повышение несущей способности СОЕДИНЕНИЯ КОЛЕСНЫЙ ЦЕНТР — БАНДАЖ

Существующие и вновь проектируемые тепловозные колеса относятся к составному типу: колесный центр напрессовывают на ось колесной пары; на наружный диаметр колесного центра тепловым способом насаживают бандаж и закрепляют от осевого смещения стопорным кольцом [1].

Ослабление посадки бандажа на ободе колесного центра — неисправность, которая предполагает замену колесной пары и приводит к длительному простою тепловоза. Ежегодно на железных дорогах России происходит более тысячи случаев ослабления и проворотов бандажей [2]. Поэтому проблема повышения прочности соединения пары колесный центр — бандаж колеса тепловоза является актуальной, а увеличение удельной нагрузки на ось и скорости движения поездов требуют существенного повышения несущей способности соединения.

Соединение с натягом колесного центра и бандажа выполняют по цилиндрической поверхности без использования дополнительных деталей и креплений. После сборки вследствие упругих и пластических деформаций диаметр посадочных поверхностей становится общим. На поверхности посадки возникают удельное давление и соответствующие ему силы трения, которые обеспечивают неподвижность соединения и передачу вращающего момента.

Соединение бандажа с колесным центром:

1 — бандаж; 2 — колесный центр; 3 — стопорное кольцо; 4 — вставка; 5 — упругий элемент; 6 — фаска; 7 — бурт; 8 — пологая фаска

Величина крутящего момента, передаваемая соединением, зависит не только от величины натяга, но и от площади прилегания внутренней поверхности бандажа к ободу колесного центра. Посадочные поверхности бандажа и обода должны иметь форму, обеспечивающую равномерность напряжений материала сопрягаемых деталей. При обработке поверхностей сопряжения из-за погрешностей изготовления, износа режущего инструмента, действия статических и динамических усилий образуются овальность и конусность, при которых нарушается прилегание поверхности бандажа к ободу колесного центра.

Из-за уменьшения площади фактического контакта в местах с повышенным удельным давлением наблюдается более интенсивное коррозионно-механическое изнашивание (фреттинг-коррозия), обусловленное циклическими относительными микроперемещениями поверхностей посадки. Изнашивание уменьшает прочность соединения и приводит к проворо-ту бандажа. Исследования специалистов ряда колесных цехов депо и локомотиворемонтных заводов показали, что площадь прилегания на отдельных колесных парах составляла 20 % и редко превышала 45 % от номинальной [3]. Недостаточное прилегание поверхности бандажа к ободу колесного центра приводит к снижению силы трения, прочности соединения и передаваемого вращающего момента.

Вероятность проворота бандажа существенно возрастает при совместном действии конструктивных и эксплуатационных факторов. Наибольшее силовое воздействие соединение колесный центр — бандаж испытывает при прохождении рельсового стыка, особенно в зимний период эксплуатации, когда жесткость пути увеличивается в два-три раза из-за промерзания балластной призмы. Это усилие может еще более возрастать, если учесть, что при отклонении основного шага и профиля зацепления тяговой передачи от нормы не происходит плавного пересопряжения зубьев, а возникают удары, сила которых может быть соизмерима с усилием, передаваемым соединением. Возникающая при этом вибрация электродвигателя, опирающегося на ось колесной пары, воздействует на колеса локомотива и способствует нарушению посадки соединения колесный центр — бандаж.

Основная неисправность — ослабление посадки бандажа — более всего проявляется в результате фрикционного торможения при помощи колодочного тормоза. При торможении кинетическая энергия движущегося поезда преобразуется в тепловую, вызывая нагрев тормозных колодок и колес, что приводит к постепенному тепловому расширению бандажа, уменьшению действительного натяга и снижению удельных контактных давлений на поверхности сопряжения с центром. Результаты проведенных во ВНИИЖТе натурных испытаний показали, что относительное количество проворотов бандажей зависит от тепловой интенсивности торможения [4]. Нагрев при длительном торможении большой мощности вызывал почти полное снятие натяга.

Повысить несущую способность соединения увеличением исходного размера стандартного натяга не удается из-за

пластических деформаций поверхности колесного центра, его усадки. Это может привести к снижению прочности соединения или разрыву бандажа [4].

Авторами этой статьи разработано соединение [5], в котором натяг создается дополнительными элементами, установленными в колесном центре (см. рисунок). Соединение с натягом состоит из охватывающей детали — бандажа 1, охватываемой детали — колесного центра 2, стопорного кольца 3. На охватываемой поверхности колесного центра выполнены пазы прямоугольной формы, в которых размещены вставки 4 с упругими элементами 5, фаски 6, бурт 7. Вставки 4 прямоугольной формы выполняют длиной 0,8Ь, шириной 0,2Ь, где Ь — ширина обода колесного центра.

Количество и шаг расположения вставок определяются из расчета суммарной геометрической площади наружных поверхностей вставок, которая должна составлять 30 — 35 % номинальной площади сопряжения соединения. До сборки соединения вставку 4 устанавливают в паз колесного центра. Положение вставки, когда ее наружная поверхность отстоит от охватываемой поверхности колесного центра на величину, равную половине расчетной величины натяга, фиксируют завальцовкой буртов 7 в фаску 6 вставки.

После установки всех вставок в пазы колесного центра производят сборку соединения. Для сборки охватывающую деталь — бандаж 1 нагревают до температуры, обеспечивающей сборочный зазор. При установке бандажа на сопрягаемую деталь — колесный центр 2 его охватывающая поверхность входит в соприкосновение с пологими фасками 8, затем с наружными цилиндрическими поверхностями вставок 4, обеспечивая радиальное перемещение вставок для создания необходимой силы сжатия поверхностей сопряжения за счет изгиба упругих элементов 5 каждой вставки. После упора бурта бандажа в торцовую поверхность колесного центра в выточку бандажа заводят стопорное кольцо и обжимают бурт бандажа, что обеспечивает беззазорную осевую фиксацию бандажа на колесном центре.

Образование натяга при охлаждении деталей 1 и 2 сопровождается упругой деформацией контактирующих поверхностей бандажа и колесного центра. Одновременно силами сжатия упругих элементов 5 вставок 4 создаются зоны сопряжения, обеспечивающие дополнительное сопротивление провороту бандажа на колесном центре. Эти силы создают давление, превышающее посадочное давление от действительного натяга, и тем самым обеспечивают повышение прочности соединения.

Так как силы сжатия от упругих элементов 5 вставок 4 мало зависят от толщины бандажа и эксплуатационных факторов, к то это способствует повышению несущей