цельнокатаное железнодорожное колесо и способ его изготовления

Формула изобретения

1. Цельнокатаное железнодорожное колесо, содержащее обод, диск и ступицу, при этом диск в осевом сечении выполнен криволинейным с выгибом в центральной части, а центральная линия осевого сечения диска на участке его сопряжения со ступицей смещена в осевом направлении относительно центральной линии осевого сечения диска на участке его сопряжения с ободом в сторону внутренней поверхности колеса, отличающееся тем, что выгиб в центральной части диска направлен в сторону наружной поверхности колеса, а указанная величина смещения находится в интервале значений 10÷25 мм.

2. Колесо по п.1, отличающееся тем, что центральная линия осевого сечения диска на участке его сопряжения со ступицей смещена относительно середины ступицы в сторону наружной поверхности колеса.

3. Колесо по п.2, отличающееся тем, что величина указанного смещения находится в интервале значений 25÷45 мм.

4. Способ изготовления цельнокатаного железнодорожного колеса с криволинейным диском, включающий операции осадки и разгонки заготовки, формования полученной заготовки и раскатки обода и диска, выгибки диска и калибровки обода с одновременным прошиванием ступицы колеса, отличающийся тем, что центрирование колеса перед операцией выгибки диска осуществляют со стороны наружной поверхности колеса по внутренней поверхности его обода в процессе вертикального перемещения выталкивателя пресса с размещенным на нем прокатанным колесом к верхнему выгибному штампу.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что вертикальное перемещение выталкивателя пресса с колесом осуществляют одновременно с ходом траверсы пресса с верхним выгибным штампом.

Описание изобретения к патенту

Группа изобретений относится к металлургической промышленности, в частности к конструкции цельнокатаного колеса диаметром 957 мм с криволинейным диском, предназначенного для грузовых вагонов локомотивной тяги магистральных железных дорог, с нагрузкой на ось до 30 тс., и особенности технологии изготовления такого колеса.

Несмотря на то, что в мировой практике существуют конструкции железнодорожных колес с криволинейной формой диска, указанные колеса не могут быть использованы в условиях российских железных дорог по следующим причинам. Диаметры этих колес составляют 920 и 1020 мм, при том, что на российских железных дорогах используются колеса с диаметром 957 мм. Указанные колеса используются в основном для производства пассажирских вагонов и предназначены для эксплуатации с максимальной нагрузкой на ось до 23,5 тс. Поэтому в качестве ближайшего аналога предложенной конструкции колеса выбрана конструкция цельнокатаного железнодорожного колеса диаметром по кругу катания 957 мм с плоскоконическим диском по ГОСТ 9036-88.

Недостатком известной конструкции колеса является низкая усталостная прочность, а именно: при минимальных значениях толщины обода в процессе эксплуатации возникают высокие напряжения на поверхности диска у обода с внутренней поверхности колеса, что приводит к появлению усталостных трещин в этом месте. Кроме того, известное колесо сконструировано таким образом, что в процессе его эксплуатации наблюдается такой дефект, как подрез гребня. Это приводит к повышенному износу профиля колеса и в итоге - снижению срока службы всей колесной пары.

Перечисленные недостатки негативным образом отражаются на надежности колес, а следовательно безопасности движения.

Технический результат предложенного решения для объекта "устройство" состоит в повышении эксплуатационной стойкости и надежности предложенной конструкции колеса путем снижения напряжений в проблемных зонах диска, преимущественно расположенных на расстоянии 45-70 мм от обода, а следовательно, снижении вероятности появления усталостных трещин в течение всего срока службы колеса при нагрузках на ось до 30 тс, с одновременным повышением демпфирующей способности конструкции диска колеса.

Названный технический результат достигнут в предложении за счет того, что цельнокатаное железнодорожное колесо по кругу катания диаметром 957 мм содержит диск, обод и ступицу, при этом диск в осевом сечении колеса выполнен криволинейным с выгибом в центральной части, а центральная линия осевого сечения диска на участке его сопряжения со ступицей смещена в осевом направлении относительно центральной линии осевого сечения диска на участке его сопряжения с ободом.

В преимущественном варианте выполнения указанный выгиб имеет U-образную форму и направлен в сторону наружной поверхности колеса, а центральная линия осевого сечения диска на участке сопряжения со ступицей смещена относительно центральной линии осевого сечения диска на участке его сопряжения с ободом в сторону внутренней поверхности колеса.

Указанная величина смещения находится в интервале значений 10-25 мм.

Центральная линия осевого сечения диска на участке его сопряжения со ступицей смещена относительно середины ступицы в сторону наружной поверхности колеса на 25-45 мм.

Известны способы изготовления цельнокатаных железнодорожных колес методом обработки металлов давлением, описанные в патентах RU №№ 2111822 и 2123405, кл. В 21 Н 1/04, опубликованных соответственно 27.05. и 20.12.1998 г.

Также различные технологии изготовления, в том числе цельнокатаных железнодорожных колес, описаны в книге Г.А.Бибик и др. Производство железнодорожных колес, М., Металлургия, 1982, с.9-11, 64-81.

В соответствии с известным способом процесс изготовления цельнокатаного колеса включает операции осадки, разгонки, формовки, прокатки, выгибки, калибровки и прошивки отверстия в ступице.

Известный способ характеризуется трудоемким процессом центрирования колеса за обод и ступицу перед операцией выгибки диска колеса.

Технический результат предложенного решения для объекта "способ" состоит в обеспечении минимального дисбаланса диска и обода на последней стадии формования колеса, а именно выгибки его диска, с наименьшими трудозатратами.

Указанный технический результат достигается в предложении за счет того, что способ изготовления цельнокатаного железнодорожного колеса с криволинейным диском, включает операции осадки и разгонки заготовки, формования полученной заготовки и раскатки обода и диска, выгибки диска и калибровки обода с одновременным прошиванием ступицы колеса, при этом центрирование колеса перед операцией выгибки диска осуществляют со стороны наружной поверхности колеса по внутренней поверхности его обода в процессе вертикального перемещения нижнего выталкивателя пресса с размещенным на нем прокатанным колесом, к верхнему выгибному штампу.

Вертикальное перемещение нижнего выталкивателя пресса с колесом осуществляют одновременно с ходом траверсы пресса с верхним выгибным штампом.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1-5 представлены различные варианты конструкций цельнокатаных вагонных колес; на фиг.6 - преимущественный вариант конструкции колеса; на фиг.7 - варианты схем приложения нагрузок к ободу колеса, на фиг.8 - схема центрирования колеса на стадии выгибки диска.

Вагонное колесо является ответственным элементом ходовой части вагона, от надежности которого во многом зависит безопасность движения. В процессе эксплуатации колесо подвергается воздействию широкого спектра механических нагрузок, как со стороны пути, так и со стороны элементов подвижного состава, которые оказывают существенное влияние на его напряженное состояние. Фактическое напряженное состояние, в свою очередь, во многом определяет стойкость колеса к повреждениям и, в конечном счете, его ресурс. В последние годы на российских железных дорогах происходит существенное изменение условий эксплуатации грузового подвижного состава, сопровождающееся ростом скоростей движения, увеличением осевых нагрузок до 30 тс, применением при укладке пути железобетонных шпал (повышение жесткости пути). Все это приводит к существенному усложнению условий работы колеса. В связи с этим возникла необходимость проведения целого комплекса мероприятий по улучшению его эксплуатационных показателей и увеличению ресурса. Об этой необходимости, в частности, свидетельствует и тот факт, что постоянно растет число повреждений вагонных колес по такому опасному с точки зрения безопасности движения дефекту, как трещина в диске, которая в некоторых случаях может приводить к разрушению всего колеса.

Надежность работы колеса в части напряженного состояния во многом определяется его конструкцией. В настоящее время на отечественных грузовых вагонах используется цельнокатаное колесо с плоскоконическим диском (фиг.1), конструкция которого была разработана еще в начале 20 века и с тех пор изменилась незначительно.

Как показывают многочисленные исследования, основным недостатком существующей конструкции колеса, приводящим к повреждениям диска, является повышенная концентрация временных и остаточных напряжений в его приободной зоне при различных комбинациях приложения внешних эксплуатационных нагрузок. Анализ повреждений дисков колес показывает, что разрушение носит преимущественно усталостный характер и развивается по внутренней поверхности диска на расстоянии 45-70 мм от обода.

Зарубежные железные дороги, столкнувшись в свое время с проблемой возникновения трещин в дисках, пошли по пути перехода на использование колес с криволинейной формой диска, характеризующейся повышенной демпфирующей способностью внешних нагрузок. Конструкции дисков выбирались и оптимизировались на основе проведения компьютерных расчетов, заключавшихся в моделировании условий нагружения колес в эксплуатации и расчете напряженно-деформированного состояния, по которому проводилась оценка прочности.

Проведение подобных расчетов позволило создать колеса с различными вариантами дисков, обладающих изогнутой формой профиля, что кардинально отличает их от отечественного колеса с плоскоконическим диском. Как показали расчеты, за счет изогнутой формы диска происходит значительное снижение уровня напряжений по всему его сечению и кардинальное изменение самого характера их распределения. Переход на новые конструкции позволил практически полностью исключить случаи изломов колес на зарубежных железных дорогах. В настоящее время колеса с криволинейными дисками чаще всего используются в поездах, обращающихся в тяжеловесных грузовых и высокоскоростных пассажирских перевозках, то есть при достаточно тяжелых условиях эксплуатации.

В качестве альтернативы для существующего и перспективного (рассчитанного на повышенные осевые нагрузки до 30 тс) отечественного подвижного состава сейчас предлагаются различные варианты колес с дисками криволинейной формы, которые должны обеспечить более равномерное распределение напряжений в металле от эксплуатационных нагрузок, что позволит значительно снизить вероятность зарождения трещин. Сравнение различных конструкций колес по уровню и характеру распределения напряжений с выявлением лучшего варианта и составляет основную задачу расчета.

Методика расчета используется только для цельнокатаных колес грузовых вагонов локомотивной тяги магистральных железных дорог, так как учитывает характерные для них условия эксплуатации. При этом по данной методике могут рассчитываться конструкции как колес, предназначенных для существующих условий эксплуатации, так и колес, рассчитанных на перспективные условия при соответствующей корректировке условий нагружения.

Сравнительный анализ напряженного состояния при воздействии механических нагрузок проводился для пяти вариантов конструкций цельнокатаных вагонных колес (фиг.1-5):

1. Стандартное колесо с плоскоконическим наклонным диском по ГОСТ 9036-88 (фиг.1);

2. Опытное колесо с криволинейным диском прямой вогнутости (фиг.2);

3. Опытное колесо с криволинейным диском обратной вогнутости со смещенным положением диска относительно обода (фиг.3);

4. Опытное колесо с криволинейным диском обратной вогнутости без смещения диска относительно обода (фиг.4);

5. Опытное колесо с криволинейным диском с центральным выгибом (фиг.3).

Конструкция преимущественного варианта выполнения цельнокатаного колеса, диаметром 957 мм, предназначенного для грузовых вагонов с нагрузкой до 30 тс представлена на фиг.6. Колесо состоит из обода 1 с гребнем 2 и рабочей поверхностью 3, предназначенной для контакта с рельсом, а также криволинейного диска 4, имеющего в центральной части U-образный выгиб 5, направленный в сторону наружной поверхности колеса, и ступицы 6. Центральная линия осевого сечения диска оо на участке сопряжения диска со ступицей (о) смещена относительно центральной линии осевого сечения диска оо на участке сопряжения диска с ободом (о) в сторону внутренней поверхности колеса на величину а=10-25 мм (между осями у и у).

Центральная линия осевого сечения диска оо на участке сопряжения со ступицей (о) смещена относительно вертикальной оси у, проходящей через середину ступицы 6 в сторону наружной поверхности колеса на величину в=25÷45 мм.

Сравнение колес осуществлялось также на основе анализа напряжений, возникающих при воздействии механических нагрузок по трем вариантам, имитирующим различные условия эксплуатации (фиг.7):

- движение колесной пары в кривой или виляние экипажа, когда на гребень одного из колес действует горизонтальная боковая сила, а на обод - вертикальная, смещенная в сторону гребня (фиг.7 вариант 2);

- движение колеса по прямому участку пути, когда на колеса, в основном, действует вертикальная сила по кругу катания (фиг.7 вариант 3);

- движение колесной пары в кривой или виляние экипажа, когда вертикальная сила действует на внешнюю (полевую) часть поверхности катания обода (фиг.7 вариант 4). Кроме того, моделировалось приложение нагрузки к гребню колеса (фиг.7, вариант 1), принятое при проведении сертификационных усталостных испытаний и позволяющее имитировать одновременное воздействие горизонтальной и вертикальной нагрузок с получением изломов, идентичных эксплуатационным.

Обобщенные сравнительные данные по напряженному состоянию дисков рассмотренных колес представлены в таблице 1.

Таблица 1
Напряжения	Вариант конструкции колеса
в диске	Стандартное с плоскоконическим наклонным диском	Опытное с диском прямой вогнутости	Опытное со смещенным диском обратной вогнутости	Опытное с несмещенным диском обратной вогнутости	Опытное с несимметричным диском с центральным выгибом
Механическое нагружение по схеме 1 (вертикальная нагрузка приложена к гребню)
i, максимальные, МПа	820	915	528	752	514
Y сжимающие максимальные, МПа	-810	-850	-579	-797	-448
Y растягивающие максимальные, МПа	+484	+560	+192	+436	+204
Механическое нагружение по схеме 2 (вертикальная нагрузка приложена в месте перехода обода в гребень, горизонтальная - к основанию гребня)
i максимальные, МПа	618	717	351	554	380
Y сжимающие максимальные, МПа	-590	-618	-374	-607	-307
Y растягивающие максимальные, МПа	+338	+339	+64	+254	+72
	Механическое нагружение по схеме 3 (вертикальная нагрузка приложена по кругу катания)
i максимальные, МПа	373	550	380	334	353
Y сжимающие максимальные, МПа	-384	-500	-383	-362	-336
Y растягивающие максимальные, МПа	+57	+166	+100	+102	+82
	Механическое нагружение по схеме 4 (вертикальная нагрузка приложена к внешней части поверхности катания)
i максимальные, МПа	425	407	612	405	500
Y сжимающие максимальные, МПа	-465	-402	-644	-360	+569
Y растягивающие максимальные МПа	+209	+191	+212	+135	+322

Дополнительно к оценке напряженного состояния был проведен анализ осевых перемещений колес при приложении нагрузки по кругу катания (фиг.7, вариант 3). Осевые перемещения определяют прохождение колесом стрелочных переводов и возможность износа гребня за счет прижатия его к боковой поверхности головки рельса.

У всех колес, за исключением опытного колеса с несимметричным диском с центральным выгибом, происходит движение обода к рельсу, причем наиболее сильно эта тенденция выражена для опытного колеса со смещенным диском обратной вогнутости (фиг.3). Обод колеса с несимметричным диском равномерно отходит от рельса (фиг.5), что является несомненным его преимуществом.

Данные по перемещениям полностью подтверждают результаты оценки напряженного состояния в части характера распределения напряжений.

Полученные в результате компьютерного моделирования результаты верифицировались тензометрическими испытаниями стандартного колеса.

Испытания проводились при тех же условиях, которые задавались при компьютерном моделировании.

Колесо насаживалось на ось и устанавливалось вертикально в испытательную машину.

Результаты тензометрических испытаний показали хорошее соответствие с результатами компьютерного расчета, как по характеру распределения напряжений, так и по их значениям, при этом относительная разница между экспериментальными и расчетными данными не превысила 10%. Это говорит о достаточной точности программного обеспечения и правильности задания условий расчета.

Проведенное компьютерное моделирование установило, что неблагоприятными для напряженного состояния дисков являются такие режимы работы колес, когда внешняя нагрузка смещена относительно круга катания в сторону гребня или к внешней части поверхности катания (фиг.7 варианты 2 и 4). При этом в отдельных зонах дисков радиальные напряжения и интенсивность напряжений близки или превышают предел текучести стали, что повышает вероятность зарождения в них трещин. Самым неудовлетворительным образом в части напряженного состояния ведет себя опытное колесо с диском прямой вогнутости, которое оказалось хуже не только остальных опытных колес, но и стандартного колеса. Для случая приложения нагрузки по кругу катания (фиг.7 вариант 3) напряжения для всех колес, за исключением опытного с диском прямой вогнутости, выравниваются.

При наиболее неблагоприятных вариантах приложения нагрузок к гребню (фиг.7 вариант 1) и окологребневой зоне (фиг.7 вариант 2) лучше всего себя показали опытное колесо со смещенным диском (фиг.3) и колесо с несимметричным диском с центральным выгибом (фиг.5). В этих вариантах радиальные напряжения в приободной зоне смещенного диска обратной вогнутости не менее чем в 1,4 раза, а в несимметричном диске с центральным выгибом не менее чем в 1,8 раза меньше по сравнению со стандартным. По интенсивности напряжений опытные колеса превосходят стандартное не менее чем в 1,6 раза. Кроме того, визуальный анализ эпюр напряжений показывает, что криволинейная форма дисков опытных колес обеспечивает более равномерное в сравнении со стандартным распределение напряжений от прикладываемых нагрузок без существенной их концентрации в отдельных локальных зонах. Колесо с несимметричным диском с центральным выгибом имеет дополнительное достоинство: при приложении механической нагрузки по кругу катания происходит отжатие гребня и всего обода от рельса.

Таким образом, из всех рассмотренных вариантов колесо с несимметричным диском с центральным выгибом показало себя с лучшей стороны.

Проведенная на основе тензометрических испытаний верификация позволила установить хорошее соответствие расчетных и экспериментальных данных, что свидетельствует о целесообразности применения компьютерного моделирования в качестве надежного и оперативного метода расчета для сравнения различных конструкций железнодорожных колес и прогнозирования их ресурса.

Анализ дефектов на колесах с криволинейным диском показывает, что значительная часть общего брака при изготовлении таких колес связана с недостаточной точностью штамповки, прокатки и выгибки. Основным дефектом является большая эксцентричность. Основные причины этого - неравномерное распределение объема металла по периметру обода в отформованной заготовке и недостаточная точность центрирования колеса на выгибном прессе. К этому приводит неточное центрирование верхнего и нижнего формовочных штампов, их непараллельность, неточная центровка заготовки и колеса, косина и неровность излома шейки заготовки, неравномерный нагрев.

Проводились стендовые испытания колес новой конструкции и стендовые испытания для оценки предельных возможностей дисков колес новой конструкции.

Целью этих испытаний являлось определение предела выносливости опытных колес. При этом колеса новой конструкции для оценки предельных возможностей конструкции дисков подвергались нагрузке 84 тс, что в 5-7 раз превышает разрешенную максимальную нагрузку от колесной пары на рельсы для существующих и перспективных условий эксплуатации.

Испытаниям подвергались опытные колеса из микролегированной стали цельнокатаные диаметром 957 мм с повышенной твердостью обода для грузовых вагонов железных дорог колеи 1520 мм и колеса грузовых вагонов с повышенной твердостью поверхности катания.

Опытные колеса имели диски криволинейной формы, что отличает их от стандартных колес с плоскоконическим наклонным диском (ГОСТ 9036-88). Криволинейные диски не подвергались никакому дополнительному упрочнению. Ободья испытывавшихся колес были обточены до предельно допустимой для эксплуатации толщины 22 мм.

Усталостные стендовые испытания проводились на универсальных прессах (ЦДМ 200 Пу-1, ЦДМ 200 Пу-2, ЦДМ 300/600 Пу) по следующему режиму: частота пульсации - 5 Гц (300 цикл/мин), коэффициент асимметрии цикла - К=0,1, база испытаний - 5×10 циклов. Диапазон изменения максимальных циклических нагрузок составлял 61-84 тс.

Опытные колеса выдержали все режимы нагружения, в том числе и предельные, без образования трещин в дисках.

Результаты усталостных стендовых испытаний опытных колес свидетельствуют о высокой усталостной прочности их криволинейных дисков.

Для сравнения в табл.2 представлены результаты испытаний стандартных колес с дисками без упрочнения и с дисками, подвергнутыми дробеструйной обработке. Указанные колеса проходили испытания на тех же машинах и при тех же режимах нагружения, что и опытные колеса.

Как видно из табл.2, в отличие от опытных колес с криволинейными дисками, трещины в стандартных колесах без упрочнения дисков возникают уже при нагрузке, превышающей 50 тс, а в стандартных колесах с упрочненными дисками - при нагрузке более 70 тс.

Представленные данные свидетельствуют о том, что опытные колеса с криволинейными дисками обладают более значительным запасом усталостной прочности по сравнению со стандартными колесами с плоскоконическими дисками, как без упрочнения, так и подвергнутыми дробеструйной обработке.

Большое значение для качественного изготовления колес имеет центрирование прокатанных колес на нижнем выгибном штампе пресса 3500 тс перед выгибкой диска и калибровкой обода. При средних и больших гофрах диска используемая традиционная технология штамповки и прокатки не позволяет центрировать колесо на нижнем выгибном штампе по ободу или даже ступице и точность такого центрирования определяется лишь точностью работы задающего манипулятора пресса, мощностью 3500 тс.

При этом выгибка диска может начинаться одновременно у обода и ступицы или даже с опережением деформации диска у обода (в зависимости от окончательной формы диска). В связи с тем, что точностные характеристики задающего манипулятора пресса, мощностью 3500 тс весьма низкие (до 5-10 мм) имеет место повышенный эксцентриситет обода, что вынуждает увеличивать припуски на обработку ступицы и внутренней поверхности обода почти вдвое.

При разработке технологии деформирования заготовок при изготовлении колес с криволинейным диском в основу было положено два основных требования: длина отштампованного и прокатанного диска должна примерно соответствовать длине диска после калибровки, а центрирование колеса на калибровочном (выгибном) прессе по одному из окончательно выполненных элементов колеса - ступице или ободу.

С учетом этих требований была разработана преимущественная технология изготовления колес с криволинейным диском, в соответствии с которой операции осадки, разгонки и прокатки ведутся по традиционной технологии. В процессе формовки ступица и диск у ступицы штампуются на окончательные размеры и конфигурацию. По этой части диска и ступицы прокатанное колесо центрируется на нижнем выгибном штампе калибровочного пресса, на котором диск у обода догибается на окончательную конфигурацию. Такая схема является наиболее технологичной.

На фиг.8 изображена схема технологического процесса на стадии выгибки диска колеса 7, размещенного между верхней 8 и нижней 9 штамповочными плитами (штампами). Пунктиром показан диск до деформации (выгибки).

Центрирование колеса перед операцией выгибки диска осуществляют со стороны наружной поверхности колеса 7 по внутренней поверхности его обода в процессе вертикального перемещения нижнего выталкивателя 10 пресса, с размещенным на нем прокатанным колесом, к верхнему выгибному штампу 8.

Вертикальное перемещение нижнего выталкивателя 10 пресса с колесом осуществляют одновременно с ходом траверсы пресса с верхним выгибным штампом 8.

Предложенная конструкция цельнокатаного колеса с криволинейным диском и технология его изготовления на стадии горячей деформации заготовки позволяет повысить эксплуатационную стойкость и надежность колеса, уменьшить трудоемкость и материалоемкость при его изготовлении.