Суцільнокатане залізничне колесо

Винахід відноситься до області виробництва дискових коліс залізничних транспортних засобів з диском, виконаним як одне ціле із ободом, і що мають рейкозачіпні елементи. Останнім часом відбувається суттєва зміна умов експлуатації рухомого складу залізничних доріг, що обумовлена зростанням швидкостей руху і збільшенням навантажень до 30 тонн на вісь. У процесі експлуатації на суцільнокатане залізничне колесо оказує вплив широкий спектр як зовнішніх навантажень з боку колії та елементів рухомого складу, гак і температурних напружень, що виникають у колесі в процесі гальмування. Фактичні напруження, що виникають внаслідок цього, багато в чому визначають стійкість коліс до пошкоджень і, зрештою, його ресурс. Одним із найважливіших факторів, що впливає на термін служби суцільнокатаного залізничного колеса, є значення сумарних внутрішніх напружень, які виникають при його експлуатації, а також характер розподілу напружень по об'єму колеса. Виникнення в суцільнокатаному залізничному колесі значних по величині сумарних напружень обумовлене сумісною дією на нього як нормальних статични х і знакозмінних динамічних навантажень, що діють в радіальному й осьовому напрямах, так і температурних напружень, спричинених тертям гальмових колодок об обод колеса в процесі гальмування рухомого складу. У разі, коли значення сумарних напружень близькі або тривалий час перевищують границю витривалості матеріалу, з якого виготовлено колесо, в ньому відбувається утворення утомних тріщин, що в свою чергу призводять до передчасного руйнування колеса. За несприятливих умов навантаження в колесі спостерігається концентрація напружень від діючих зовнішніх навантажень і температурного впливу. У цьому випадку сумарне значення внутрішніх напружень може перевищувати границю текучості матеріалу, з якого виготовлено суцільнокатане залізничне колесо, що є причиною виникнення в колесі залишкових деформацій, які призводять до зміни його експлуатаційних властивостей, що також веде до скорочення терміну його експлуатації. Досвід експлуатації суцільнокатаних залізничних коліс показує, що більшість випадків виходу коліс з ладу внаслідок руйнування диска пов'язана з виникненням значних втомних напружень, при цьому руйнування, як правило, відбувається в місці сполучення диска з ободом. Традиційним шляхом зниження сумарних внутрішніх напружень і їх оптимального розподілу в колесі є вибір раціональної конструкції диска суцільнокатаного залізничного колеса і взаємного розташування його конструктивних елементів. З рівня техніки відоме суцільнокатане залізничне колесо, що містить обод, маточину і диск, утворений внутрішньою та зовнішньою поверхнями [RU 2085403 С1 (Всеросійський науково-дослідний інститут залізничного транспорту), 27.07.1997]. У відомому суцільнокатаному залізничному колесі внутрішня та зовнішня поверхні, що утворюють диск колеса, виконані прямолінійними та розташованими під кутом до осі колеса, який дорівнює 71-75°. Недоліками відомого колеса є нерівномірний розподіл сумарних внутрішні х напружень по об'єму колеса та значне осьове переміщення ободу колеса відносно маточини, що, зрештою, призводить до скорочення терміну служби колеса. Ці недоліки обумовлені високими значеннями внутрішніх напружень на внутрішній поверхні диска в місці його сполучення з ободом, що спричинені дією зовнішніх навантажень, та високими значеннями внутрішніх напружень на зовнішній поверхні диска в місці його сполучення зі маточиною, що у свою чергу спричинено сумісною дією значних температурних напружень, які викликані тертям гальмових колодок об обод колеса в процесі гальмування, та бічними навантаженнями на гребінь колеса при проходженні рухомим складом кривих ділянок залізничної колії. З рівня техніки відоме суцільнокатане залізничне колесо, що містить обод, маточину і диск, утворений внутрішньою й зовнішньою криволінійними поверхнями [SU 1139647 А1 (ФЕБ Радзатцфабрік Ілзенбург), 15.02.1985]. У відомому колесі центральна лінія радіального перерізу диска в місці його сполучення з ободом збігається в осьовому напрямі із центральною лінією радіального перерізу диска в місці його сполучення з маточиною. Таке виконання суцільнокатаного залізничного колеса дозволяє знизити значення напружень в місці сполучення диска колеса з ободом у порівнянні з попередньою конструкцією. Недоліками відомого колеса є нерівномірний розподіл сумарних внутрішні х напружень по об'єму колеса та велике значення осьового зміщення ободуколеса відносно маточини, що у свою чергу призводить до зменшення терміну служби колеса. Ці недоліки обумовлені високими значеннями внутрішніх напружень на внутрішній поверхні в центральній частині диска колеса, спричинених дією зовнішніх навантажень, а також значними температурними напруженнями, спричиненими тертям гальмових колодок об обод колеса в процесі гальмування. З рівня техніки відомо найбільш близьке по сукупності суттєвих ознак і технічному результату, що досягається, суцільнокатане залізничне колесо, що містить обод, маточину і диск, утворений внутрішньою і зовнішньою криволінійними поверхнями, виконаний таким чином, що центральна лінія радіального перерізу диска в місці його сполучення з ободом зміщена в осі колеса відносно центральної лінії радіального перерізу диска в місці його сполучення з маточиною у бік зовнішньої криволінійної поверхні [RU 2259279 СІ (Відкрите акціонерне товариство «Виксунський металургійний завод»), 27.08.2005.]. У відомому колесі зміщення центральної лінії радіального перерізу диска в місці його сполучення з ободом відносно центральної лінії осьового перерізу диска в місці його сполучення з маточиною знаходиться в інтервалі від 10 до 25мм. Таке виконання суцільнокатаного залізничного колеса дозволяє знизити значення напружень на внутрішній поверхні в центральній частині диска, а також знизити значення осьового зміщення ободу колеса при нагріві в процесі гальмування або при проходженні рухомим складом кривих ділянок залізничної колії в порівнянні з попередньою конструкцією. Недоліком відомого колеса є нерівномірний розподіл сумарних внутрішніх напружень по об'єму колеса. Цей недолік обумовлено більшим значенням вигину центральної частини диска колеса, що, в свою чергу, спричиняє значні температурні напруження на внутрішній поверхні в центральній частині диска колеса, що створює передумови для розвитку втомних тріщин і що в свою чергу призводить до зменшення терміну служби колеса. В основу винаходу, що заявляється, поставлена задача створення такої конструкції суцільнокатаного залізничного колеса, використання якої дозволило б знизити значення сумарних внутрішні х напружень за рахунок їх оптимального розподілу по об'єму колеса й, тим самим, збільшити термін його служби. Поставлена задача вирішується тим, що в суцільнокатаному залізничному колесі, що містить обод і маточину, що з'єднані криволінійними перехідними ділянками з диском, який утворений зовнішньою і внутрішньою криволінійними поверхнями, виконаними таким чином, що зовнішня криволінійна поверхня диска з боку ободу утворена першою зовнішньою радіусною кривою, з боку маточини другою зовнішньою радіусною кривою з кривизною, співпадаючою по напряму з кривизною першої зовнішньої радіусної кривої, і сполучених між собою третьою зовнішньою радіусною кривою з кривизною, протилежною по напряму кривизні першої зовнішньої і другої зовнішньої радіусних кривих, а вн утрішня криволінійна поверхня диска з боку ободу утворена першою внутрішньою радіусною кривою, з боку маточини другої вн утрішньою радіусною кривою з кривизною, співпадаючою по напряму з кривизною першої внутрішньої радіусної кривої, і сполучених між собою третьою внутрішньою радіусною кривою з кривизною, протилежною по напряму кривизні першої внутрішньої і другої внутрішньої радіусних кривих, згідно винаходу, для зовнішньої криволінійної поверхні радіус першої зовнішньої радіусної кривої дорівнює 0.09-0.14 діаметру круга катання колеса, радіус другої зовнішньої радіусної кривої дорівнює 0.1-0.15 діаметру круга катання колеса, радіус третьої зовнішньої кривої дорівнює 0.12-0.18 діаметру круга катання колеса, а для внутрішньої криволінійної поверхні радіус першої внутрішньої радіусної кривої дорівнює 0.12-0.18 діаметру круга катання колеса, радіус другої внутрішньої радіусної кривої дорівнює 0.1-0.15 діаметру круга катання колеса, радіус третьої внутрішньої радіусної кривої дорівнює 0.12-0.17 діаметру круга катання колеса. Виконання диска суцільнокатаного залізничного колеса таким чином, що для зовнішньої криволінійної поверхні радіус першої зовнішньої радіусної кривої дорівнює 0.09-0.14 діаметру круга катання колеса, радіус другої зовнішньої радіусної кривої дорівнює 0.1-0.15 діаметру круга катання колеса, радіус третьої зовнішньої кривої дорівнює 0.12-0.18 діаметру круга катання колеса, а для внутрішньої криволінійної поверхні радіус першої внутрішньої радіусної кривої дорівнює 0.12-0.18 діаметру круга катання колеса, радіус другої вн утрішньої радіусної кривої дорівнює 0.1-0.15 діаметру круга катання колеса, радіус третьої внутрішньої радіусної кривої дорівнює 0.12-0.17 діаметру круга катання колеса є оптимальним, оскільки забезпечує зниження значень напружень від дії зовнішніх навантажень в місцях сполучення диска з маточиною й ободом, що призводить, зрештою, до рівномірного розподілу напружень в колесі і зниженню їх сумарних значень. Збільшення радіусів першої зовнішньої і першої внутрішньої радіусних кривих з боку ободу призводить до необхідності збільшення радіусу сполучених з ними третьої зовнішньої і третьої внутрішньої радіусних кривих, що, в свою чергу, веде до збільшення радіусів другої зовнішньої і другої внутрішньою радіусних кривих з боку маточини. Інакше, якщо не відбуватиметься зміни радіусів сполучених радіусни х кривих, це призводить до зміни розташування основних конструктивних елементів колеса відносно один одного. Таке виконання суцільнокатаного залізничного колеса призводить до наближення форми диску колеса до вертикальної прямолінійної форми, що, в свою чергу, призводить до зменшення жорсткості колеса в осьовому напрямі і збільшує значення сумарних вн утрішні х напружень в диску колеса від дії бічних навантажень. У свою чергу, зменшення радіусів першої зовнішньої та першої внутрішньої радіусних кривих з боку ободу призводить до необхідності зменшенню радіусів сполучених з ними третьої зовнішньої і третьої внутрішньої радіусних кривих, що, в свою чергу, веде до необхідності зменшення радіусів другої зовнішньої і другої внутрішньої радіусних кривих з боку маточини. Таке виконання суцільнокатаного залізничного колеса призводить до збільшення згину колеса у центральній частині його диска, що, у свою чергу, призводить до збільшення значень сумарних внутрішніх напружень на внутрішній поверхні диска колеса, спричинених дією на колесо бічних навантажень, і їх концентрації в місці найбільшого вигину диска. Сукупність ознак, що заявляється, у цілому дозволяє знизити вплив сумарних внутрішніх напружень в колесі, що знижує ймовірність появи втомних тріщин у найбільш навантажених зонах суцільнокатаного залізничного колеса, що у свою чергу, дозволяє підвищити експлуатаційну стійкість і надійність конструкції й, тим самим, дозволяє збільшити термін служби колеса. Надалі винахід пояснюється докладним описом його виконання з посиланнями на креслення, на яких зображено: на фіг. 1 - поперечний розріз суцільнокатаного залізничного колеса; на фіг.2 - поперечний розріз суцільнокатаного залізничного колеса (схема розташування радіусних кривих). Суцільнокатане залізничне колесо 1 (фіг 1-2) містить обод 2 (фіг. 1) і маточину З, які з'єднані криволінійними перехідними ділянками 4 з диском 5, який утворений зовнішньою 6 і внутрішньою 7 криволінійними поверхнями. Зовнішня 6 та внутрішня 7 криволінійні поверхні виконано таким чином, що зовнішня криволінійна поверхня 6 диска 5 з боку ободу 2 утворена першою зовнішньою радіусною кривою R1 (фіг. 2), з боку маточини 3 (фіг.1) другою зовнішньою радіусною кривою R2 (фіг. 2) з кривизною, співпадаючою по напряму з кривизною першої зовнішньої радіусної кривої R1, і сполучених між собою третьою зовнішньою радіусною кривою R3 з кривизною, протилежною по напряму кривизні першої зовнішньої R1 і другої зовнішньої R2 радіусних кривих. Внутрішня криволінійна поверхня 7 (фіг. 1) диска 5 з боку ободу 2 утворена першою внутрішньою радіусною кривою R4 (фіг.2), з боку маточини 3 (фіг.1) другої внутрішньою радіусною кривою R5 (фіг.2) з кривизною, співпадаючою по напряму з кривизною першої внутрішньої радіусної кривої R4, і сполучених між собою третьою внутрішньою радіусною кривою R6 з кривизною, протилежною по напряму кривизні першої внутрішньої R4 і другої внутрішньої R5 радіусних кривих. Для зовнішньої криволінійної поверхні 6 (фіг.1) радіус першої зовнішньої радіусної кривої R1 (фіг.2) дорівнює 0.09-0.14 діаметру круга катання колеса 1, радіус другої зовнішньої радіусної кривої R2 дорівнює 0.1 - 0.15 діаметру круга катання колеса 1, радіус третьої зовнішньої кривої R3 дорівнює 0.12-0.18 діаметру круга катання колеса 1. Для внутрішньої криволінійної поверхні 7 (фіг.1) радіус першої внутрішньої радіусної кривої R4 (фіг.2) дорівнює 0.12-0.18 діаметру круга катання колеса 1, радіус др угої вн утрішньої радіусної R5 кривої дорівнює 0.1-0.15 діаметру круга катання колеса 1, радіус третьої внутрішньої радіусної кривої R6 дорівнює 0.120.17 діаметру круга катання колеса 1. Центральна лінія 8 (фіг. 1) радіального перерізу диска 5 в місці його сполучення з маточиною 3 зміщена відносно її середини на відстань S, що дорівнює 35 - 55мм. Перехідна ділянка 4 у місці сполучення зовнішньої криволінійної поверхні 6 диска 5 з маточиною 3 колеса 1 виконане радіусом R7, рівним 0,3 - 0,9 радіусу R8 у місці сполучення внутрішньої криволінійної поверхні 7 диска 5 з маточиною 2 з внутрішньої сторони (R7 = (0,3 - 0,9) R8). Висота b1 маточини 3 з внутрішньої сторони колеса 1 виконана рівній 0,5 - 0,9 висоті b2 маточини 3 із зовнішньої сторони колеса (b1 = (0,5 - 0,9) b2). Діаметр куга катання суцільнокатаного залізничного колеса переважно дорівнює 920-1020 мм. Робота суцільнокатаного залізничного колеса 1, що заявляється, здійснюється таким чином. При коченні колеса 1 по рейці (на кресленні не позначена) навантаження від вертикальної сили, що діє в площині круга катання, передається через обод 2 на диск 5 і на маточину 3. При цьому із-за кінематичних коливань і, особливо, при русі рухомого складу по кривих ділянках залізничної колії, виникає навантаження від бічного тиску гребеня 9 ободу 2 колеса 1 на рейку, яке також передається на диск 5 колеса 1. Максимальні значення динамічних навантажень, які сприймає колесо рухомого складу з навантаженням на вісь до 30 тонн у процесі експлуатації, у два рази вище значення максимального статичного навантаження й, як правило, не перевищують 300кН для вертикального навантаження та 147кН для бічного навантаження. При цьому, максимальне значення сумарних внутрішніх напружень в колесі від дії прикладених до нього навантажень не повинне перевищувати границі текучості матеріалу, з якого виготовлено суцільнокатане залізничне колесо, яке дорівнює 800МПа. У конструкції суцільнокатаного залізничного колеса 1, що заявляється, виділяються три на більш напружені зони, а саме: перехідні ділянки 4 у місці сполучення диска 5 з ободом 2 та у місці сполучення диска 5 з маточиною 3, а також середина диска 5, у точці 10 найбільшого значення його вигину. Вертикальне навантаження переважно спричиняє виникнення в колесі стискаючі напруження, які досягають максимального значення в місці сполучення диска 5 з ободом 2 та в точці 10 найбільшого вигину внутрішньої поверхні 7 диска 5. При цьому значення напружень у вказаних місцях не перевищують 100МПа, що значно менше значення, що допускається (тобто - 800МПа). У той же час, бічне навантаження, що виникає при проходженні рухомим складом криволінійних ділянок залізничної колії, у поєднанні з вертикальним навантаженням, викликає в диску 5 колеса 1 згинаючий момент, що зростає від ободу 2 до маточини 3 колеса 1. Унаслідок сумісної дії вертикального і бічного навантаження найбільш напруженою ділянкою колеса 1 є місце сполучення диска 5 з маточиною 3, при цьому із зовнішньої сторони диска 5 виникають розтягуючи напруження, а з внутрішньої сторони диска - стискаючі напруження. У цьому випадку значення максимальних напружень не перевищують 400МПа. Окрім цього, у процесі тривалого гальмування рухомого складу в колесі виникають значні теплові напруження, які спричинені інтенсивним виділенням тепла при контакті гальмових колодок з ободом 2 колеса 1. У цьому випадку, за відсутності прикладених до колеса зовнішніх навантажень, найбільші значення напружень виникають у точці 10 найбільшого вигину внутрішньої поверхні 7 диска 5 й на зовнішньої поверхні 6 в місці сполучення диска 5 з маточиною 3. які не перевищують 560МПа, що значно нижче значень, що допускаються. При доданні до колеса 1 вертикальних навантажень в більшості його ділянок спостерігається взаємна компенсація температурних напружень і напружень спричинених дією прикладених зовнішніх сил. Така компенсація обумовлена тим, що зовнішні сили викликають переважно стискуючі напруження, які компенсуються тепловими розтягуючими напруженнями. Максимальні напруження в колесі 1 у разі сумісного впливу на нього, з одного боку, вертикального і бічного навантажень, а з іншого боку - теплових напружень, виникають у перехідної ділянці 4 в місці сполучення диска 5 з маточиною 3 зі сторони зовнішньої криволінійної поверхні 6, які близькі до значень, що допускаються. Підвищена концентрація напружень в цьому місці колеса обумовлена тим, що розтягуючи теплові напруження, які досягають в цьому місці свого максимального значення, підсумуються з розтягуючими напруженнями, які виникають в цьому ж місці колеса від дії прикладеного до нього бічного навантаження. Виконання криволінійної перехідної ділянки 4 колеса 1 у місці сполучення зовнішньої криволінійної поверхні 6 диска 4 з маточиною 3 радіусом R7, меншим по значенню ніж радіусу R8 перехідної ділянки 4 у місці сполучення внутрішньої криволінійної поверхні 7 диска 5 з маточиною 3 дозволяє знизити концентрацію напружень від дії теплового впливу за рахунок їх рівномірного розподілу на цій ділянці зовнішньої криволінійної поверхні 6. У свою чергу, виконання висоти b2 маточини 3 із зовнішньої сторони колеса 1 більшою в порівнянні із висотою b1 маточини 3 з внутрішньої сторони колеса 1, дозволяє знизити значення напружень від впливу бічного навантаження у перехідній ділянці 4 у місці переходу диска 5 в маточину 3, що також робить позитивний вплив на напружений стан суцільнокатаного залізничного колеса 1. Як показують результати досліджень, напружений стан колеса 1 у місцях переходу диска 5 в обод 2 і маточину 3, а також у точці 10 найбільшого вигину внутрішньої криволінійної поверхні 7 не перевищують критичного значення 800МПа, тобто, границі текучості матеріалу, з якого виготовляють суцільнокатані залізничні колеса. Таким чином, запропонована конструкція колеса забезпечує як рівномірний розподіл напружень по всьому об'єму колеса, так і дозволяє знизити напруження в найбільш навантажених зонах, що зменшує ймовірність появи втомних тріщин і збільшує термін службі залізничних суцільнокатаних коліс. Таким чином, запропонована конструкція колеса забезпечує як рівномірний розподіл напружень по всьому об'єму колеса, так і дозволяє знизити напруження в найбільш навантажених зонах, що зменшує ймовірність появи втомних тріщин і збільшує термін службі залізничних суцільнокатаних коліс. Крім того, застосування конструкції колеса, що заявляється, дозволяє підвищити демпфуючі властивості, що у свою чергу дозволяє покращити експлуатаційний властивості колеса й підвищити безпеку руху залізничного транспорту. Суцільнокатане залізничне колесо, що заявляється, може бути виготовлено в умовах промислового виробництва на стандартному устаткуванні, при цьому найбільший економічний ефект досягається при використанні такого колеса, в конструкціях високошвидкісних пасажирських і вантажних вагонах зі збільшеним навантаженням на вісь, наприклад, до 30 тонн.