Производство колес для вагонов

27/10/2016 11:20am

Автор: редакционная статья

Категории: применение металлопродукции

Производство колес для  вагонов


Колеса различаются по таким параметрам:

По особенности конструкции

Материал изготовления

Способ изготовления

Бандажные

Безбандажные (цельные)

Стальные

Чугунные

Катаные

Литые

В состав бандажной конструкции колес входят бандаж, колесный центр и предохранительное кольцо.

Также они различаются размерами диаметра поверхности катания и ступицы (её размеры определяются диаметром подступичной части оси).
Конструкция железнодорожного колеса включает в себя обод, диск и ступицу.
Самые большие нагрузки приходятся на обод, в особенности на ту его поверхность, которая больше всего контактирует с рельсом (т.е. катится по нему). Она так и называется - поверхность катания. Металл, из которого делают обод, должен иметь большую прочность, ударную вязкость и износостойкость. Металл для ступицы, которая удерживается на оси силами упругости, также должен обладать необходимой вязкостью. Параметры упругости также очень важны и для металла, из которого делается диск. Чтобы удовлетворить эти требования к конструкции бандажного колеса, сам бандаж производится из высокопрочной и высокотвердой стали, а колесный центр – из более дешевой и вязкой стали. При повреждении или износе бандажа его можно заменить без замены колесного центра.
Такой тип колес получил широкое распространение, как у нас, так и за рубежом. 
Но, бандажные колеса уступают безбандажным (цельным) по таким параметрам, как прочность и надежность (возможно ослабление бандажа,  частое  появление трещин в колесах и сдвигание колес с оси), трудовые затраты по формированию колесной пары (необходима расточка и насадка бандажей), масса (колесо, диаметр которого 950 мм, тяжелее на 36 кг). Данные замечания особенно заметны при повышенной скорости движения поезда и большей нагрузке на колеса. Поэтому иногда бандажные колеса заменяют безбандажными. Наиболее оптимальными для выполнения необходимых задач являются цельнокатаные колеса.  
Конструкция стального цельнокатаного колеса представлена на рисунке 1.

 


Рисунок 1

 

   Процесс производства железнодорожного цельнокатаного колеса изображен на рисунках 1.1, 1.2 и 1.3.


Рисунок 1.1
Рис.1.1   Производство железнодорожного цельнокатаного колеса на “Интерпайп НТЗ”


Рисунок 1.2
Рис.1.2  Производство железнодорожного цельнокатаного колеса


Рисунок 1.3
Рис. 1.3 Производство железнодорожного цельнокатаного колеса


В отличие  от своих “предшественников”, при производстве этих колес о более рационально распределяется металл по сечению диска и ступицы, получается меньший уклон внутренней поверхности обода, отсутствуют отверстия для водил колесотокарного станка, выдвигаются новые требования к разрешенным отклонениям размеров отдельных элементов, благодаря чему  колесо становится более сбалансированным. Масса такого объекта равна примерно 385 кг. Переход на производство такой продукции позволяет каждый год экономить солидные объемы материалов и денежных средств.
Данных вид колес обладает повышенной эксплуатационной надежностью, особенно при улучшении технологии их изготовления (путем прерывистой закалки с отдельного нагрева и последующего отпуска, которые выполняются следом за механической обработкой колес).
Для того чтобы колеса и рельсовый путь рационально взаимодействовали, большое внимание стоит уделять форме поверхности катания – профилю колеса. 
Данный профиль обладает гребнем 28 мм в высоту и 33 мм в толщину, измеренную в 18 мм от вершины, поверхность катания конической формы. Этот гребень защищает от схода с рельсов колесной пары, наружная грань наклонена под углом 60º.  А коническая поверхность защищает от неравномерного износа по ширине колеса, способствует облегчению прохождения кривых и центрированию колесной пары на прямых отрезках пути.  Однако из-за данной формы поверхности катания происходит извилистое движение колесной пары. Поверхность колеса, расположенная у наружной вертикальной грани, реже опирается на рельс, потому не так сильно изнашивается, как основная контактирующая с рельсом поверхность. Благодаря наличию такой формы наружная грань колеса может приподниматься над головкой рельса, и это позволяет облегчить прохождение стрелочных переводов в случае износа или наплыва металла на колесе.
В ходе опытов показано, что при увеличении угла наклона наружной грани гребня на 5º до 65º повышается устойчивость колесной пары на рельсах, тем самым повышается безопасность движения. К примеру, при движении на скорости 200 км/ч исследователи получили увеличение коэффициента безопасности от схода с рельсов на 30%.
Необходимость модернизирования  колесотокарных станков и необходимых измерительных приборов обуславливает необходимость мероприятий по совершенствованию профиля колеса и перехода на новые профили.
Для того, что добиться более эффективного взаимодействия колесных пар и путей, большей плавности хода  и меньшего шума многие производители переходят на производство упругих колес. Такие колеса применяются для некоторых серий вагонов метрополитенов.  Конструкция такого упругого колеса представлена на рисунке 2.


Рисунок 2


В этом колесе особую форму имеет бандаж (8), который насажен не на колесный центр, а на центральный диск (7). Предохранительное кольцо (9) необходимо для дополнительного крепления бандажа.  Между центральным диском и колесным центром (11) располагается восемь резиновых вкладышей (6), подверженным сдвигу. Это наиболее рационально для резиновых частей.
Данные вкладыши с двух сторон армируются стальными листами. Их прижимают к колесному центру и центральному диску с помощью нажимной шайбы (3) и шпилек (2) с гайками (1), которые попарно связаны пластинчатыми шайбами 912). Нажимная шайба, в свою очередь, фиксируется штифтами (4) и болтами (5). Два гибких шунта (10) соединяют колесный центр с центральным диском и отводят ток от колеса в рельс. Опыты показали, что подобные колеса способствуют уменьшению ускорений, в частности необрессоренных масс вагона, а также уменьшению боковых сил и коэффициентов динамики. Резиновые элементы этих колес, хоть и имеют небольшой срок службы, хорошо снижают колебания высокой частоты, в том числе и шумовые колебания. Их срок службы можно увеличить, правильно подобрав вкладыши по их жесткости.
В изготовлении колесных центров таких колес применяются алюминиевые сплавы. Это позволяет уменьшить их вес и увеличить упругость.   
Но, поскольку такие колеса являются бандажными, получение надежного соединения стального бандажа с центром из алюминиевых сплавов для их конструкции осложняется из-за различия величин коэффициента линейного расширения этих металлов. Также с трудом обеспечивается надежное соединение такого центра с осью. Поэтому представляют интерес исследования и разработки по совершенствованию формы, материалов и технологических методов выпуска цельнокатаных колес. Например, японские производители изготовили цельнокатаные колеса с гофрированными дисками, которые позволяют снижать уровень шума на 3-12% и весят на 17 % меньше. Также проводятся мероприятия по созданию колес из низколегированных сталей, которые бы обладали повышенным сопротивлением образованию трещин и повышенной износостойкостью.
Следует помнить, что большое значение имеет выбор наиболее оптимального диаметра и толщины обода колеса. Данное решение связано с многочисленными факторами, влияющими на параметры колеса.
При увеличении диаметра колеса:

  • Увеличивается соприкасающаяся с рельсом поверхность колеса, благодаря чему в них меньше возникают деформации, контактные напряжения, усталостные разрушения и реже происходит изнашивание колес и рельсов;
  • Колесная пара вращается с меньшей частотой, благодаря чему не так сильно нагружаются колеса, оси и роликовые подшипники;
  • Уменьшается сопротивление движению;
  • Становятся лучше условия движения по неровностям пути;
  • Колебания виляния колесной пары, тележек и кузова также происходят с меньшей частотой.

 

         При уменьшении диаметра колеса:

  • Снижается масса колеса;
  • Снижается центр массы вагона, что позволяет повысить устойчивость и плавность хода вагона (за исключением колебаний виляния);
  • Возможно сокращение базы тележки, которое сопровождается снижением её массы;
  • Улучшаются условия движения через кривые малого радиуса, меньше изнашиваются гребни и боковые поверхности рельсов и кривых;
  • Можно снизить уровень пола вагона, для того чтобы сделать кузов более вместительным и получить большую высоту для размещения грузов в рамках существующих габаритов вагона.

        Размер диаметра колеса сильно зависит от величины нагрузок, которые передаются от колес на рельсы, скорости перемещения поездов, загруженности железнодорожных путей и других нюансов и условий эксплуатации. Поэтому в 80-е годы прошлого века в связи со значительным снижением тары стали заменять колеса диаметром 1050 мм на колеса диаметром на 100 мм меньше. А некоторые производители пошли ещё дальше и ввели в эксплуатацию колеса диаметром меньше 800 мм.
Уменьшая толщину обода колеса, можно значительно облегчить колесо, потому что 2/3 массы обычного колеса составляет обод. Это позволит облегчить тару вагона, и, что особенно важно, даст возможность сделать меньше разность высот продольных осей автосцепок  в поезде за счет необрессоренных частей, повысить безопасность его движения  и уменьшить напряжение автосцепного устройства и рамы кузова вагона. Но при регулировании толщины обода стоит помнить, что сокращение толщины обода при прочих постоянных условиях уменьшает эксплуатационный срок  колеса, который зависит в основном от величины проката, наличия дефектов в ободе. Сокращение срока эксплуатации соответственно требует увеличение потребности в их количестве. А это значит больше затрат на замену колес и больше капитальных вложений для их изготовления.
Поэтому, если уменьшать толщину обода, то нужно это компенсировать улучшением прочности и износостойкости колеса.



Александр Рыбаков
Источники использованные при написании статьи:

"Вагоны: конструкция, теория и расчет" - под редакцией Л. А. Шадура


Презентация

Контакты

 

 

Контакты

НАШІ КОНТАКТИ:

[email protected]

[email protected]

м. Дніпро

моб. +38 (050) 320 69 72

ISSN 20760507

Керівник проекту - Гриньов Володимир Анатолійович

Партнеры