Цельнокатаное железнодорожное колесо

012198 Изобретение относится к области производства дисковых колс железнодорожных транспортных средств с диском, выполненным как одно целое с ободом, имеющих рельсозацепляющие элементы. В последнее время происходит существенное изменение условий эксплуатации подвижного состава железнодорожного транспорта, обусловленное ростом скоростей движения и увеличением нагрузок до 30 т на ось. В процессе эксплуатации цельнокатаное железнодорожное колесо подвергается воздействию широкого спектра как внешних нагрузок со стороны пути и со стороны элементов подвижного состава, так и воздействия температурных напряжений, возникающих в колесе процессе торможения. Возникающие вследствие этого фактические напряжения во многом определяют стойкость колес к повреждениям и, в конечном счете, его срок службы. Одним из важнейших факторов, влияющих на срок службы цельнокатаного железнодорожного колеса, являются значения суммарных внутренних напряжений, которые возникают при его эксплуатации,а также характер распределения напряжений по объму колеса. Возникновение в цельнокатаном железнодорожном колесе значительных по величине суммарных напряжений обусловлено совместным воздействием на него как нормальных статических и знакопеременных динамических нагрузок, действующих в радиальном и осевом направлениях, так и температурных напряжений, вызванных трением тормозных колодок об обод колеса в процессе торможения подвижного состава. В случае, когда значения суммарных напряжений близки или длительное время превышают предел выносливости материала, из которого изготовлено колесо, в нм происходит образование усталостных трещин, что, в свою очередь, приводит к преждевременному разрушению колеса. При неблагоприятных условиях нагружения в цельнокатаном железнодорожном колесе наблюдается концентрация напряжений от действующих внешних нагрузок и температурного воздействия, при этом суммарное значение внутренних напряжений может превышать предел текучести материала, из которого изготовлено колесо. В этом случае в колесе возникают остаточные деформации, которые приводят к изменению его эксплуатационных свойств, что также ведт к сокращению срока его эксплуатации. Опыт эксплуатации цельнокатаных железнодорожных колс показывает, что большинство случаев выхода колс из строя по причине разрушения диска связано с возникновением значительных усталостных напряжений, при этом разрушение, как правило, происходит в месте сопряжения диска с ободом. Традиционным путм снижения суммарных внутренних напряжений и их оптимального распределения по объму колеса является выбор рациональной конструкции диска цельнокатаного железнодорожного колеса, а также взаимного расположения его конструктивных элементов. Из уровня техники известно цельнокатаное железнодорожное колесо, содержащее обод, ступицу и диск, образованный внутренней и внешней поверхностями [RU 2085403 С 1 (Всероссийский научноисследовательский институт железнодорожного транспорта), 27.07.1997]. В известном цельнокатаном железнодорожном колесе наружная и внутренняя поверхности, которые образуют диск колеса, выполнены прямолинейными и расположенными под углом 71-75 к оси колеса. Недостатками известного цельнокатаного железнодорожного колеса являются неравномерное распределение суммарных внутренних напряжений по объему колеса и значительное осевое перемещение обода колеса относительно ступицы, что, в свою очередь, приводит к сокращению его срока службы. Эти недостатки обусловлены высокими значениями внутренних напряжений на внутренней поверхности диска в месте его сопряжения с ободом, которые вызваны действием внешних нагрузок, и высокими значениями внутренних напряжений на внешней поверхности диска в месте его сопряжения со ступицей,которые, в свою очередь, обусловлены совместным действием значительных температурных напряжений, вызванных трением тормозных колодок об обод колеса в процессе торможения, и боковыми нагрузками на гребень колеса при прохождении подвижным составом кривых участков железнодорожной колеи. Из уровня техники известно цельнокатаное железнодорожное колесо, содержащее обод, ступицу и диск, образованный наружной и внутренней криволинейными поверхностями [SU 1139647 А 1 (ФЕБ Радзатцфабрик Илзенбург), 15.02.1985]. В известном колесе центральная линия осевого сечения диска в месте его сопряжения с ободом совпадает в осевом направлении с центральной линией осевого сечения диска в месте его сопряжения со ступицей. Такое выполнение цельнокатаного железнодорожного колеса позволяет снизить значения напряжений в месте сопряжения диска колеса с ободом по сравнению с предыдущей конструкцией. Недостатками известного колеса являются неравномерное распределение суммарных внутренних напряжений по объему колеса, а также большое значение осевого смещения обода колеса. Эти недостатки обусловлены высокими значениями внутренних напряжений на внутренней поверхности в центральной части диска, вызванных действием внешних нагрузок при нагреве в процессе торможения или при прохождении подвижным составом кривых участков рельсового пути (при повышенных боковых нагрузках на гребень), что, в свою очередь, приводит к уменьшению срока службы колеса.-1 012198 Из уровня техники известно наиболее близкое по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату цельнокатаное железнодорожное колесо, содержащее обод, ступицу и диск, образованный внутренней и наружной криволинейными поверхностями, выполненный таким образом, что центральная линия радиального сечения диска в месте его сопряжения с ободом смещена по оси колеса относительно центральной линии радиального сечения диска в месте его сопряжения со ступицей в сторону наружной криволинейной поверхности диска [RU 2259279 С 1 (Открытое акционерное общество Выксунский металлургический завод), 27.08.2005]. Обод и ступица сопряжены криволинейными переходными участками с диском, который образован наружной и внутренней криволинейными поверхностями, выполненными таким образом, что наружная криволинейная поверхность диска со стороны обода образована первой наружной радиусной кривой, со стороны ступицы второй наружной радиусной кривой с кривизной, совпадающей по направлению с кривизной первой наружной радиусной кривой, и сопряжнных между собой третьей наружной радиусной кривой с кривизной, противоположной по направлению кривизне первой наружной кривой и второй наружной кривой, а внутренняя криволинейная поверхность диска со стороны обода образована первой внутренней радиусной кривой, со стороны ступицы второй внутренней радиусной кривой с кривизной,совпадающей по направлению с кривизной первой внутренней радиусной кривой, и сопряжнных между собой третьей внутренней радиусной кривой с кривизной, противоположной по направлению кривизне первой внутренней кривой и второй внутренней кривой. В известном колесе смещение центральной линии радиального сечения диска в месте его сопряжения с ободом относительно центральной линии радиального сечения диска в месте его сопряжения со ступицей находится в интервале от 10 до 25 мм. Такое выполнение цельнокатаного железнодорожного колеса позволяет снизить значения напряжений на внутренней поверхности в центральной части диска, а также снизить значение осевого смещения обода колеса при нагреве в процессе торможения или при прохождении подвижным составом кривых участков рельсового пути по сравнению с предыдущей конструкцией. Недостатком известного колеса является неравномерное распределение суммарных внутренних напряжений по объему колеса. Этот недостаток обусловлен большим значением выгиба центральной части диска колеса, что, в свою очередь, обусловливает значительные температурные напряжения на внутренней поверхности в центральной части диска колеса, что создает предпосылки для развития усталостных трещин и приводит, в свою очередь, к уменьшению срока службы колеса. В основу настоящего изобретения поставлена задача создания такой конструкции цельнокатаного железнодорожного колеса, использование которой позволило бы снизить в колесе значения суммарных внутренних напряжений за счт оптимального их распределения по объму колеса и, тем самым, увеличить срок его службы. Поставленная задача решается тем, что в цельнокатаном железнодорожном колесе, содержащем обод, ступицу и диск, образованный внутренней и наружной криволинейными поверхностями, выполненный таким образом, что центральная линия радиального сечения диска в месте его сопряжения с ободом смещена по оси колеса относительно центральной линии радиального сечения диска в месте его сопряжения со ступицей в сторону наружной криволинейной поверхности, согласно изобретению, величина смещения центральной линии радиального сечения диска в месте его сопряжения с ободом по оси колеса относительно центральной линии радиального сечения диска в месте его сопряжения со ступицей в сторону его наружной криволинейной поверхности находится в интервале от 2 до 10 мм, а расстояние между центральной линией радиального сечения диска в месте его сопряжения со ступицей и точкой наибольшего изгиба внутренней криволинейной поверхности диска находится в интервале от 4 мм в сторону внутренней криволинейной поверхности колеса до 6 мм в сторону наружной криволинейной поверхности. Выполнение диска цельнокатаного железнодорожного колеса таким образом, что центральная линия радиального сечения диска в месте его сопряжения с ободом смещена по оси колеса относительно центральной линии радиального сечения диска в месте его сопряжения со ступицей в сторону его наружной криволинейной поверхности на расстояние от 2 до 10 мм является оптимальным, так как обеспечивает снижение значений напряжений от действия внешних нагрузок в местах сопряжения диска со ступицей и ободом, что приводит, в конечном счте, к равномерному распределению напряжений в колесе и снижению их суммарных значений. Дальнейшее увеличение указанного смещения в сторону наружной поверхности колеса свыше 10 мм приводит к значительному росту в колесе напряжений, вызванных температурными воздействиями. В свою очередь, уменьшение указанного смещения свыше 2 мм приводит к росту напряжений от действия внешних нагрузок и их концентрации цельнокатаного железнодорожного колеса в местах сопряжения диска с ободом колеса и на внутренней поверхности центральной части колеса. Выполнение расстояния между центральной линией радиального сечения диска в месте его сопряжения со ступицей и точкой наибольшего изгиба внутренней криволинейной поверхности диска находящимся в интервале от 4 мм в сторону внутренней криволинейной поверхности колеса до 6 мм в сторону наружной криволинейной поверхности обеспечивает снижение значений напряжений с внутренней сто-2 012198 роны диска колеса в месте его наибольшего изгиба, вызванных действием внешних нагрузок, что приводит, в конечном счте, к равномерному распределению в колесе напряжений и снижению их суммарных значений. Увеличение указанного расстояния свыше 6 мм в сторону наружной криволинейной поверхности колеса приводит к значительному росту напряжений от внешних нагрузок на внутренней поверхности центральной части цельнокатаного железнодорожного колеса. В свою очередь, увеличение указанного расстояния свыше 4 мм в сторону внутренней криволинейной поверхности приводит к увеличению радиальной жсткости колеса и уменьшению жесткости колеса в осевом направлении. Заявляемая совокупность признаков в целом позволяет снизить влияние суммарных внутренних напряжений в колесе, что снижает вероятность появления усталостных трещин в наиболее нагруженных зонах цельнокатаного железнодорожного колеса, что, в свою очередь, позволяет повысить эксплуатационную стойкость и надежность конструкции и, тем самым, позволяет увеличить срок службы колеса. В дальнейшем изобретение поясняется подробным описанием его выполнения со ссылками на чертж, на котором изображн поперечный разрез цельнокатаного железнодорожного колеса. Цельнокатаное железнодорожное колесо 1 содержит обод 2, ступицу 3 и диск 4, образованный внутренней криволинейной поверхностью 5 и наружной криволинейной поверхностью 6. Диск 4 выполнен таким образом, что центральная линия 7 радиального сечения диска 4 в месте его сопряжения с ободом 2 смещена по оси 9 колеса относительно центральной линии 8 радиального сечения диска 4 в месте его сопряжения со ступицей 3 в сторону наружной криволинейной поверхности 6 диска 4 колеса 1. Величина указанного смещения находится в интервале от 2 до 10 мм. Расстояние между центральной линией 8 радиального сечения диска 4 в месте его сопряжения со ступицей 3 до точки 10 наибольшего изгиба внутренней криволинейной поверхности 5 диска 4 колеса 1 находится в интервале от 4 мм в сторону внутренней криволинейной поверхности 5 колеса до 6 мм в сторону наружной криволинейной поверхности 6. Центральная линия 8 радиального сечения диска 4 в месте его сопряжения со ступицей 3 смещена относительно е середины на расстояние S, которое находится в интервале 35-55 мм. Проведнные исследования показали, что выполнение диска 4 цельнокатаного железнодорожного колеса 1 таким образом, что центральная линия 7 его радиального сечения в месте сопряжения диска 4 с ободом 2 смещена относительно центральной линии 8 радиального сечения диска 4 в месте его сопряжения со ступицей 3 по оси 9 колеса в сторону наружной криволинейной поверхности колеса 6, приводит к значительному снижению внутренних напряжений от действия вертикальной и боковой нагрузок в местах сопряжения диска 4 с ободом 2 и ступицей 3. В то же время, чрезмерное смещение центральной линии 7 радиального сечения диска 4 в месте его сопряжения с ободом 2 относительно центральной линии 8 радиального сечения диска 4 в месте его сопряжения со ступицей 3 по оси 9 колеса в сторону наружной криволинейной поверхности колеса 6 приводит к росту значений тепловых напряжений, возникающих в цельнокатаном железнодорожном колесе в процессе торможения. Поэтому, если значение указанного смещения превышает 10 мм, то увеличение в колесе температурных напряжений оказывается большим, чем снижение напряжений от действия вертикальной и боковой нагрузок, обусловленное выполнением указанного смещения. Место сопряжения наружной криволинейной поверхности 6 диска 4 со ступицей 3 колеса 1 выполнено радиусом R1, равным 0,3-0,9 радиуса R2 в месте сопряжения внутренней криволинейной поверхности 5 диска 4 со ступицей 3 с внутренней стороны [R1=(0,3-0,9)R2]. Высота b1 ступицы 3 с внутренней стороны колеса 1 выполнена равной 0,5-0,9 высоте b2 ступицы 3 с внешней стороны колеса [b1=(0,5-0,9)b2]. Диаметр круга катания цельнокатаного железнодорожного колеса равен 920-1020 мм. Работа заявляемой конструкции цельнокатаного железнодорожного колеса осуществляется следующим образом. При качении колеса 1 по рельсу (на чертеже не обозначен) нагрузка от вертикальной силы, действующей в плоскости круга катания, передатся через обод 2 на диск 4 и на ступицу 3. При этом из-за кинематических колебаний, и особенно при движении подвижного состава по кривым участкам пути, возникает нагрузка от бокового давления гребня 11 обода 2 колеса 1 на рельс, которая также передается на диск 4. Максимальные значения динамических нагрузок, которые воспринимает колесо подвижного состава с нагрузкой на ось до 30 т в процессе эксплуатации, в два раза выше значения максимальной статической нагрузки и, как правило, не превышают 300 кН для вертикальной нагрузки и 147 кН для боковой нагрузки. При этом максимальное значение суммарных внутренних напряжений в колесе от действия приложенных к нему нагрузок не должно превышать предела текучести материала, из которого изготовлено цельнокатаное железнодорожное колесо, который составляет 800 МПа. В заявляемой конструкции цельнокатаного железнодорожного колеса выделяются три напряженные зоны: место сопряжения диска 4 с обода 2, место сопряжения диска 4 со ступицей 3, а также середина диска 4, в точке 10 наибольшего значения его изгиба.-3 012198 Вертикальная нагрузка вызывает возникновение в колесе преимущественно сжимающие напряжения, которые достигают максимального значения в месте сопряжения диска 4 с ободом 2 и в точке 10 наибольшего изгиба внутренней криволинейной поверхности 5 диска 4. При этом значения напряжений в указанных точках не превышают 100 МПа, что значительно меньше допускаемого значения. В то же время боковая нагрузка, возникающая при прохождении подвижным составом криволинейных участков пути, в сочетании с сохраняющейся вертикальной нагрузкой вызывает в диске 4 колеса 1 изгибающий момент, нарастающий от обода 2 к ступице 3 колеса 1. В результате совместного воздействия вертикальной и боковой нагрузки наиболее напряжнным участком колеса 1 является место сопряжения диска 4 со ступицей 3, при этом с наружной стороны диска 4 возникают растягивающие напряжения, а с внутренней стороны диска - сжимающие напряжения. В этом случае значения максимальных напряжений не превышаю 400 МПа. Кроме этого, в процессе длительного торможения подвижного состава в колесе возникают значительные тепловые напряжения, которые вызваны интенсивным выделением тепла при контакте тормозных колодок (на чертеже не показаны) с ободом 2 колеса 1. В этом случае при отсутствии приложенных к колесу внешних нагрузок наибольшие значения напряжений возникают в точке 10 наибольшего изгиба внутренней криволинейной поверхности 5 диска 4 и с наружной стороны в месте сопряжения диска 4 со ступицей 3, которые не превышают 560 кН, что значительно ниже допускаемых значений. При приложении к колесу 1 вертикальных нагрузок в большинстве его участков наблюдается взаимная компенсация температурных напряжений и напряжений, вызванных воздействием приложенных внешних сил. Такая компенсация обусловлена тем, что внешние силы вызывают преимущественно сжимающие напряжения, которые компенсируются растягивающими тепловыми напряжениями. Максимальные напряжения в колесе 1 в случае совместного воздействия на него с одной стороны вертикальной и боковой нагрузок, а с другой - тепловых напряжений возникают с внешней стороны в месте сопряжения диска 4 со ступицей 3, которые близки к значению допускаемых значений. Повышенная концентрация напряжений в этом месте колеса обусловлена тем, что растягивающие тепловые напряжения, достигающие в этом месте своего максимального значения, складываются с растягивающими напряжениями, возникающими в этом же месте от действия приложенной к колесу боковой нагрузки. Выполнение места сопряжения наружной криволинейной поверхности 6 диска 4 со ступицей 3 радиусом R1, меньшим по значению, чем радиус R2 в месте сопряжения внутренней криволинейной поверхности 5 диска 4 со ступицей 3, позволяет снизить концентрацию напряжений от действия тепловых напряжения за счт их равномерного распределения на этом участке наружной криволинейной поверхности 6. В свою очередь, выполнение высоты b2 ступицы 3 с наружной стороны колеса, большей по сравнению с высотой b1 ступицы 3 с внутренней стороны, позволяет снизить значение напряжений от действия боковой нагрузки, что также оказывает положительное влияние на напряженное состояние колеса 1 в месте перехода диска 4 в ступицу 3. Как показывают результаты исследований, напряжнное состояние колеса 1 в местах перехода диска 4 в обод 2 и ступицу 3, а также в точке 10 наибольшего изгиба внутренней криволинейной поверхности 5 не превышает критического значения 800 МПа (предела текучести материала колеса). Таким образом, предлагаемая конструкция колеса обеспечивает как равномерное распределение напряжений по всему объему колеса, так и позволяет снизить напряжения в наиболее нагруженных зонах и, таким образом, снизить вероятность появления усталостных трещин, что, в свою очередь, увеличивает эксплуатационный ресурс колес. Кроме этого, применение заявляемой конструкции колеса позволяет повысить его демпфирующие свойства, что, в свою очередь, позволяет улучшить эксплуатационные свойства колеса и, таким образом,повысить безопасность движения железнодорожного транспорта в целом. Заявляемое цельнокатаное железнодорожное колесо может быть изготовлено в условиях промышленного производства на стандартном оборудовании. Наибольший экономический эффект от использования заявляемого изобретения достигается при его использовании в грузовых вагонах с увеличенной нагрузкой на ось до 30 т. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Цельнокатаное железнодорожное колесо (1), содержащее обод (2), ступицу (3) и диск (4), образованный внутренней (5) и наружной (6) криволинейными поверхностями, выполненный таким образом,что центральная линия (7) радиального сечения диска (4) в месте его сопряжения с ободом (2) смещена по оси (9) колеса (1) относительно центральной линии (8) радиального сечения диска (4) в месте его сопряжения со ступицей (3) в сторону наружной криволинейной поверхности (6) диска (4), отличающееся тем, что величина смещения центральной линии (7) радиального сечения диска (4) в месте его сопряжения с ободом (2) по оси (9) колеса (1) относительно центральной линии (8) радиального сечения диска (4) в месте его сопряжения со ступицей (3) в сторону наружной поверхности (6) диска (4) находится в интервале от 2 до 10 мм, а расстояние от центральной линии (8) радиального сечения диска (4) в месте его сопряжения со ступицей (3) до точки (10) наибольшего изгиба внутренней криволинейной поверхности(5) диска (4) находится в интервале от 4 мм в сторону внутренней криволинейной поверхности (5) диска(4) колеса (1) до 6 мм в сторону наружной криволинейной поверхности (6) диска (4) колеса (1).