Колёсная пара тепловоза

Колесные пары являются важным узлом ходовой части, обеспечивающим взаимодействие локомотива с рельсовым путем. Колеса передают на рельсы вертикальные статические (вес) и динамические нагрузки. Колеса локомотивов во взаимодействии с рельсами реализуют продольные горизонтальные силы (силы тяги и тормозные). Кроме того, направляя движение подвижного состава в рельсовой колее, колеса передают поперечные горизонтальные (направляющие) силы. Именно с этим связана важная особенность ходовых частей железнодорожного подвижного состава, отличающая его от других видов наземного колесного транспорта: колеса жестко связаны с осью в один вращающийся как одно целое узел, называемый колесной парой.

_ТОС_

Классификация

Колесные пары, состоящие из оси и двух колес, могут различаться по месту расположения на оси букс и подшипников, передающих на нее вертикальную нагрузку (рис. 11.2, а). Они могут быть расположены снаружи колес 1 и опираться на выступающие наружные концы а оси 2, называемые шейками, или между колесами (опорные шейки в этом случае находятся на внутренней части оси). Первая схема делает более удобным обслуживание подшипников в эксплуатации и широко применяется на различных типах подвижного состава, в том числе и на большинстве тепловозов. Вторая схема, неудобная для обслуживания букс, применяется на паровозах, у которых на внешней поверхности колес размещаются детали приводного дышлового механизма. Такое же устройство имеют колесные пары некоторых промышленных тепловозов с гидропередачей и аналогичным приводом (см, рис. 1.5, в).

Конструкция

Локомотивные колесные пары имеют устройства для тягового привода. Их оси по существу являются валами, передающими на колеса вращающий момент. На ось момент передается обычно через тяговую зубчатую передачу (рис, 11.2,6). При цилиндрических зубчатых колесах 3 колесная пара может иметь симметричный двусторонний привод. Такую конструкцию имеют колесные пары ряда электровозов. На тепло-возах из-за трудностей размещения тяговых электродвигателей соответствующей мощности применяется не-симметричный (боковой) односторонний привод. У тепловозов с гидропередачей и карданным приводом ведущих ко-лесных пар зубчатое колесо 4 укрепляется ближе к середине оси (цен-тральный привод). Колесные пары являются одними из наиболее ответственных деталей ходовых частей тепловозов. Конструкция и состояние колесных пар значительно влияют на плавность хода тепловоза и его воздействие на путь, на равномерность реализу¬емой колесной парой силы тяги и на величину сопротивления тепловоза движению. Безопасность движения любого типа подвижного состава во многом определяется именно этими же факторами: конструкцией и сос¬тоянием колесных пар.

Стандартизация

Типы, основные размеры и техни-ческие условия на изготовление колесных пар определяются государственными стандартами, а их содер-жание и ремонт — Правилами тех-нической эксплуатации железных дорог Союза ССР (ПТЭ) и специаль¬ной Инструкцией по освидетельство¬ванию, ремонту и формированию ко¬лесных пар локомотивов и электро¬секций (ЦТ-2306).

Типоразмеры

На большинстве отечественных тепловозов с нагрузкой от оси на рельсы до 225 кН применяются колесные пары с колесами диамет¬ром J050 мм. На новых пассажир¬ских тепловозах ТЭП70 колеса имеют диаметр 1220 мм. На опытных гру¬зовых тепловозах с нагрузкой от оси на рельсы до 245 кН диаметр ко¬лес принят 1250 мм. Больший диа¬метр колес способствует снижению величины контактных напряжений в колесе и рельсе, уменьшает из¬нос колес и увеличивает габариты пространства, которое может зани¬мать тяговый электродвигатель. В то же время применение колес большего диаметра имеет и отрицательные последствия, главное из них — уве-личение веса. Масса колесной пары с диаметром колес 1250 мм примерно на 500 кг больше, чем обычной (с диаметром колес 1050 мм). Колесные пары магистральных тепловозов с электрической переда-чей (2ТЭ10В, 2ТЭ116 и др.) имеют составные (бандажные) колеса. В такой конструкции (рис. 1 !.3) на ось / напрессованы колесные центры 2, а на последние в горячем сос¬тоянии насажены кольцевые банда¬жи 3. Между колесами размешается ведомое зубчатое колесо 5. Такая конструкция специфична для всех тепловозов с так называемым опор¬но-осевым подвешиванием тяговых электродвигателей.

Оси локомотивов

Оси тепловозов вытачивают из специальных кованых осевых загото¬вок углеродистой стали Ос.Л. Ось имеет круглое поперечное сечение с различными диаметрами по длине (см. рис. 11.3) в зависимости от назначения ее частей. Наружные кон¬цевые шейки а служат для разме¬щения на них буксовых подшипни¬ков. Наибольший диаметр имеют под¬ступичные части в, на которые нап¬рессованы колесные центры, и г, где сидит зубчатое колесо 5. Внутренние шейки <3 служат опорой для мо¬торно-осевых подшипников тягового электродвигателя. Между наружны¬ми шейками и подступичными частя¬ми находятся промежуточные предподступичные части б, обеспе-чивающие постепенный переход от диаметра шейки (160 мм) к диамет¬ру подступичной части (235 мм). На ось в эксплуатации действуют знакопеременные нагрузки, и ее ма-териал работает на усталость. Поэто-му плавность переходов (галтелей) от одного диаметра к другому имеет большое значение, чтобы избежать концентрации напряжений и возмож-ности появления так называемых усталостных трещин. Цилиндричес¬кие поверхности оси (кроме средней части е) и их галтели упрочняются накаткой стальными закаленными роликами при нажатии на ролик 30—40 кН. Поверхности шеек оси после накат¬ки шлифуют под посадку буксовых подшипников. По торцам оси в про-цессе обработки засверливаются центровые отверстия, в одно из кото-рых затем вставляется втулка при¬вода валика скоростемера. Оси различных тепловозов отличаются разными длинами шеек и предподсту- личных частей и исполнением тор¬цовых частей шеек. Колесные центры отливают из мар-теновской стали 25 Л 111 центро-бежным способом. Наружная часть колесного центра — обод — и внут-ренняя — ступица — подвергаются механической обработке для сопря-жения в последующем соответствен¬но с бандажом и осью. Конструк¬ции колес и колесных центров раз¬личаются по исполнению части, соединяющей обод и ступицу в одно целое. Обычно это диск — плоский или с небольшой конусностью (см. рис. 11.3). Такие колеса называют дисковыми. При большом диаметре дисковое колесо оказывается чрез¬мерно тяжелым. На тепловозе 2ТЭ121 применены спицевые колеса, в которых обод и ступица колес¬ного центра соединены спицами. Бандажи прокатываются из спе-циальной бандажной стали. Новым бандажам в процессе изготовления после механической обработки при-дается определенная форма наруж¬ной поверхности — поверхности ка¬тания, имеющей важное значение для рационального взаимодействия коле¬са и рельсового пути. Стандартный профиль (сечение) бандажа (рис. 11.4) состоит из гребня а и двух конических поверхностей: основ¬ной—с конусностью 1:10 (уклон 1:20) и боковой — с конусностью 1:3,5 (уклон— 1:7), а также торцо¬вой фаски под углом 45°. Внутренняя поверхность бандажа цилиндрическая с буртиком б для упора обода колесного центра и па¬зом в для пружинного кольца 4 (см. рис. 11.3), фиксирующего бандаж на ободе.

Стандартная ширина тепловозных бандажей 140 мм, толщина ново¬го бандажа 75 мм, планируется применение бандажей толщиной 85 мм. Гребень (реборда) направляет движение колеса по рельсовой колее и предохраняет колесную пару от схода с рельсов. Конусность поверхности катания способствует центрированию колес¬ной пары в рельсовой колее и облег¬чает прохождение кривых участков пути. Колесо, бегущее по наружному рельсу, катится по нему окружностью большего диаметра, чем внутреннее колесо, и, следовательно, проходит несколько больший путь по дуге большего радиуса. В результате ко-лесная пара устанавливается при движении в кривой по ее радиусу, что способствует движению без про-скальзывания и повышенного изно¬са. Конусность внешней части банда¬жа (конусность 1:3,5) и фаска облег¬чают прохождение стрелочных переводов.

Бандаж

Бандаж является наиболее изнашиваемой частью колесной пары. Основным видом его износа являет¬ся прокат поверхности катания, т. е. потеря правильной формы ее профи-ля, а также износ (подрез) гребня. В связи с коничностью поверх¬ности катания колеса его диаметр и толщину бандажа, а также и ве¬личину проката измеряют в условной средней плоскости — по так назы¬ваемому кругу катания — на рас¬стоянии 70 мм от внутренней грани бандажа. Расстояние между кругами катания двух колес составляет 1580 мм (с допусками +1, —3 мм).

Рис. 11.4. Профиль бандажей колесных лар тепловозов По мере износа и достижения предельных значений проката и тол-щины гребня колесные пары подвергаются обточке бандажей, при кото¬рой восстанавливается их первона¬чальный профиль. При этом, естест¬венно, уменьшается толщина банда¬жей и диаметр круга катания ко¬лес. Предельные нормы износа и толщины бандажей установлены ПТЭ. Достигшие предельной толщины бандажи заменяются новыми, что продляет срок службы всей колесной пары.

На маневровых тепловозах ТГМЗА, поездных ТГ16 и дизель-поездах ДР1 колесные пары имеют безбан¬дажные цельнокатаные колеса, поверхность катания которых составляет одно целое с колесным центром. Такая конструкция позволяет умень¬шить массу колесной пары и снизить трудоемкость ее изготовления. Однако по достижении предельной толщины обода такая колесная пара должна сниматься с эксплуатации.

Зубчатое колесо 5 колесной пары (см. рис. 11.3) является ведомым, оно входит в зацепление с ведущей шестерней, находящейся на валу тягового электродвигателя. Ведомое зубчатое колесо колесных пар всех серий отечественных тепловозов из-готовлено из хромоникелевой стали 45ХН. Оно состоит из ступицы, диска и обода, выполненного в виде зубчатого венца, имеющего 75 пря¬мых зубьев модуля 10 мм. Отверстие в ступице шестерни имеет со сто¬роны колесного центра на длине 20 мм расточку с конусностью 1:20, облегчающую посадку зубчато¬го колеса на ось и способствую¬щую уменьшению концентрации напряжений. На посадочной поверх¬ности в середине имеется кольце¬вая канавка шириной 10 мм, предназ¬наченная для облегчения демонтажа зубчатого колеса. Канавка сообща¬ется с резьбовым отверстием в теле ступицы, через которое под ступицу нагнетается масло под давлением при спрессовке зубчатого колеса. Аналогичные устройства, облегчаю¬щие монтаж и демонтаж, имеют и колесные центры. Со стороны средней части оси ступица имеет выточку, в которую запрессовано штампованное масло-отбойное кольцо, предотвращаю¬щее попадание смазки из кожуха зубчатой передачи в моторно-осевые подшипники тягового электродвига-теля. Рабочая поверхность зубьев коле¬са закаливается токами высокой частоты, впадины зубьев упрочняют¬ся накаткой. На тепловозах 2ТЭ10В (а также на 2ТЭ116) применяются колесные пары с упругими зубчатыми колесами. Такое колесо (рис. 11.5) имеет слож¬ную конструкцию и состоит из многих деталей. Основные из них: зубчатый венец 9, ступица 14, тарелки 3 и упругие резинометаллические ком-плекты. Тарелки 3 присоединены к диску ступицы 14 при помощи восьми втулок 12 на тугой посадке и стянуты болтами 1 с гайками 13 и шайбами.

Зубчатый венец 9 соединен с та-релками 3 шестнадцатью резино-металлическими комплектами / и //, равномерно и поочередно располо-женными по окружности. Упругий комплект представляет со-бой стальной палец с насаженными на него резиновыми втулками-амор-тизаторами, на которые в свою оче-редь напрессованы стальные втулки. Таким образом каждый резиновый амортизатор находится между дву¬мя металлическими деталями: паль¬цем и втулкой. В конструкции зубчатого колеса применены упругие комплекты двух типов: с тремя (/) и двумя (//) резиновыми амортизаторами. Трой¬ной комплект / состоит из пальца 5, двух крайних амортизаторов 7 с втулками 4, вставленными в отверстия тарелок 3, и среднего амортизатора 10, втулка которого вставлена в отверстие зубчатого вен¬ца 9. Посадка всех втулок скользящая, втулки фиксируются в отверстиях тарелок и венца пружинными стопор-ными кольцами 8, препятствующими продольному смещению резнноме- таллического комплекта. Двойной комплект II не имеет среднего амортизатора, средняя часть его пальца 15 имеет больший диаметр и установлена в отверстие венца 9 с радиальным зазором 5 мм. Наружная поверхность средней час¬ти пальца 15 не цилиндрическая, а бочкообразная (7?i=270 мм). Тангенциальная нагрузка от зуб-чатого венца воспринимается внача¬ле восемью тройными комплек¬тами I. Они имеют меньшую жест¬кость. После их деформации при смещении зубчатого венца примерно на 1° выбирается зазор между паль¬цами 15 и отверстиями венца и наг¬рузка от венца воспринимается восемью двойными комплектами 11, амортизаторы которых имеют более высокую жесткость. Таким образом, благодаря различ-ной упругости амортизаторов ком-плектов I и // зубчатое колесо имеет переменную тангенциальную жесткость. Для предотвращения выпадания пальцев и втулок в случае повреж-дения амортизаторов служат кольца 6 и //, приклепанные к тарелкам 3. Центровка венца относительно сту-пицы и радиальная жесткость коле¬са обеспечиваются установкой меж¬ду ними (сплошь по окружности) коротких роликов 2. Благодаря бочкообразности наружной поверхности диска ступицы (/?2 = 300 мм) и при наличии боковых зазоров между дис-ком венца и тарелками <3 зубчатый венец может самоустанавливаться, обеспечивая равномерный контакт зубьев шестерен тягового редуктора при перекосах вала тягового элек-тродвигателя относительно оси ко-лесной пары. Применение упругих зубчатых ко¬лес повысило надежность работы и срок службы тягового редуктора и улучшило условия работы тяго¬вых электродвигателей за счет зна-чительного снижения величины дина-мических усилий в передаче при движении тепловоза. Колесные пары тепловозов с гид-равлической передачей отличаются от вышерассмотренных только устройствами для передачи вращаю-щего момента. На тепловозах ТГМЗ, имеющих карданно-редукторный привод, ведомое зубчатое колесо насаживается не рядом с колесным центром, а ближе к средней части оси, что позволяет по обе стороны от него на оси разместить опорные подшипники осевого редуктора. На тепловозах ТГА11 с дышловым приводом ведущих осей и с разме-щением их в жесткой раме конструк¬ция колесных пар иная. Оси имеют не внешние, а внутренние буксовые шейки. В колесные центры установ¬лены пальцы кривошипов, на кото¬рые навешиваются дышла, передаю¬щие осям вращающий момент от вала дизеля. Формирование колесных пар. Это процесс сборки колесных пар из 10* новых элементов при их изготовле¬нии. Формирование колесной пары тепловоза начинается с посадки на ось зубчатого колеса (или его сту¬пицы) . Прочность посадки обеспечивается натягом, т. е. превышением диамет¬ра подступичной части оси над диаметром отверстия в ступице на 0,12—0,16 мм. Посадка осуществля¬ется тепловым способом в горячем состоянии (шестерня нагревается до температуры не выше 200 °C). Пред¬варительно подступичная часть оси покрывается тонким слоем (не более 0,02 мм) лака (клея) ГЭН-150(В). Это покрытие исключает непосред¬ственный контакт металла оси и сту¬пицы и предохраняет обе поверхности от коррозии. При изготовлении ко¬лесных пар тепловозов ТЭЗ приме¬нялась и холодная (прессовая) по¬садка шестерен на ось с усилием 500—800 кН. Прочность посадки проверяется на прессе. После остывания шестерни она при продольном усилии до 700 кН не должна сдвигаться. Ось с шестерней запрессовывают в колесные центры на прессе в хо-лодном состоянии. Очищенные поса-дочные поверхности оси и центра предварительно смазывают расти-тельным маслом. Натяг лежит в пре-делах 0,18—0,30 мм. Усилие в конце запрессовки колесного центра со-ставляет 950—1400 кН (при запрес-совке колесного центра с банда¬жом — 1100— 1500 кН). Для контроля за прочностью по-садки на ось колесных центров пресс, на котором формируется ко¬лесная пара, оборудован маномет¬ром, автоматически записывающим давление запрессовки в виде так называемой диаграммы запрессовки, которая приобщается к паспорту колесной пары. При нормальной по-садке кривая запрессовки выглядит плавной, монотонно нарастающей кривой. При формировании колес¬ных пар пассажирских тепловозов для посадки колесных центров при¬меняют тепловой способ. У колесных пар должно быть строго соблюдено расстояние между внутренними гранями бандажей — 1440 мм (с отклонениями не более + 1, —3 мм); при этом необходимо, чтобы колесные центры находились на одинаковом расстоянии от сере¬дины оси (разность этих расстояний не должна быть больше 2 мм). Бандаж насаживается на обод ко-лесного центра в нагретом состоя¬нии (до температуры 250—300 °C). Натяг составляет 1,1 —1,45 мм. При нагревании внутренний диаметр бан-дажа увеличивается и превышает диаметр обода на 1,2—1,5 мм, это позволяет свободно опустить колес-ный центр в бандаж, до упора в буртик б (см. рис. 11.4) на его внут¬ренней поверхности. При медленном остывании бандаж плотно сжимает центр. Пока температура бандажа не упала ниже 200 °C, в паз в (см. рис. 11.4) бандажа заводят кольцо (см. рис. 11.3) и обкатывают при¬жимной бурт бандажа для плотного охвата кольца. Таким образом, упорный буртик препятствует смещению бандажа в одну сторону, а пружинное кольцо 4 — в другую. Для последующего контроля не-подвижности бандажа относительно колесного центра на боковой по-верхности бандажа накернивают по дуге несколько лунок, а на ободе колесного центра тупым зубилом делают риску глубиной 1 мм против средней лунки. Чтобы контрольные отметки легко было найти в условиях эксплуатации, на месте их располо-жения наносят полосу шириной 25 мм: на бандаже красной краской, а на ободе белой. На деталях колесных пар: осях, бандажах, колесных центрах и зуб-чатых колесах в процессе их изго-товления и формирования выбивают¬ся клейма, предусмотренные инструк¬цией ЦТ-2306. На вновь сформированных колес¬ных парах центры окрашивают чер¬ной масляной краской, а наружные грани бандажей — белой