Проектирование грузового железнодорожного вагона

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Вагоном принято называть единицу подвижного состава, предназначенную для перевозки пассажиров или грузов. Эксплуатация вагонов - это использование их по назначению с целью получения прибыли от перевозок. Поэтому, основными требованиями, предъявляемыми к вагонам, являются:

- обеспечение безопасности движения в поездной и маневровой работе;

- обеспечение удобства погрузки, выгрузки и сохранности грузов в грузовых вагонах, комфорта и безопасности пассажиров в пассажирских вагонах;

- экономическая целесообразность эксплуатации.

Все вагоны классифицируются по трем признакам: назначению, условиям эксплуатации и ширине колеи.

По назначению вагоны разделяются на две основные группы: пассажирские и грузовые.

Парк пассажирских вагонов состоит из вагонов, предназначенных для перевозки пассажиров, вагонов-ресторанов, почтовых, багажных и вагонов специального назначения.

Парк грузовых вагонов состоит из универсальных и специализированных вагонов. В универсальных вагонах перевозят грузы широкой номенклатуры, а в специализированных - один вид груза или несколько однородных. К универсальным вагонам относятся: крытые с дверями в боковых стенах, полувагоны с люками в полу, платформы с бортами, цистерны общего назначения и изотермические вагоны. Специализированные вагоны - это крытые для перевозки скота, с раздвижной крышей для перевозки стали в рулонах, полувагоны с глухим кузовом, платформы для перевозки автомобилей, контейнеров и леса в хлыстах, цистерны для перевозки молока, спирта и продуктов химической промышленности, вагоны для перевозки живой рыбы, цементовозы и др.

По условиям эксплуатации вагоны делятся на магистральные, промышленного и городского транспорта. Магистральные вагоны эксплуатируются на путях железных дорог бывшего МПС, вагоны промышленного транспорта предназначены для эксплуатации на подъездных путях промышленных предприятий (саморазгружающиеся вагоны-самосвалы, используемые в горнорудной промышленности и на угольных предприятиях, а также специальные грузовые вагоны, эксплуатируемые на других промышленных предприятиях), вагоны городского транспорта - вагоны метрополитена и трамвайные.

Мой вариант задания для контрольной работы - цельнометаллический крытый вагон. Назначение: для перевозки штучных, зерновых и других грузов широкой номенклатуры, требующих защиты от атмосферных осадков. Использование крытых вагонов имеет большое значение в системе грузооборота страны, что обусловлено их хорошими технико-экономическими параметрами, сохранностью перевозимых грузов.

Рисунок 1 - Цельнометаллический крытый вагон

Независимо от назначения и типа все вагоны имеют четыре основных элемента: кузов, ходовые части, ударно-тяговые устройства, тормоза.

Кузов вагона предназначен для размещения грузов. Основанием кузова является рама, состоящая из хребтовой и боковых продольных балок, буферных брусьев и боковых продольных балок. Рама кузова через пятники опирается на подпятники тележек. На раме размещаются ударно-тяговые приборы и часть тормозного оборудования. Стены и крыша металлические Кузов заданного мне вагона металлический, состоит из стен и крыши, оборудован люками и боковыми дверями с уширенными дверными проемами. В крыше имеются печные разделки, через которые проходят печные трубы при оборудовании крытых вагонов печами.

К ходовым частям вагона относятся тележки, состоящие из колесных пар, букс, рессорного подвешивания, боковых рам и надрессорных балок. Ходовые части направляют движение вагона по рельсовому пути и должны обеспечивать безопасность движения с необходимой плавностью хода (наименьшим воздействием на перевозимый груз и на элементы пути) и наименьшим сопротивлением движению. От ходовых частей напрямую зависят ходовые качества вагонов, которые характеризуются устойчивостью его против схода с рельсов, плавностью вписывания в кривые участки пути, величиной вертикальных и горизонтальных динамических сил, и ускорений, а также показателем плавности хода.

Ударно-тяговые устройства служат для сцепления вагонов между собой и с локомотивом, а также для восприятия, передачи и амортизации силы тяги от локомотива к вагонам и от одного вагона к другому, смягчения ударов, возникающих при сцеплении или изменении режима движения.

Тормоз предназначен для создания искусственного сопротивления движению поезда или отдельного вагона, с целью регулирования скорости движения, его остановки или удержания на месте. Четырехосный крытый вагон оборудован пневматическими автотормозами и ручным стояночным тормозом.

К основным технико-экономическим характеристикам вагонов относятся:

1) грузоподъемность;

2) тара вагона;

3) коэффициенты тары;

4) удельный объем или удельная площадь;

5) давление колесной пары на рельсы (осевая нагрузка);

6) давление от вагона на 1 погонный метр пути (погонная нагрузка);

7) средняя статическая нагрузка;

8) средняя динамическая нагрузка;

9) осность вагона;

Грузоподъемность вагона (Р) - наибольшая масса груза, которая может быть перевезена в вагоне по условиям его прочности. Для 4-осного крытого цельнометаллического вагона Р=68 т.

Тара вагона (Т) - масса вагона, необходимая для обеспечения его прочности и надежности. Для 4-осного крытого цельнометаллического вагона Т=26 т.

Снижение тары вагонов является одной из важнейших задач вагоностроительной промышленности. Это связано не только с экономией металла на постройку вагонов, но, главным образом, с уменьшением затрат на передвижение вагонов. При уменьшении тары грузовых вагонов может быть увеличена их грузоподъемность, что обеспечивает возрастание провозной способности железных дорог за счет повышения массы нетто поездов и при неизменных размерах перевозок - сокращение парка вагонов и локомотивов, потребностей в локомотивных бригадах. Если при снижении тары вагона не повышается их грузоподъемность, то уменьшается нагрузка от колесных пар на рельсы, благодаря чему увеличивается срок службы рельсов, колес, тормозных колодок, букс. Одновременно уменьшается сопротивление движению, что при неизменной силе тяги локомотивов позволяет увеличить скорость поездов и за счет этого повысить пропускную способность железных дорог или сократить расход электроэнергии и топлива, потребляемых локомотивами.

Если снижение тары вагона осуществляется без изменения других его параметров (грузоподъемность, объем кузова, длина и т.п.), то такое снижение тары называют абсолютным. Если же осуществляется уменьшение тары вагона, приходящейся на единицу фактически перевезенного груза с учетом порожнего пробега для грузовых вагонов или на одно пассажирское место для пассажирских вагонов, то такое снижение тары называют относительным. Абсолютное снижение тары сопровождается относительным ее уменьшением. Эффективность снижения тары вагона оценивается коэффициентами тары: техническим, погрузочным и эксплуатационным.

Технический коэффициент тары представляет собой отношение тары вагона к его грузоподъемности:

где Т - тара вагона, т;

Р - грузоподъемность вагона, т.

Для 4-осного крытого цельнометаллического вагона:

Погрузочный коэффициент тары представляет собой отношение тары к фактически используемой грузоподъемности:

где л - коэффициент использования грузоподъемности.

Эксплуатационный коэффициент тары дополнительно учитывает пробеги вагона в груженом и порожнем состояниях:

где - коэффициент порожнего пробега, равный отношению порожнего пробега вагонов данного типа к их груженому пробегу;

- средняя динамическая нагрузка груженого вагона, т.

В наибольшей степени эффективность вагона характеризуется эксплуатационным коэффициентом тары и в наименьшей - техническим.

Удельный объем - это отношение полного объема к грузоподъемности вагона.

где - полный объем кузова.

Для 4-осного крытого цельнометаллического вагона:

м ³/т.

Осевая нагрузка () - это давление от колесной пары на путь:

где - количество осей вагона.

Для 4-осного крытого цельнометаллического вагона:

т.

Допускаемую величину осевой нагрузки выбирают в зависимости от типа рельсов, количества шпал на 1 км, род балласта. Для повышения эффективности конструкции вагона желательна возможно большая величина осевой нагрузки. Однако, исходя из мощности пути и экономичности его содержания, осевая нагрузка в настоящее время ограничена величиной 25 т.

Погонная нагрузка - это давление от вагона на 1 метр пути:

где - расстояние между осями сцепления вагона.

Погонная нагрузка выбирается при проектировании вагона из условия прочности мостов.

Для 4-осного крытого цельнометаллического вагона:

т/м.

Статическая нагрузка определяет количество груза, которое можно загрузить в вагон. Для каждого вида груза ее можно определить по формуле:

где - коэффициент использования грузоподъемности для i-го груза.

Средняя статическая нагрузка определяется для каждого типа вагона, в котором перевозятся различные грузы:

где - абсолютное количество или доля i-го груза в общем объеме грузов, перевозимых рассматриваемым типом вагона.

Статическая нагрузка определяет количество груза в вагоне без учета расстояния его перевозки. Для учета этого расстояния пользуются другим показателем - средней динамической нагрузкой вагона рассматриваемого типа:

где - среднее расстояние перевозки i-го груза.

Основные технико-экономические параметры 4-осного крытого цельнометаллического вагона сведены в таблицу 1.

Таблица 1. Основные технико-экономические показатели 4-осного крытого цельнометаллического вагона

Грузоподъемность, т	68
Тара вагона, т	26
Полный объем кузова с учетом крыши, м 3	138
Количество осей, шт.	4
Коэффициент тары	0,382
Удельный объем, м 3/т	2,029
Осевая нагрузка, т	23,5
Длина по осям сцепления автосцепок, мм	16970
Погонная нагрузка, т/м	5,539

Общими задачами по дальнейшему развитию конструкций грузовых вагонов всех типов являются: увеличение погонной нагрузки вагона как главного средства повышения провозной способности железных дорог, увеличение грузоподъемности вагона, снижение коэффициента тары за счет изыскания более прогрессивных конструктивных решений узлов и вагонов в целом и использования более прочных коррозионностойких сталей и алюминиевых сплавов. Вагоны нового поколения должны проектироваться на осевую нагрузку 25 тс при конструкционной скорости 120 км/ч. Специализированные скоростные вагоны должны проектироваться на осевую нагрузку 20 тс при конструкционной скорости 140 км/ч. Специализированные полувагоны для перевозки массовых насыпных грузов (угля и руды) должны проектироваться на нагрузку от оси на рельсы 30 тс при конструкционной скорости 100 км/ч. Конструкция вагона должна обеспечивать удобство обслуживания, пользования, механизацию и автоматизацию погрузки и выгрузки. Конструкция крытого вагона должна предусматривать: погрузку-выгрузку через дверной проем автопогрузчиками; внутри кузова должны быть устройства, предотвращающие навал груза на двери; устройство пола из наборных металлических секций со специальным покрытием; улучшенную теплоизоляцию кузова; возможность установки специального оборудования для людских перевозок; оборудование подвижными съемными перегородками.

Одним из главных условий безопасности движения подвижного состава является предупреждение возможности их соприкосновения со стационарными сооружениями, расположенными вблизи железнодорожного пути, или с подвижным составом, находящимся на соседнем пути. Поэтому, стационарные сооружения должны располагаться на определенном расстояния от пути, а подвижной состав иметь ограниченное поперечное очертание. Таким образом, получаются два контура: контур, ограничивающий наименьшие допустимые размеры приближения строений и путевых устройств к оси пути - габарит приближения строений, и контур, ограничивающий наибольшие допускаемые размеры поперечного сечения подвижного состава - габарит подвижного состава. Второй расположен внутри первого и между ними имеются зазоры (за исключением опорных поверхностей колес, где оба контура совпадают).

Габарит приближения строений железных дорог - это предельное поперечное (перпендикулярное оси пути очертание), внутрь которого, помимо подвижного состава, не должны заходить никакие части сооружений и устройств, а также лежащие около пути материалы, запасные части и оборудование, за исключением частей устройств, предназначенных для непосредственного взаимодействия с подвижным составом, при условии, что положение этих устройств во внутригабаритном пространстве увязано с частями подвижного состава, с которыми они могут соприкасаться, и что они не могут вызвать соприкосновения с другими элементами подвижного состава.

Габарит подвижного состава - это предельное поперечное (перпендикулярное оси пути) очертание, в котором, не выходя наружу, должен помещаться установленный на прямом горизонтальном пути (при наиболее неблагоприятном положении в колее и отсутствии боковых наклонений на рессорах и динамических колебаний) как в порожнем, так и в нагруженном состоянии не только новый подвижной состав, но и подвижной состав, имеющий максимальные нормируемые допуски и износы.

Пространство между габаритами приближения строений и подвижного состава (а для двухпутных линий также между габаритами смежных подвижных составов) обеспечивает безопасные смещения подвижного состава и погруженных на нем грузов, возникающие при движении, а также обусловленные допустимыми отклонениями элементов пути.

Все смещения вагона сводятся к четырем группам:

а) вызываемые возможными отклонениями в состоянии пути;

б) динамические колебания вагона при его движении;

в) обусловленные зазорами и износами ходовых частей, и прогибом рессорного подвешивания от статической нагрузки;

г) выносы частей вагона в кривых.

При габаритных расчетах учитывают только смещения, возможные при отклонениях, допускаемых нормами содержания вагона и пути. Поскольку размеры габарита приближения строений установлены для прямых участков пути, а в кривых имеются дополнительные уширения, выносы вагона в кривых учитывают только в размерах, превышающих имеющиеся уширения.

В зависимости от способов учета указанных смещений вагонов различают две системы габаритов подвижного состава: строительную и эксплуатационную.

Если пространство между габаритами приближения строений и подвижного состава предназначено для первых трех групп смещений (пункты "а", "б" и "в"), то устанавливаемый при такой системе учета смещений габарит подвижного состава называется строительным. Если вышеуказанное пространство предусмотрено для первых двух групп смещений (пункты "а" и "б"), то получаемый при этом габарит называется эксплуатационным габаритом подвижного состава.

Следовательно, строительный габарит подвижного состава представляет собой поперечное очертание, в котором должен помещаться новый ненагруженный вагон, расположенный на прямом горизонтальном пути, когда его продольная ось совпадает с осью пути. При проверке габаритности проектируемого вагона, называемой вписыванием вагона в габарит, в данном случае необходимо учитывать лишь смещения четвертой группы - выносы в кривых.

ГОСТ 9238-59 и 9238-73 установили шесть единых для вагонов и локомотивов габаритов подвижного состава: Т, 1-Т, 0-Т, 01-Т, 02-Т и 03-Т. ГОСТ 9238-83 изменил обозначения последних четырех габаритов и ввел два новых габарита - Т_Ц и Т_ПР.

Габарит Т, имеющий наибольшие размеры ширины и высоты, предназначен для вагонов, обращающихся по отдельным замкнутым направлениям реконструированных дорог СНГ, Балтии и Монгольской республики.

Габарит 1-Т предназначен для вагонов, допускаемых к обращению по всем дорогам СНГ, Балтии и Монголии, а также по подъездным путям промышленных и транспортных предприятий.

Габарит 1-ВМ (0-Т) предусмотрен для вагонов, обращающихся по железным дорогам СНГ, Балтии и Монголии, а также по отдельным реконструированным магистральным линиям других стран-участниц Организации сотрудничества железных дорог (ОСЖД), используемых для международных сообщений.

Габарит 0-ВМ (01-Т) предназначен для вагонов, обращающихся по всем (кроме отдельных второстепенных участков) дорогам стран-участниц ОСЖД.

Габарит 02-ВМ (02-Т) предусмотрен для грузовых вагонов, обращающихся по всем железным дорогам стран-участниц ОСЖД, а также дорогам ФРГ, Австрии, Югославии, Греции, Дании, Турции и некоторых других стран Европы и Азии.

Габарит 03-ВМ (03-Т) предназначен для вагонов, допускаемых к обращению по дорогам всех стран Европы и Азии.

Для устранения препятствий введения габарита Т (недостаточная ширина станционных междупутий и трудности их уширения до 5300 мм, недостаточная удаленность от оси пути большинства высоких платформ, ухудшение условий пропуска вагонов с негабаритными грузами на двухпутных линиях) целесообразно применение габарита Т_ПР. Этот габарит получил название промежуточного потому, что его ширина меньше габарита Т и больше габарита 1-Т.

Для цистерн целесообразен габарит Т_Ц, имеющий, как и габарит Т наибольшую ширину 3750 мм, наибольшую высоту 5200 мм, нижнее очертание, соответствующее габариту 1-Т. Цистерны, построенные по такому габариту, не требуют вышеуказанного уширения станционных междупутий, так как наибольшую ширину вагоны имеют только в зоне горизонтального диаметра котла. Габарит Т_Ц применим и для вагонов-самосвалов.

Введение габаритов Т_ПР и Т_Ц сокращает затраты на реконструкцию сооружений и устройств, позволяет ускорить применение вагонов, обеспечивающих существенное повышение провозной способности железных дорог. Габариты подвижного состава являются исходными очертаниями для определения по ним расчетом (вписыванием) допустимых строительных размеров вагонов.

При вписывании вагона в эксплуатационный габарит подвижного состава уменьшают горизонтальные размеры этого габарита на величину зазоров и износов ходовых частей, исчисляемых в горизонтальном направлении, и выносов частей вагона в кривых.

Максимально допускаемая ширина вагона 2В_i на некоторой высоте Н от уровня головки рельса определяется по формуле:

где В_i- максимальная полуширина вагона по соответствующему сечению на рассматриваемой высоте, мм;

В ₀ - полуширина соответствующего габарита подвижного состава на той же высоте, мм;

Е_i- одно из указанных выше ограничений, мм.

Для направляющих (по пятнику) поперечных сечений ограничение определяется по формуле:

Для поперечных сечений вагона, расположенных между его направляющими сечениями, ограничение определяют по формуле:

Для поперечных сечений вагона, расположенных снаружи (по консоли) его направляющих сечений, ограничение определяют по формуле:

где - наибольшая ширина колеи в рассматриваемых условиях (обычно в кривой расчетного радиуса). На участках железнодорожных линий и путях, где комплексная замена рельсошпальной решетки не производилась, на кривых участках пути при R?349 м, номинальный размер ширины колеи принимается =1540 мм;

- наименьшее расстояние между наружными гранями предельно изношенных гребней колес, 2d_r=1437 мм;

q - суммарное наибольшее поперечное перемещение в направляющем сечении в одну сторону из центрального положения рамы тележки относительно колесной пары вследствие наличия зазоров при максимальных износах в буксовом узле и узле сочленения рамы тележки с буксой, q=27 мм;

w - суммарное наибольшее перемещение в направляющем сечении в одну сторону из центрального положения кузова относительно рамы тележки вследствие зазоров при максимальных износах и упругих колебаний в узле сочленения кузова и рамы тележки, w=4мм.

2l - расстояние между направляющими сечениями вагона (база вагона), 2l=12,24 м;

n - расстояние от рассматриваемого поперечного сечения вагона до его ближайшего направляющего сечения, м;

k - величина, на которую допускается выход вагона за очертания габарита в кривой R=250м; k=75 мм;

k₁ - величина дополнительного поперечного смещения в кривой расчетного радиуса:

мм,

где l_Т - полубаза тележки, мм.

k₂ - коэффициент, зависящий от величины расчетного радиуса:

мм;

k₃ - уширение габарита приближения строений в расчетной кривой, для габарита 0-ВМ k₃=0.

При определении числовых значений k₁ и k₂ учитывают, что для габарита 0-ВМ расчетным радиусом является R=250 м. Тогда при R=250 м получим:

и k₂=2.

Числовые значения максимального бокового смещения предельно изношенной колесной пары определяют по формуле:

где мм- наибольшая ширина колеи в кривой расчетного радиуса,

- минимальное допускаемое расстояние между внутренними гранями ободов колес одной колесной пары, мм;

мм - минимальная толщина гребня колеса.

мм;

Е ₀=76,5+27+4+(2Ч1,85^2-0) - 75=39,4 мм

Е_В = 76,5+27+4+ [2(12,24-1,76)1,76+2Ч1,85^2-0]- 75=76 мм;

мм.

Вычислив ограничения полуширины вагона, получим ширину строительного очертания, вписываемого в габарит вагона на рассматриваемой высоте от уровня верха головок рельсов:

2В ₀ = 2(1б 25-39,4) = 3171 мм;

2В_В = 2(1625-76) = 3098 мм;

2В_К = 2(1625-106) = 3038 мм.



Рисунок 2 - Горизонтальная габаритная рамка строительного очертания вагона

2. Колесные пары являются одним из основных элементов вагона. Они воспринимают нагрузку от вагона и служат для направления его движения по рельсовому пути.

Колесная пара состоит из оси и двух посаженных на нее колес (рисунок 3).

Колеса запрессованы на ось на специальном прессе, с натягом 0,1-0,25 мм. Расстояние между внутренними гранями ободьев колес в эксплуатации 1440±3 мм, если скорость движения не превышает 33 м/с (120 км/ч).

Колеса, укрепленные на одной оси, должны иметь минимальную разность диаметров поверхностей катания (не более 1 мм). Это необходимо для предупреждения перекосов и трения колесной пары, повышающих сопротивление движению, вызывающих неравномерный и увеличенный износ поверхностей катания колес и скручивание оси.



Рисунок 3 - Колесная пара

В настоящее время под грузовыми вагонами эксплуатируют колесные пары с шейками оси диаметром 130 мм для роликовых подшипников (ГОСТ 4835-80 "Колесные пары для вагонов магистральных железных дорог колеи 1520 мм. Технические условия"):

РУ 1-950 с креплением подшипников торцовой гайкой М 110Ч4;

РУ 1Ш-950 с креплением подшипников тарельчатой шайбой и болтами М 20;

РУ 1Ш-950А (ТУ 24.05.816-82) с креплением подшипников шайбой, переделанные из осей С-III для подшипников скольжения.

В соответствии с ГОСТ 22780-93 "Оси для вагонов железных дорог колеи 1520 мм. Типы, параметры и размеры", оси колесных пар обозначают РУ 1 и РУ 1Ш. Буквы в обозначении оси Р - роликовая, У - унифицированная (унификация - сокращение типоразмеров). Цифры "950" в обозначении колесной пары - номинальный диаметр колеса по кругу катания.

Таблица 2 - Основные размеры вновь сформированных колесных пар

Наименование основных размеров	Размеры, мм
Расстояние между внутренними гранями колес L у колесных пар вагонов, обращающихся в поездах со скоростями: до 120 км/ч
свыше 120 км/ч до 160 км/ч
Наибольшее допускаемое отклонение в значениях расстояния L, измеренного в четырех точках, расположенных в двух взаимно перпендикулярных плоскостях
Диаметры колес D по кругу катания колесных пар
Наибольшее допускаемое отклонение значения D по кругу катания у одной колесной пары: без обточки	1,5
с обточкой	1,0
Наибольшая допускаемая овальность по кругу катания	0,5
Расстояние от торца шейки оси ? до внутренней грани колеса колесной пары типа: РУ 1-950	388
РУ 1Ш-950	374
Наибольшее допускаемое отклонение в значениях размера ? с одной и другой стороны колесной пары	3
Ширина обода b	130+3

Ось колесной пары состоит из 2-х шеек, 2-х предподступичных частей, 2-х подступичных частей и средней части.

Подступичные части предназначены для запрессовки на них цельнокатаных колес. проектирование грузовой вагон колесная

Для удобного размещения подшипников наружные части оси, называемые шейками, имеют цилиндрическую форму. Такую же форму имеют участки оси, на которых укрепляются ступицы колес, и потому называемые подступичными частями оси. Между шейками и подступичными частями находятся предподступичные части оси, на которых размещаются задние уплотняющие детали букс. Наименьший диаметр имеют шейки, наибольший - подступичные части. Для снижения концентрации напряжений в местах изменения диаметров имеются плавные сопряжения - галтели, выполненные определенными радиусами. На концах шеек осей имеются резьбовые части для гаек, а на торцах выполнены пазы, каждый с двумя резьбовыми отверстиями М 12 для размещения стопорных планок и крепления их болтами. Применяется и другой способ ограничения роликовых подшипников от перемещения на шейке оси - приставной шайбой, для крепления которой на торцах оси предусматривают по 3 или 4 резьбовых отверстия М 20. Также на торцах всех осей предусмотрены центровые отверстия для установки оси или колесной пары в центрах токарного станка.

Колесная пара РУ 1Ш-950А отличается от РУ 1Ш-950 размерами оси. Длина предподступичной части оси соответствует оси С-III и короче на 26 мм, чем у оси РУ 1-Ш. поэтому шейка оси длиннее и для возможности установки типовых подшипников 2726 на предподступичную часть устанавливают лабиринтное кольцо длиннее типового на 26 мм. Колесные пары РУ 1Ш-950А разрешено подкатывать только под легкогрузные вагоны (для перевозки автомобилей, скота и т.д.). В настоящее время при поступлении этих колесных пар в ремонт со сменой элементов, оси РУ 1Ш переделанные из осей С-III, заменяют на стандартные (ГОСТ 22780-93 "Оси для вагонов железных дорог колеи 1520 мм. Технические условия").

Отличительным признаком колесной пары РУ 1Ш-950А является выступающее из корпуса буксы на предподступичную часть оси на 25 мм лабиринтное кольцо

Таблица 3 - Основные размеры и допускаемая нагрузка для осей РУ 1 и РУ 1-Ш

Тип оси	Диаметр шейки, мм	Диаметр предподступичной части, мм	Диаметр подступичной части, мм	Диаметр оси в середине, мм	Длина шейки, мм	Общая длина оси, мм	Расстояние между центрами приложения нагрузок на шейки оси, мм	Наибольшая статистическая нагрузка от колесной пары на рельсы, кН(тс)
РУ 1	130	165	194	165	176	2294	2036	228(23,25)
РУ 1Ш	130	165	194	165	190	2216	2036	228(23,25)

Оси изготавливают из углеродистой стали марки ОсВ, которая, согласно ГОСТ 4728-79, имеет следующий состав (в %): углерода - 0,40-0,48, марганца - 0,55-0,85, кремния - 0,15-0,35, фосфора - не более 0,04, серы - не более 0,045, хрома - не более 0,3, никеля - не более 0,3, меди - не более 0,25. Механические свойства оси после ее изготовления, согласно ГОСТ 4008-79, должны удовлетворять нормам, указанным в таблице 4.

Таблица 4 - Механические свойства материала вагонной оси

Временное сопротивление, Мпа	Относительное удлинение, %, не менее	Ударная вязкость, МДж/м 3, не менее
		Среднее значение	Минимальное значение
580-595 600-625 630 и более	21,0 20,0 19,0	0,60 0,50 0,40	0,40 0,35 0,30

Для формирования колесных пар вагонов применяют цельнокатаные колеса по ГОСТ 9036-88 "Колеса цельнокатаные. Конструкция и размеры" и ГОСТ 10791-89 "Колеса цельнокатаные. Технические условия" с номинальным диаметром по кругу катания 950 мм. Колесо состоит из обода, диска и ступицы. В наиболее сложных условиях нагрузки находится обод, особенно та его поверхность, которой он катится по рельсу - поверхность катания. Ступица - это внутренняя часть колеса, которой оно насажено на ось. Ступица соединена с ободом диском. Для амортизации нагрузок, которое испытывает колесо со стороны вагона и рельсового пути диск колеса выполнен под углом. Для снижения концентрации напряжений зоны перехода от обода колеса к диску и от диска к ступице выполнены определенными радиусами.

Колеса изготавливают из спокойной стали, выплавленной в мартеновских печах или другим способом. Химический состав стали: углерода 0,55-0,65 %, кремния 0,2-0,42 %, марганца 0,5-0,9 %, фосфора не более 0,035 %, серы не более 0,04 %, хрома, никеля, меди - не более 0,25 %.

Механические свойства стали термически обработанных ободьев колес должны соответствовать следующим нормам: временное сопротивление при растяжении 911-1107 МПа, относительное удлинение 8 %, относительное сужение 14 %, твердость по Бринеллю на глубине 30 мм 255 НВ, ударная вязкость стали дисков колес при температуре 20є С 2,0 МДж/м ².

Для рационального взаимодействия колес и рельсового пути важное значение имеет форма поверхности катания - профиль колеса. На рисунке 4, а показан стандартный профиль поверхности катания, который имеет колесо после обточки. Этот профиль характеризуется наличием гребня высотой 28 мм и толщиной 33 мм, измеренной на расстоянии 18 мм от вершины, конической поверхности катания с конусностями 1:10 и 1:3,5 и фаски 6х 6 мм.

Гребень предохраняющий колесную пару от схода с рельсов, имеет угол наклона наружной грани 60. Коническая поверхность в отличие от цилиндрической предотвращает образование неравномерного проката, облегчает прохождение кривых и центрирует колесную пару в прямых участках пути. Поверхностью, расположенной у наружной вертикальной грани, колесо реже опирается на рельс, поэтому она меньше изнашивается, чем основная поверхность контакта. Благодаря наличию конусности 1:3,5 и фаски наружная грань колеса приподнимается над головкой рельса, чем облегчается прохождение стрелочных переводов при наличии проката или наплыва металла на колесе.

Рисунок 4 - Профили поверхности катания колес: а) стандартный; б) рекомендуемый ВНИИЖТ

ВНИИЖТ предложил новый профиль вагонного колеса (рис. 4, б). Опыты показали, что колеса с таким профилем имеют в 1,2-1,3 раза меньший износ гребней. Увеличение угла наклона наружной грани гребня до 65 повышает безопасность движения (устойчивость колесной пары на рельсах), улучшается плавность хода.

Колесная пара испытывает воздействие почти всех нагрузок, действующих на вагон. Наиболее существенно влияют на прочность колесной пары следующие нагрузки:

Вертикальная статическая нагрузка груженого вагона (брутто), приходящаяся на шейку оси, вычисляется по формуле:

где - масса вагона брутто;

- число колесных пар в вагоне;

- масса колесной пары;

- масса консольной части оси (от торца оси до плоскости круга катания колеса);

g - ускорение силы тяжести;

- средняя величина коэффициента использования грузоподъемности вагона.

Вертикальная динамическая нагрузка, обусловлена колебаниями обрессоренных колес, определяется по формуле:

,

где - коэффициент вертикальной динамики.

Вертикальная нагрузка от центробежной силы, загружающая одну шейки и разгружающая другую, составляет:

где - центробежная сила вагона, приходящаяся на одну колесную пару;

- высота центра массы вагона от оси колесной пары;

- расстояние между серединами шеек оси.

Вертикальная нагрузка от давления ветра на боковую поверхность вагона, загружающая одну шейку оси и разгружающая другую, определяется формулой:

где - давление ветра, действующее на вагон;

- расстояние от равнодействующей давления ветра до оси колесной пары.

Вследствие медленного изменения во времени центробежной силы и давления ветра вероятность их повторения принимается равной единице, и они учитываются также как статическая нагрузка.

Суммарная вертикальная нагрузка (рисунок 5):

на левую шейку:

на правую шейку:



Рисунок 5 - Схема сил, загружающих колесную пару

Горизонтальные нагрузки от центробежной силы и давления ветра вместе с усилиями взаимодействия колес с рельсами при движении вагона по кривой, приводятся к боковому давлению Н₁, приложенному к колесу, движущемуся по наружному рельсу кривой, и к силе трения Н₂, возникающей в месте контакта второго колеса с рельсом.

где - коэффициент трения при скольжении колеса по рельсу в поперечном направлении ( = 0,25);

N_В - вертикальная нагрузка движущегося по внутреннему рельсу колеса на этот рельс.

Силы Н ₁ и Н ₂ уравновешиваются реакцией рамы тележки, называемой поперечной рамной силой Н и определяемой формулой:

где k_г - коэффициент горизонтальной динамики.

Вертикальная нагрузка от сил инерции необрессоренных масс, действующая:

на левую шейку оси:

на правую шейку:

;

где m₁ и m₂ - суммы необрессоренных масс частей, приходящихся на левую и правую шейки соответственно;

j₁ и j₂ - ускорения соответственно левого и правого буксовых узлов.

При определении m₁ и m₂ в них включают массу m_ш, консольной части оси, массу буксы m_Б и массу опирающихся на буксу деталей m_Р. Для тележек грузовых вагонов с центральным рессорным подвешиванием m_Р представляет собой половину массы боковой рамы и рессорного комплекта.

Сила инерции колеса:

где - масса колеса.

Сила инерции средней части оси принимается в виде сосредоточенной нагрузки, соответствующей равнодействующей распределенных по длине сил инерции. Она составляет:

где - масса средней части оси, приложена на расстоянии 2/3s от плоскости круга катания.

Силы Р_{Н 1} и Р_{Н 2} могут быть приложенными с эксцентриситетами i₄ и i₅ относительно шеек оси.

Вертикальные реакции рельсов, определенные из условий равновесия (равенство нулю суммы моментов всех рассматриваемых сил относительно точек контакта колес с рельсами), составляют:

,

где r - радиус колеса;

r₁ - радиус шейки оси (при роликовых подшипниках допустимо принимать r₁=0).

Выполним расчет оси упрощенным методом ЦНИИ - НИБ. В данном методе принято нагружение оси двумя силами: вертикальной 1,25Р ₀ и горизонтальной боковой

Н = 0,5 Р ₀,

где 1,25 - коэффициент учитывающий действие вертикальной динамической нагрузки; Р ₀ - статическая нагрузка на ось от веса вагона брутто, вычисляемая по формуле:

Подставляем значения:

Рисунок 6 - Расчетная схема нагружения колесной пары

Расчетные силы считают приложенными в центре тяжести О вагона (рисунок 6). Расстояние от оси колесной пары до точки О принимают h = 1,45 м, если оно не установлено техническим заданием на проектирование вагона. Расчетные силы вызывают нагружение:

левой шейки оси:

правой шейки оси:

Эти силы считают приложенными к серединам шеек.

Вертикальные опорные реакции для левого и правого колес, вычисляемые без учета веса колесной пары, соответственно:

,

К левому колесу приложена также горизонтальная реакция Н.

Изгибающие моменты вычисляют в трех расчетных сечениях I-I, II-II и III-III: М ₁ - у внутренней галтели шейки, М ₂ - в плоскости круга катания и М ₃ - в середине оси. Для этих сечений они составляют:

,

где 2b₂ = 2,04 м - расстояние между серединами шеек оси;

2s = 0,79 м - расстояние между кругами катания колес;

l₁ = 0,176 м - длина шейки оси;

r = 0,475 м - радиус колеса;

l₂ - расстояние от середины шейки до плоскости круга катания;

l₁ - допустимый износ по длине шейки.

Подставляем числовые значения:

Из уравнения прочности на изгиб:

М_i = W_{i i},

и i = 1;2;3, определяют наименьшие допускаемые диаметры:

шейки:

подступичной части:

середины оси:

Допускаемые напряжения принимаем для грузовых вагонов: =140 МПа, =165 МПа, =155 МПа. По рассчитанным диаметрам выбирают ось колесной пары из числа предусмотренных стандартом. При этом, для обеспечения возможной обточки при износе к расчетным диаметрам добавляют: для шейки оси при роликовых подшипниках - 2 мм, для подступичной и средней частей оси - 6 мм.

Фактические размеры оси в расчетных сечениях должны быть большими или равными полученным.

Участками с существенной концентрацией напряжений в оси являются внутренняя галтель шейки и подступичная часть.

3. В настоящее время в эксплуатации под вагонами используют буксовые узлы (рисунок 7), оборудованные двумя (передним и задним) однорядными подшипниками с короткими цилиндрическими роликами (отношение длины ролика к его диаметру менее двух). За счет разной ширины внутренних колец переднего и заднего подшипника обеспечивается осевой разбег двух подшипников в буксе, в пределах 0,68-1,38 мм. Оба подшипника полузакрытого типа. Задний подшипник (42726Л) имеет однобортное внутреннее кольцо, у переднего подшипника (232726Л 1) роль борта играет плоское приставное упорное кольцо. Кольцевая поверхность шириной 20 мм на торце оси позволяет осуществлять ультразвуковой контроль шейки без снятия внутренних колец подшипников. Для рационального распределения нагрузки между роликами и вдоль образующей роликов и колец в буксах введены ребра жесткости, расположенные над серединами роликов. Разгрузка концов роликов и соответствующих зон наружных и внутренних колец подшипников достигается уменьшением длины опорной поверхности нагружающих продольных ребер корпусов букс.



Рисунок 7 - Типовая букса грузового вагона

В задней стенке буксы предусмотрено лабиринтное уплотнение: лабиринтное кольцо, насаженное на шейку оси и отъемный лабиринт корпуса буксы грузовых вагонов. Лабиринтное кольцо имеет две кольцевые выточки и два кольцевых выступа, а лабиринт - две кольцевые выточки и три кольцевых выступа. После монтажа буксы кольцевые выступы лабиринтного кольца входят в кольцевые выточки лабиринта и обеспечивают уплотнение буксы, предохраняя от вытекания смазки и от попадания загрязнений.

Передний торец буксы представляет крепительную крышку, к которой крепится смотровая крышка.

Наружные кольца подшипников должны быть зажаты между крепительной крышкой и задней стенкой корпуса буксы гарантированным усилием (по нормам). Между крепительной крышкой и фланцем корпуса буксы с подшипниками на глухой посадке должен быть зазор в пределах 0,5-2 мм. Такая система крепления подшипников и крышки обеспечивает восприятие конструкцией осевых усилий в пределах усилия предварительной затяжки без дополнительной деформации элементов крепления, что обеспечивает надежность торцевого крепления подшипников.

Уплотнение крепительной и смотровой крышек обеспечивается с помощью резинового кольца и резиновой прокладки.

В настоящее время под вагонами эксплуатируют подшипники, обозначаемые: 232726 - передний, 42726 - задний.

232726 - конструктивные особенности: "23" - подшипник с двумя упорными бортами на наружном кольце и без борта на внутреннем (роль борта играет плоское упорное приставное кольцо). "2" - радиальный подшипник с короткими цилиндрическим роликами; "7" - наружный диаметр и ширина нестандартны - неопределенная серия; "26"Ч5=130 мм - величина внутреннего диаметра подшипника.

У заднего подшипника обозначения такие же, как и у переднего, за исключением пятой цифры справа - "4" - наружное кольцо с двумя упорными бортами, внутреннее с одни упорным бортом.

Наружные кольца подшипников взаимозаменяемы.

Применяют глухую подшипниковую посадку с натягом. Посадка внутренних колец до 2004 года осуществлялась или по методу нагрева внутренних колец, или запрессовкой. Метод нагрева заключается в том, что в результате нагрева диаметр кольца увеличивается до размера, когда кольцо свободно надевается на шейку оси. После остывания кольцо плотно охватывает шейку, обеспечивая плотность соединения.

Прессовая посадка подшипников имеет следующие преимущества перед посадкой горячим способом:

- Не требуется подтягивания гаек М 110Ч4 (для осей типа РУ 1) и болтов тарельчатой шайбы (для осей РУ 1Ш) в процессе остывания;

- Ускоряется процесс замены колец, так как не требуется времени на остывание шеек осей и колец после съема и постановки;

- Возможен контроль запрессовки по величине усилия с регистрацией результатов, т.е. выходной контроль.

В связи с тем, что имеет место сравнительно большое количество случаев нарушений безопасности движения из-за неисправностей букс, проблема выходного контроля после полной ревизии букс приобретает особенно важное значение, поэтому с 2004 года посадка осуществляется только запрессовкой на специальных прессах.

До конца 90-х годов под вагонами также эксплуатировались буксы с подшипниками на втулочной посадке со сферическими и цилиндрическими роликами на осях типа РУ.

Подшипники с цилиндрическими роликами на глухой подшипниковой посадке имеют преимущества перед ранее применявшимися подшипниками на втулочной посадке:

более низкая стоимость вследствие более простой конструкции;

меньший вес необрессоренных частей вагона;

предназначены для более высоких скоростей движения;

более простой монтаж и демонтаж буксового узла;

более высокие показатели надежности.

Под долговечностью подшипников понимается расчетный срок службы, измеряемый числом оборотов, в течение которого не менее 90 % из данной их группы при одинаковых условиях должны отработать без появления признаков усталости металла. При подборе подшипников для грузовых вагонов расчетную долговечность принимают равной пробегу 1,5 млн.км.

Для роликовых подшипников долговечность в млн. оборотов при 90 %-ной надежности рассчитывают по формуле:

где С - динамическая грузоподъемность. Базовая динамическая грузоподъемность подшипника 30-232726 равна 516 кН (по каталогу);

Р - эквивалентная динамическая нагрузка.

При расчете динамической эквивалентной радиальной нагрузки для роликовых радиальных подшипников используют формулу:

где - статическая вертикальная сила, приходящаяся на буксу вагона;

- коэффициент безопасности (динамический).

Статическая вертикальная сила, приходящаяся на буксу вагона в груженом состоянии в эксплуатации, определяется по формуле:

где - статическая нагрузка вагона нетто;

- тара вагона;

- сила тяжести одной колесной пары;

- количество колесных пар в вагоне.

Подставляем значения:

млн. об.

В километрах пробега

млн. км.

Для повышения надежности роликовых подшипников, обеспечения условий безопасной их эксплуатации необходимо:

Подшипники, обладающие повышенной долговечностью при воздействии эксплуатационных нагрузок и мало чувствительные к поверхностным концентраторам напряжений;

Консистентные смазки, обеспечивающие надежное разделение поверхностей трения элементов подшипников качения (торцов роликов и бортов колец) в условиях граничных режимов смазки;

Буксовые узлы, обеспечивающие снижение действующих на подшипники нагрузок и наиболее рациональное распределение между подшипниками и их элементами;

Тщательный контроль над состоянием подшипников перед монтажом, выявление и изъятие подшипников с начальными повреждениями, которые могут привести к аварийным разрушениям, строгое соблюдение требований монтажа;

Контроль над состоянием букс в поездах для своевременного изъятия из эксплуатации колесных пар, у которых подшипники или их стопорные устройства находятся в стадии разрушения.

Основные преимущества подшипников качения по сравнению с подшипниками скольжения:

Снижение удельного сопротивления движению и, как следствие, снижение расхода топлива или электроэнергии локомотивами (на 4-11 % в зависимости от типа подшипников) или возможность увеличения скорости движения или массы поезда, что обеспечивает повышение пропускной и провозной способности дорог, снижение расходов на ремонт локомотивов;

Снижение сопротивления движению в 7-10 раз, при этом величина сопротивления не зависит от времени стоянки и температуры наружного воздуха;

Практически полное отсутствие случаев нагрева букс при повышении скоростей движения, удлинении безостановочных пробегов и ускорении оборота вагона;

Резкое сокращение объема работ по обслуживанию букс в эксплуатации, что позволяет значительно сократить штат слесарей и осмотрщиков вагонов на пунктах технического обслуживания вагонов (ПТО), ликвидировать штат станционных смазчиков, уменьшить количество ПТО на сети дорог;

Значительное или даже полное сокращение расхода цветных металлов;

Большая экономия смазочных материалов, а также полное исключение расхода подбивочных материалов и необходимости сезонной смены смазки;

Букса с подшипником скольжения (рисунок 8) состоит из литого корпуса 1, подшипника 2, вкладыша (клина) 3, польстера 5, крышки 6 и уплотняющей шайбы 4. В корпус буксы наливают осевое масло, которое подается польстером или подбивочными валиками к шейке оси.

Рисунок 8 - Типовая букса с подшипником скольжения тележки грузового вагона

Корпус буксы должен обладать необходимой прочностью как для передачи нагрузки от рамы тележки на подшипник, так и для подъемки буксы домкратом. Поэтому корпуса букс отливают из стали. Нижняя стенка корпуса утолщена наружным рифлением поверхности, боковые стенки подкреплены ребрами жесткости. Форма нижней части внутренней полости корпуса обеспечивает возможность его заправки польстером или валиками. Для правильной передачи нагрузки на подшипник важно, чтобы упорные приливы корпуса буксы располагались в одной плоскости, перпендикулярной продольной ее оси (рис. VI.9), и чтобы строго выдерживались размеры а ₁ и а ₂, а также расстояния между упорными приливами и упорами в корпусе буксы для вкладыша.

Герметичность буксы обеспечивается постановкой крышки и уплотняющей шайбы.

Буксовые крышки должны прилегать к торцовой плоскости стенок переднего отверстия корпуса буксы по всему периметру и прижиматься к ней силой, обеспечивающей постоянный контакт, при действии на буксу вертикальных ускорений величиной 15-20 g и горизонтальных 5g, где g - ускорение силы тяжести.

Уплотняющие шайбы герметизируют буксу со стороны предподступичной части оси. Для обеспечения плотности прилегания этих шайб к стенкам паза корпуса буксы и к оси, а также возможности некоторых вертикальных и горизонтальных относительных перемещений буксы оси колесной пары необходимо, чтобы материал шайб обладал большой упругостью и износостойкостью. Одним из решений этой задачи является резиновая уплотняющая шайба, разработанная ВНИИЖТ.

Подшипник непосредственно передает нагрузки от корпуса 6yксы на шейку оси. Он должен быть прочным и устойчивым как от опрокидывания, так и от смещения поперек шейки оси горизонтальным силами, действующими на буксу. Конструкция подшипника должна обеспечивать возможно более равномерное распределение нагрузки по длине в поперечном сечении.

В буксах отечественного подвижного состава преимущественно применялись трехслойные подшипники, состоящие из стального корпуса 1 (рисунок 9), латунной армировки 2, антифрикционного слоя 3. Такой подшипник обхватывает 1/3 длины окружности шейки.

Рисунок 9 - Трехслойный подшипник скольжения

Антифрикционный слой подшипника (баббитовая заливка) должен удовлетворять следующим требованиям: обладать большой сопротивляемостью сжатию при достаточной способности деформироваться; легко прирабатываться к шейке оси; быть износо- и теплостойким; обладать хорошими литейными качествами. Этим требованиям в значительной степени отвечает применявшийся на железных дорогах СССР кальциевый баббит. Особенностью этого баббита является то, что он не прилуживается и требует механического крепления к армировке и корпусу. Такое соединение менее надежно, чем прилуживание. При неудовлетворительной обработке кромок пазов и армировки могут возникнуть надрывы в слое баббита, а затем его сколы. Кроме того, из-за возможных местных неплотностей механического крепления ухудшается отвод тепла от баббита к корпусу подшипников.

С 1978 г. наряду с трехслойными подшипниками стали применять двухслойные подшипники без латунной армировки. Эти подшипники отличались большой монолитностью и лучшим отводом тепла, образующегося в процессе трения, а стендовые испытания и широкая эксплуатационная проверка показали их высокую надежность - резко сократилась браковка подшипников из-за трещин и сколов баббита, соответственно увеличился срок службы.

Передача нагрузки на подшипник осуществляется через буксовый вкладыш. Буксовые вкладыши изготавливали стальными штампованными или литыми. Наличие вкладыша позволяет вынимать подшипник после незначительного подъема корпуса буксы; тем самым облегчается и ускоряется процесс смены подшипника. От конструкции вкладыша (его жесткости, особенностей сопряжения с корпусом буксы и подшипником) существенно зависит распределение нагрузки на баббитовый слой.

В продольном сечении поверхность вкладыша, на которую опирается корпус буксы четырехосного грузового вагона, имеет цилиндрическую форму. Это обеспечивает возможность самоустановки (наклона) корпуса буксы относительно шейки оси, что необходимо, поскольку боковые рамы тележек грузовых вагонов жестко опираются на буксы и не имеют свободы перемещения относительно них при маятниковых колебаниях.

Для нормальной эксплуатации букс с подшипниками скольжения необходимо обеспечить обильную подачу осевого масла к трущимся поверхностям шейки оси и подшипника. Основным смазочным устройством является польстер, который. состоит из двух основных частей: металлического каркаса и прикрепляемой к нему полушерстяной щетки с фитилями. Пружины каркаса постоянно прижимают щетку к шейке оси, чем и обеспечивается надежная подача к подшипнику масла, поднимающегося по капиллярам фитилей.

При расчете подшипников скольжения проверяют правлильность выбора длины подшипника по условиям отвода тепла.

Работа сил трения подшипника о шейку ости превращается в теплоту. Количество тепла, выделяющегося в течение 1 с при вращении шейки (Дж/с), составляет:

,

где м - коэффициент трения шейки по подшипнику.

Количество тепла на 1 м ² площади проекции подшипника [Дж/(сЧм ²)]

.

Обозначая через С_с, получим:

.

При выводе формулы 44 предполагалось, что все тепло отводится через подшипник. Фактически некоторая часть тепла отводится шейкой оси, поэтому формула 44 несколько завышает величину .

Опыт показывает, что подшипники скольжения вагонов удовлетворительно эксплуатируются при С_с=3,165кН/(мЧс).

...