Основные положения. Колесные пары являются одним из наиболее ответственных элементов локомотива, так как от их состояния непосредственно зависит безопасность движения локомотива

Колесные пары являются одним из наиболее ответственных элементов локомотива, так как от их состояния непосредственно зависит безопасность движения локомотива. Колесные пары направляют электровоз или электропоезд по рельсовому пути, передают на автосцепку силу тяги, развиваемую локомотивом, и тормозную силу при торможении, воспринимают статические и динамические нагрузки, возникающие между рельсами и колесами, и преобразуют вращающий момент тягового двигателя в поступательное движение. Колесные пары жестко воспринимают все удары от неровностей пути в вертикальном и горизонтальном направлениях и сами жестко воздействуют на путь, поэтому в эксплуатации необходим тщательный уход за ними.

Колесная пара (ГОСТ 11018-2000) состоит из оси, двух движущих колес и устройств для передачи вращающего момента от тягового электродвигателя или гидропередачи. Конструкция колесной пары определяется видом тяговой передачи, типом подвешивания тягового двигателя и типом колесных центров.

Обычно у колесных пар буксовые шейки расположены снаружи рамы тележки, а движущие колеса – внутри.

В зависимости от конструкции колесного центра различают колесные пары спицевые, дисковые (литые и катаные) и цельнокатаные. Колесные пары локомотивов с опорно-осевым подвешиванием тяговых электродвигателей достаточно широко унифицированы. Унифицированная колесная пара электровозов ВЛ10, ВЛ60,ВЛ80 (рисунок 1) состоит из оси 1, двух движущих колес, состоящих из колесных центров 2 и бандажей 5 с бандажными кольцами 4. Зубчатые колеса 3 насажены на удлиненные втулки колесных центров. Односторонняя зубчатая передача применена на пассажирских электровозах серии ЧС (рисунок 2); здесь венец зубчатого колеса 1 прикреплен болтами 2 к конусу 3 колесного центра. Удлиненная ступица 4 служит для посадки подшипников качения редуктора зубчатой передачи.

 

Рисунок 1 – Унифицированная колесная пара электровозов ВЛ10, ВЛ60 и ВЛ80:

1 – ось; 2 – колесный центр; 3 – зубчатые колеса; 4 – бандажное кольцо; 5 – бандаж

Рисунок 2 – Колесная пара электровозов ЧС1,ЧС2, ЧС3:

1 – венец зубчатого колеса; 2 – призонные болты; 3 – конус колесного центра;

4 – удлиненная ступица; 5 – ось; 6 – бандаж

 

Наиболее ответственными элементами колесной пары являются бандажи и оси.

К материалу и технологии изготовления осей колесных пар предъявляют особые требования, так как оси испытывают напряжения, изменяющиеся по знакопеременному симметричному циклу. Особенно опасна концентрация напряжений, которая зависит от качества обработки поверхности, плавности переходов между частями разных диаметров, условий запрессовки на ось сопрягаемых с нею деталей.

Оси изготавливают из стали Ос. Л. Заготовки осей нормализуют с последующим отпуском. Механические свойства материала заготовок после термической обработки должны соответствовать требованиям ГОСТ 3281-81. При сопряжении частей оси с разными диаметрами для уменьшения концентрации напряжений выполняют плавные переходы (галтели) с возможно большими радиусами. Обработка галтелей должна иметь повышенную чистоту.

Для повышения сопротивления усталости цилиндрические поверхности оси, кроме средней части, и их галтели упрочняют накаткой роликами с усилием 30 – 40 кН. При этом предел выносливости стали повышается примерно в 2 раза. После накатки шейки шлифуют.

Ось унифицированной колесной пары электровозов ВЛ10, ВЛ60 и ВЛ80 (рисунок 3) имеет две буксовые шейки 1 (они служат для монтажа роликовых подшипников буксы), предподступичные части 2 (на них насаживают лабиринтные кольца осевой буксы), подступичные части (на них напрессовывают колесные центры), шейки моторно-осевых подшипников 4 и среднюю часть.

На концах оси буксовых шеек имеется резьба 2М170´3 для гайки, закрепляющей приставное кольцо роликовых подшипников на оси. В торцах оси нарезано по два отверстия М16 для крепления планки, предохраняющей гайку от отвинчивания.

На торец оси, а в тех случаях, когда он передает боковое нажатие от колесной пары буксе, на цилиндрический поясок, примыкающий к торцу, наносят маркировку в соответствии с ГОСТ 11018 – 2000 [5].

На колесный центр действуют силы от посадки бандажа и запрессовки оси колесной пары, он также предает вертикальные и горизонтальные продольные и поперечные силы, действующие между бандажом и осью колесной пары. Колесный центр должен иметь достаточную прочность и жесткость.

 

Рисунок 3 – Ось унифицированной колесной пары электровозов ВЛ10, ВЛ60 и ВЛ80:

1 – буксовая шейка; 2 – предподступичная часть; 3 – подступичная часть;

4 – шейка моторно-осевых подшипников

 

На локомотивах применяют спицевые и дисковые (преимущественно литые) колесные центры. Спицевой колесный центр состоит из обода, спиц и ступицы. Такие колесные центры применены на электровозах ВЛ19, ВЛ22^м, ЧС2 и ЧС4.

Унифицированные колесные пары электровозов ВЛ10, ВЛ60 и ВЛ80 имеют литые двухдисковые центры. У такого колесного центра предусмотрена удлиненная ступица для посадки зубчатого колеса. Обод и ступицу связывают два диска, имеющие отверстия.

В соответствии с ГОСТ 4491 – 86 колесные центры отливают из стали 20Л и 25Л. Для снятия внутренних напряжений и получения однородной и мелкозернистой структуры колесные центры подвергают отжигу.

При движении на поверхности колес в точке контакта с рельсом возникают большие контактные напряжения под действием веса локомотива и передаваемых тяговых усилий; это приводит к большому износу поверхности катания. Из-за этого изнашиваемую часть колеса на электровозах и моторных вагонах выполняют в виде сменного бандажа.

Материал бандажа должен обладать высокой прочностью при растяжении и сжатии, быть достаточно износостойким и вязким, чтобы сопротивляться ударным нагрузкам. Бандажи изготовляют из раскисленной мартеновской стали. Обеспечение одновременно высокой твердости и вязкости достигается введением легирующих добавок и специальной термической обработкой (закалка и отпуск). Для пассажирских локомотивов изготовляют бандажи (ГОСТ 398-81) из стали Ст1, для грузовых и маневровых локомотивов – из стали Ст2.

Профиль поверхности катания колес определен условиями прохождения колесных пар по закруглениям рельсового пути. Конический профиль поверхности катания уменьшает проскальзывание колес, так как под действием центробежной силы колесная пара перемещается в поперечном направлении и наружное колесо контактирует с рельсом по большему диаметру конической поверхности, а внутреннее – по меньшему.

Профиль бандажей определяется ГОСТ 11018 – 2000. Средняя часть наружной поверхности бандажа (поверхность катания) локомотивов (рисунок 4) имеет коничность 1/10, что способствует центрированию колесной пары в рельсовой колее и облегчает прохождение кривых. Внешняя часть бандажа имеет коничность 1/3,5 и фаску, которые облегчают прохождение стрелочных переводов. Гребень, угол наклона которого к горизонтали составляет 70^о, ограничивает поперечные перемещения колесной пары относительно рельсовой колеи. При таком профиле бандаж контактирует с рельсом в одной точке, в которой между гребнем и рельсом возникает в основном трение качения. Ширина локомотивных бандажей 140 мм, толщина бандажей на электровозах 90 мм. Ширина бандажей МВПС 130 мм (рисунок 5).

 

Рисунок 4 – Профиль бандажа локомотивов

 

 

Рисунок 5 – Профиль бандажа МВПС

 

Перед посадкой бандаж проверяют магнитным дефектоскопом на отсутствие трещин. Для предупреждения сползания с колесного центра бандаж стопорят кольцом 4 (рисунок 1) из стали специального профиля. Собранное колесо запрессовывают на ось в холодном состоянии на горизонтальном гидравлическом прессе.

Для контроля за положением бандажа относительно центра на наружную поверхность бандажа и обод центра наносят контрольные метки, расположенные по радиусу против одной из спиц. Контрольную метку на бандаже выполняют в виде четырех-пяти ячеек глубиной 1,5 мм на длине 25 мм, а на ободе центра – зубилом в виде риски глубиной до 1 мм.

В связи с тем, что от состояния колесных пар зависит безопасность движения, требования к колесным парам регламентируются Правилами технической эксплуатации железных дорог (ПТЭ) и Инструкцией по оформлению и содержанию колесных пар тягового подвижного состава ЦТ-329 [5].

В соответствии с ПТЭ каждая колесная пара ЭПС должна иметь четко проставленные знаки о времени и месте ее формирования и полного освидетельствования, а также клейма о приемке при ее формировании.

Колесные пары за время эксплуатации подвергают техническому осмотру без выкатки под ЭПС, обыкновенному освидетельствованию при выкатке (ТР3, СР) и полному освидетельствованию при капитальном ремонте.

Осмотр колесных пар выполняют при каждом техническом обслуживании тягового подвижного состава, а также после крушения, аварии, столкновения или схода его с рельс.

В процессе эксплуатации и ремонта производят осмотр колесных пар и измерение всех элементов, от которых зависит безопасность движения. В частности, у оси колесных пар измеряют диаметры шейки, предподступичной, подступичной и средней части оси, чтобы установить соответствие размеров оси грузоподъемности ЭПС и предотвратить ее изломы.

Определение пределов радиусов галтелей шеек и радиуса перехода от предподступичной части оси к подступичной производят с целью контроля на наиболее напряженные местами оси.

Контроль за геометрической формой цилиндра шейки оси необходим для обеспечения нормальной работы подшипника и избежания дополнительных динамических воздействий на путь и колесную пару, возникающих при овальности шейки оси.

Измерение толщины обода, бандажа колеса необходимо для контроля за его прочностью, а проката – для обеспечения безопасности движения и минимального сопротивления движению колесной пары. При значительном прокате вершина гребня колеса, опускаясь, приближается к подошве рельса и тем самым может разрушить муфту болтового крепления рамного рельса и контррельса на стрелочных переводах, болты крепления стрелочных накладок, а также другие детали пути. При мягком металле обода колеса у наружного края поверхности катания может образоваться значительный наплыв металла, который приводит к отжатию рамного рельса и сходу с рельсов колесной пары в конце остряка стрелочного перевода.

Измерение толщины и подреза гребня необходимо для обеспечения безопасности движения. Превышение толщины гребня сверх установленных размеров может вызвать ослабление крепления частей стрелочного перевода на шпалах, преждевременный их износ, износ гребня, а в ряде случаев и сход вагонов с рельсов. Кроме того, в тонком гребне могут возникнуть трещины и отколы.

Опасным для движения является также вертикальный подрез и остроконечный накат гребня, так как при этом может произойти накатывание колеса на остряк пера или разрез стрелки, что приведет к сходу ЭПС с рельсов.

Выбоины (ползуны) колесных пар ухудшают динамические качества ЭПС и снижают его долговечность и долговечность пути.

Наряду с определением линейных размеров элементов оси и колес проверяют правильность формирования колесной пары. Для этого измеряют:

– расстояние между внутренними гранями ободов колес;

– расстояние между торцевыми поверхностями шеек оси и внутренними поверхностями ободов колес левой и правой сторон и их разность;

– диаметры колес, насаженных на одну ось, и их разность.

Проверка первого размера необходима для предупреждения схода колесной пары с рельсов в кривой (при малом расстоянии между колесами) или предупреждения расстройств стрелочных переводов, подреза гребня и схода ЭПС с рельсов на стрелках (при больших расстояниях между колесами).

Проверка второго размера необходима для предупреждения интенсивного износа гребня колеса, галтели шейки, подшипников букс, а также предупреждения ударов гребня в детали стрелочного перевода, которые могут вызвать преждевременный износ верхнего строения пути, выбоины, отколы колеса и сход ЭПС с рельсов.

Измерение диаметров колес, насаженных на одну ось, необходимо для обеспечения правильного расположения колесной пары в колее, поскольку при различных диаметрах колес увеличивается их проскальзывание и появляются перекосы колесной пары во время движения. В результате этого происходит неравномерный прокат поверхности катания колес, подрез гребня, износ других деталей ходовых частей и дополнительное скручивание оси. В конечном итоге это ведет к снижению надежности и долговечности работы ЭПС.

Согласно ГОСТ 11018 [4] для ЭПС расстояние между внутренними гранями бандажей колесных пар должно быть 1440±3 мм при Vк ≤120 км/ч и 1440±1 мм при 120 км/ч ≤ Vк ≤ 200 км/ч.

В соответствии с ПТЭ запрещается выпускать из TO-2, TO-3, текущих ремонтов и допускать к следованию в поездах подвижной состав с трещиной в любой части оси колесной пары, ободе, диске, спице, ступице и бандаже, а также при прокате по кругу катания более 7 мм у локомотивов, более 8 мм у мотор-вагонного подвижного состава, более 5 мм у локомотивов и вагонов, включенных в поезда, движущиеся со скоростью от 120 км/ч до 140 км/ч. Толщина гребня, измеренная на расстоянии 20 мм от его вершины у локомотивов и на 18 мм у мотор-вагонного подвижного состава, должна быть не более 33 мм и не менее 25 мм, а у локомотивов и вагонов, включаемых в поезда, движущиеся со скоростью от 120 км/ч до 140 км/ч, – не менее 28 мм. Вертикальный подрез гребня высотой более 18 мм (измеряется специальным шаблоном) недопустим. Запрещается эксплуатация колесной пары, у которой на поверхности катания бандажа обнаружен ползун (выбоина) глубиной свыше 0,7 мм при роликовых буксах и более 1,0 мм при буксах с подшипниками скольжения.

Нельзя допускать к эксплуатации колесные пары с местным увеличением ширины бандажа или обода цельнокатанного колеса в результате раздавливания более 6 мм, при неясности клейм формирования или последнего полного освидетельствования, при толщине бандажей менее 45 мм для локомотивов, менее 35 мм для моторных вагонов электропоездов и 30 мм для прицепных вагонов. Толщина ободьев цельнокатаных колес прицепных вагонов электросекций должна быть не менее 25 мм, разница диаметров бандажей по кругу катания у одной колесной пары локомотивов – не более 2 мм, у вагонов электросекций – не более 3 мм.

На локомотивах, выделенных для обслуживания скоростных пассажирских поездов, обращающихся со скоростью свыше 120 км/ч, разница диаметров бандажей по кругу катания у одной колесной пары должна быть не более 0,5 мм, а при обточке без выкатки – не более 1 мм.

При осмотре колесных пар устанавливают, нет ли на бандажах трещин, выбоин (ползунов), плен, раздавленностей, вмятин, отколов, раковин, выщербин, ослабления бандажей на ободе центра, их сдвига или ослабления бандажного кольца. При ремонте и техническом обслуживании шаблоном измеряют прокат (рисунок 6, а) и толщину гребня (рисунок 6, б). Бандажным толщиномером определяют толщину бандажа. Специальным шаблоном проверяют профиль бандажа, убеждаются в отсутствии вертикального подреза его гребня (рисунок 7), а также в отсутствии остроконечного наката (рисунок 8). Толщиномером определяют местный наплыв металла на наружной боковой поверхности бандажа.

 

 

Рисунок 6 – Шаблоны для измерения поката бандажа (а) и толщины гребня бандажа (б)

 

 

Рисунок 7 – Выявление вертикального подреза гребня: а – гребень бракуется, б – гребень не бракуется

 

 

Рисунок 8 – Остроконечный накат – гребень бракуется

 

 

Рисунок 9 – Контролируемые параметры профиля поверхности катания колеса

 

Дефекты, обнаруженные при осмотре колесных пар, записывают в книгу ремонта. Бандажи с выбоинами, предельным прокатом, повышенным износом или с подрезом гребня должны быть обточены. Результаты освидетельствования заносят в журналы, утвержденной ОАО «РЖД» формы, и в технический паспорт колесной пары.