Цельнокатаное колесо высокоскоростного железнодорожного транспортного средства
Полезная модель относится к рельсовому транспорту и может быть использована в ходовой части железнодорожного подвижного состава, особенно скоростного пассажирского транспорта. Цельнокатаное колесо высокоскоростного" рельсового транспортного средства включает обод с поверхностью катания, плоский диск и полую ступицу, сопряженные переходными поверхностями. Новым является то, что отрезок прямой, сопряженный с одной стороны с выпуклой, а с другой - с вогнутой дугами окружностей, совместно с которыми он образует рабочую поверхность гребня, имеет угол наклона 70° к горизонтали, а профиль поверхности катания обода состоит из сопряженных отрезков дуг окружностей и одного отрезка прямой, сопряженного с дугой окружности, наиболее удаленной от гребня, при этом последний из упомянутых отрезков прямой расположен с наклоном 1:7 к оси колесной пары, а поверхность катания заканчивается фаской. Технический результат - повышение скоростного режима железнодорожного транспортного средства за счет одновременного исключения набегания колеса на внешний рельс кривого участка пути, значительного уменьшения износа поверхностей катания колес и рельсов, снижения рабочих напряжений в точках контакта колеса с рельсом, а также за счет повышения запаса устойчивости против схода с рельсов. 1 н.з.п. ф-лы, 3 ил.
Полезная модель относится к рельсовому транспорту и может быть использована в ходовой части железнодорожного подвижного состава, особенно скоростного пассажирского транспорта.
В настоящее время, в связи со значительно возросшими скоростями движения рельсового транспорта, к колесам предъявляются повышенные требования, поскольку именно колеса контактируют с рельсами и воспринимают циклические напряжения, вызываемые нормальными рабочими статическими и динамическими нагрузками и нагревом при торможении. Именно от профиля рабочей поверхности колеса зависит возможный скоростной режим движения рельсового транспорта, особенно на криволинейных участках пути.
Из уровня техники известны конструкции колес, каждое из которых содержит обод, ступицу и диск различной конфигурации, например, прямой, вертикальный, наклонный к оси колеса и изогнутый (S-образный, тороидальный и др.). При этом наклонные и изогнутые диски имеют переходные участки сопряжения с ободом и ступицей. (Бибик Г.А. и др. Производство железнодорожных колес. М. Металлургия, 1982, с.9-13).
Эксплуатационные качества известных колес определяются способностью выдерживать циклические напряжения, вызываемые нормальными рабочими статическими и динамическими нагрузками и нагревом при торможении. Результаты ходовых испытаний и опыт эксплуатации свидетельствуют, что имеет место преждевременный выход колес из строя до истечения полного срока службы, а также высокая вероятность схода колеса с рельса.
Существующий стандарт "Колеса цельнокатаные. Конструкция и размеры", ГОСТ 9036-88, черт.2 на стр.3 устанавливает, что ширина бандажа колес для вагонов равна 130 мм, профиль поверхности катания обода железнодорожного колеса образуется двумя отрезками прямых с наклоном к оси колесной пары 1:20 (с конусностью 1:10) и 1:7 (конусностью 1:3,5) и дугой окружности (выкружки) радиусом r=15 мм в месте перехода от поверхности катания к гребню колеса, угол наклона образующей которого равен 60°.
Основным недостатком этой конструкции является наличие значительного проскальзывания колес по рельсам, особенно в кривых, когда возникающие продольные силы приводят к набеганию колеса на внешний рельс кривого участка пути, в связи с чем происходит преждевременный износ поверхностей катания колеса и рельса, особенно гребня колеса и боковой поверхности головки рельса. Наличие угла наклона образующей гребня в 60° способствует в этих условиях накатыванию гребня колеса на головку внешнего рельса кривой малого радиуса даже при небольших отклонениях от норм и правил загрузки вагона и содержания пути по ширине колеи и уровню.
Кроме того, ширина обода колеса в 130 мм не позволяет увеличить ширину колеи в кривых малого радиуса и движение в них происходит по схеме зажатого (заклиненного) вписывания, а это создает дополнительные усилия воздействия на путь, приводящие к более быстрому его расстройству.
Криволинейный профиль поверхности обода колеса (ГОСТ 9036-88, черт.5 на стр.10), кроме увеличения угла наклона образующей гребня до 67°30', практически не отличается от профиля согласно черт.2 этого ГОСТа и не решает вопросов улучшения вписывания вагонов в кривые малого радиуса, так как условия взаимодействия колесной пары с железнодорожным путем в кривых участках пути остаются прежними.
Наиболее близким техническим решением можно считать Цельнокатаное колесо для железнодорожного транспорта, содержащее обод, ступицу и наклонный диск, снабженный участками его перехода по наружной и внутренней сторонам в обод и ступицу, выполненными по радиусу, диск в радиальном направлении выполнен плоским, с прямолинейными образующими и с наклоном к оси колеса под углом 71-75°, а участки перехода диска в обод и ступицу расположены на единой оси, диск сопряжен с ободом кривыми одного радиуса по наружной и внутренней сторонам и со ступицей также кривыми одного радиуса по наружной и внутренней сторонам (см. RU 2085403 С1 от 27.07.1997).
К недостаткам прототипа, так же, как и в предыдущих случаях, можно отнести сложность изготовления профиля колеса, высокие рабочие напряжения в точках контакта колеса с рельсом, малый запас устойчивости против схода с рельсов и несоответствие его технических характеристик новым требованиям,
предъявляемым современным железнодорожным транспортом к узлам и деталям подвижного состава.
Задачей настоящей полезной модели является создание цельнокатаного колеса с характеристиками, позволяющими использовать его на высокоскоростных пассажирских железнодорожных транспортных средствах.
Технический результат, достигаемый при реализации настоящей полезной модели, заключается в возможности повышения скоростного режима железнодорожного транспортного средства за счет одновременного исключения набегания колеса на внешний рельс кривого участка пути, значительного уменьшения износа поверхностей катания колес и рельсов, снижения рабочих напряжений в точках контакта колеса с рельсом, а также повышение запаса устойчивости против схода с рельсов.
Указанный технический результат достигается за счет того, что цельнокатаное колесо высокоскоростного рельсового транспортного средства включает обод с поверхностью катания, плоский диск и полую ступицу, сопряженные переходными поверхностями. Новым, согласно предлагаемой полезной модели, является то, что отрезок прямой, сопряженный с одной стороны с выпуклой, а с другой - с вогнутой дугами окружностей, совместно с которыми он образует рабочую поверхность гребня, имеет угол наклона 70° к горизонтали, а профиль поверхности катания обода состоит из сопряженных отрезков дуг окружностей и одного отрезка прямой, сопряженного с дугой окружности, наиболее удаленной от гребня, при этом последний из упомянутых отрезков прямой расположен с наклоном 1:7 к оси колесной пары, а поверхность катания заканчивается фаской.
В процессе создания предлагаемой полезной модели опытно-экспериментальным путем было установлено, что угол наклона образующей рабочей части гребня к горизонтали должен составлять 70°, в результате чего обеспечивается оптимальный запас устойчивости против схода с рельсов и исключается возможность набегания колеса на внешний рельс кривого участка пути, что позволяет значительно повысить скоростной режим.
Выполнение профиля поверхности катания обода из сопряженных отрезков дуг окружностей и одного отрезка прямой, расположенного с наклоном 1:7 к оси колесной пары и сопряженного с дугой окружности, наиболее удаленной от гребня, позволяет значительного уменьшить износ поверхностей катания колес и рельсов, а также снизить рабочие напряжения в точках контакта колеса с рельсом, что позволяет значительно повысить скоростной режим.
Наличие фаски позволяет исключить концентрацию напряжений на конечных участках обода, что ведет к уменьшению износа поверхностей катания колес.
Далее предлагаемая полезная модель будет раскрыта более подробно, со ссылкой на графические материалы, на которых
- фиг.1 - общий вид цельнокатаного колеса,
- фиг.2 - разрез А-А с фиг.1,
- фиг.3 - профиль поверхности катания обода предлагаемого колеса.
Цельнокатаное колесо (фиг.1, 2) состоит из обода 1, плоского диска 2 и полой ступицы 3, сопряженных переходными поверхностями 4, 5 (со стороны наружного торца) и 6, 7 (со стороны внутреннего торца).
Обод 1 шириной l0 имеет поверхность катания 8 с теоретическим диаметром катания D0, смещенным относительно наружного торца обода колеса на l0/2. Толщина обода 1 ограничена снаружи поверхностью катания с теоретическим диаметром катания D0, а изнутри величиной поднутрений с диаметрами D1 (со стороны наружного торца колеса) и D2 (со стороны внутреннего торца колеса), причем D2 равен или больше D1 .
Плоский диск 2, перпендикулярный оси вращения колеса, имеет толщину l1 расположен относительно полой ступицы 3 симметрично или может быть смещен в осевом направлении вместе с ободом 1 относительно одного из торцев полой ступицы 3 на величину l2, равную от 0,5 до 0,6 ее ширины l 3, а теоретический диаметр катания D0 может быть смещен относительно середины обода на величину ±0,1 ширины обода l0 или от любого торца обода 1 на величину 0,4-0,6 ширины обода l0.
Следует отметить, что в данном примере раскрытия предлагаемой полезной модели описывается колесо для моторной тележки высокоскоростного железнодорожного транспортного средства, где предполагается, что тормозные диски будут установлены на самом колесе, для чего в средней части плоского диска 2 равномерно по окружности диаметром D3 расположены отверстия 9 диаметром d1 для крепления тормозных дисков с обоих торцов колеса, причем отверстия 9 расположены в зоне минимальных напряжений, где эпюра напряжений от суммарно действующих на колесо эксплуатационных нагрузок меняет знак. Эта зона находится в пределах (2/3-3/4) от теоретического диаметра катания D 0.
Однако, в случае выполнения предлагаемого колеса для немоторной тележки высокоскоростного железнодорожного транспортного средства, отпадает надобность в выполнении вышеуказанных отверстий 9.
Сопряжение плоского диска 2 с ободом 1 выполнено переходными поверхностями 4 (со стороны наружного торца колеса) и 6 (со стороны внутреннего торца), описанными дугами с одиночными огибающими радиусами R1, R 2, из которых огибающий радиус дуги со стороны внутреннего торца колеса R2 в полтора-два раза больше огибающего радиуса R1 дуги со стороны наружного торца колеса.
Полая ступица 3 имеет наружный диаметр D4 и содержит внутреннее отверстие 10 диаметром d2 для посадки на ось колесной пары (на чертеже не показана).
Сопряжение плоского диска 2 с полой ступицей 3 выполнено переходными поверхностями 5 (со стороны наружного торца колеса) и 7 (со стороны внутреннего торца колеса) с огибающей линией, состоящей из сочетания двух сопряженных радиусов R3 и R4, из которых R3, ближний к плоскому диску 2, в 10-15 раз больше чем ближний к полой ступице 3 радиус R4, а длина дуги с большим радиусом R4 в 2-3 раза больше длины дуги с меньшим радиусом R4. Причем радиусы R4 , ближние к полой ступице 3, сопряжены также с уклонами 
1 и 2 к торцам полой ступицы 3, не превышающими 10°, из которых уклон 2 со стороны внутреннего торца полой ступицы 3 больше уклона 1 со стороны наружного торца полой ступицы 3. При этом теоретическая точка пересечения уклонов 1 и 2 выполнена от наружного и внутреннего торцов полой ступицы 3, соответственно, на расстояниях l4 и l5, соотносящихся между собой как 1,0-1,5.
Профиль поверхности катания обода колеса (фиг.3) состоит из сопряженных отрезков дуг окружностей и одного отрезка прямой. Дуга окружности радиусом R6 проходит между точками F и Е, а дуга окружности радиусом Кб проходит между точками Е и С.
В точке С дуга окружности радиусом R6 плавно переходит в отрезок прямой СВ, расположенный с наклоном 1:7 к оси колесной пары.
Таким образом получается, что отрезок прямой СВ сопряжен с дугой окружности радиусом R6, наиболее удаленной от гребня, что позволяет оптимизировать характеристики предлагаемого колеса.
Поверхность катания заканчивается фаской, позволяющей снизить концентрацию напряжений. Фаска выполняется на участке ВА.
Рабочая поверхность гребня состоит из сопряженных отрезков дуг окружностей и одного отрезка прямой. Отрезок прямой F1G сопряжен с одной стороны с выпуклой дугой окружности радиусом R7, а с другой стороны сопряжен с вогнутой дугой окружности радиусом R8.
Отрезок прямой F1G имеет угол наклона 70° к горизонтали, что обеспечивает необходимый запас устойчивости против схода с рельсов.
Колесо работает следующим образом.
В статике (покое) колесо находится под действием силы тяжести приходящейся на него части массы рельсового транспортного средства.
Вращение на колесо передается со стороны оси колесной пары (на чертеже не показано), находящейся в отверстии 10 ступицы 3 с гарантированным натягом. От полой ступицы 3 усилие через плоский диск 2 передается на обод 1, на поверхности катания 8 которого вращательный момент преобразуется в силу тяги транспортного средства.
Обод 1 при работе цельнокатаного колеса изнашивается по поверхности катания 8 и срок службы колеса зависит от интенсивности износа и толщины обода 1, которая определяется величиной поднутрений и наружными размерами поверхности катания 8.
Благодаря более совершенному профилю поверхности катания обода и рабочей поверхности гребня конструкция предлагаемого колеса позволяет повысить скоростной режим железнодорожного транспортного средства за счет одновременного исключения набегания колеса на внешний рельс кривого участка пути, значительного уменьшения износа поверхностей катания колес и рельсов, снижения рабочих напряжений в точках контакта колеса с рельсом, а также за счет повышения запаса устойчивости против схода с рельсов, что подтверждено испытаниями.
Цельнокатаное колесо высокоскоростного рельсового транспортного средства, включающее обод с поверхностью катания, плоский диск и полую ступицу, сопряженные переходными поверхностями, отличающееся тем, что отрезок прямой, сопряженный с одной стороны с выпуклой, а с другой - с вогнутой дугами окружностей, совместно с которыми он образует рабочую поверхность гребня, имеет угол наклона 70° к горизонтали, а профиль поверхности катания обода состоит из сопряженных отрезков дуг окружностей и одного отрезка прямой, сопряженного с дугой окружности, наиболее удаленной от гребня, при этом последний из упомянутых отрезков прямой расположен с наклоном 1:7 к оси колесной пары, а поверхность катания заканчивается фаской.
