПС                                         130+3       
Разность по ширине обода колеса                    не более 3,0
Диаметр колес по кругу катания                     780..1850   
- для локомотивов                                  (ГОСТ 3225) 
- для МВПС                                         957         
- для обандаженных колес МВПС и тендеров           (ГОСТ 9036) 
                                                   850..1050   
                                                   (ГОСТ 5000) 
Допуск торцевого биения внутренних торцов ободьев              
колес относительно центров оси                                 
- для конструкционной скорости до 120 км/ч                     
- для конструкционной скорости свыше 120 км/ч до               
160 км/ч                                           не более 1,0
- для конструкционной скорости свыше 160 км/ч до   не более 0,8
200 км/ч                                           не более 0,5
Допуск радиального биения круга катания колес от-              
носительно центра оси                                          
- для конструкционной скорости до 70 км/ч                      
- для конструкционной скорости свыше 70 км/ч до                
120 км/ч                                           не более 1,0
- для конструкционной скорости свыше 120 км/ч до   не более 0,5
200 км/ч                                           не более 0,3
Разность расстояний от торцов преподступичных час-             
тей оси до внутренних боковых поверхностей ободьев не более 2,0
колес с одной и другой стороны колесной пары                   

Для колесных пар для скоростей движения свыше 200 км/ч применяется ГОСТ Р 52942-2008 «Рельсовый транспорт. Колесные пары и

8

тележки. Оси. Требования к изделию». Так как высокоскоростной подвижной состав для российских железных дорог находится на стадии проектирования, колесные пары для скоростей движения свыше 200 км/ч не рассматриваются.
   Колеса и оси подвижного состава являются наиболее ответственными деталями подвижного состава. Нарушение их прочности или базовых размеров угрожает сходом подвижного состава с рельсов.
   Основные варианты исполнения колес показаны на рисунке 1.3 [2].
Колеса классифицируют по конструкции: сплошные (рис.1.3, а), бандажные (рис.1.3, б) и сборные (рис.1.3, в). Наибольшее распространение получили цельнокатаные или литые сплошные колеса и бандаж

ные.

Рисунок 1.3 - Основные типы конструкции колес: 1 - диск, 2 - обод, 3 - бандаж, 4 - ступица

9

   Сплошные колеса имеют три основные части: обод, диск и ступицу и, в основном, отличаются формой диска. Различают колеса с прямым диском, с коническим диском, с S-образным диском, со спицевым диском. Прямой диск имеет наименьший вес, его форма выбирается по принципу равенства действующих напряжений во всех сечениях. Коническую и S-образную форму диска применяют для увеличения гибкости и, тем самым, уменьшения сил взаимодействия колес и рельсов, улучшения отвода тепла при нагреве обода тормозными колодками. Волнообразный диск обеспечивает повышенное сопротивление боковым изгибающим нагрузкам, за счет высокой жесткости понижает шум, возникающий при качении.
   У бандажных колес обод выполнен разъемным. Наиболее изнашиваемая часть колеса - поверхность катания, выделена в отдельный элемент - бандаж, который может быть заменен при ремонте при сохранении диска и ступицы колес для дальнейшего использования. Недостатком таких колес является пониженная по сравнению со сплошными надежность, возможность ослабления бандажа, увеличение трудоемкости формирования колесной пары за счет расточки и насадки бандажей.
   Стремление снизить силы взаимодействия за счет уменьшения веса необрессоренных частей привело к созданию сборных упругих колес, в которых между ободом и диском находится слой материала с низким модулем упругости (дерево, резина, полиуретан и т.п.). Упругий слой обеспечивает поглощение высокочастотных вибраций, возникающих в контакте колеса и рельса при качении, однако, несколько снижает прочность конструкции в целом, а также ее пригодность для диагностирования.
   В связи с повышением надежности подшипников в последние годы вновь возродился интерес к свободновращающимся колесам, устанавливаемым в тележке без соединения осью колесной пары или на оси. Когда колеса не связаны между собой осью, это неизбежно приводит к исчезновению направляющих сил при движении по рельсовому пути, поэтому к таким конструкциям термин колесная пара неприменим и далее они не рассматриваются.
   Основными геометрическими размерами колеса (рис. 1.4) являются ширина обода (a), расстояние от внутренней базовой грани до круга катания (b), диаметр (D) и толщина обода (t), которые измеряются в месте расположения круга катания, диаметр ступицы (d), высота (h) гребня и ширина (g) гребня, измеряемая на расстоянии q от вершины.

10