Ось колесной пары

Ось — стержень, на концах которого помещаются колёса. Оси бывают вращающиеся и неподвижные (относительно колеса). В отличие от вала, ось не предназначена для передачи крутящего момента[1].

Классификация

Оси различаются:

размерами основных элементов — в зависимости от величины воспри-нимаемой нагрузки;
формой шейки — для подшипников скольжения или качения (роликовых);
формой поперечного сечения — сплошные или полые.

Кроме этих признаков, определяющих конструкцию, оси классифицируются

по материалу
по технологии изготовления.

На рисунке показаны стандартные оси вагонов широкой колеи СССР.

Конструкция

Для удобного размещения подшипников наружные части оси, называемые шейкам и, 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. Основной деформацией в оси является деформация поперечного изгиба. Поэтому в соответствии с эпюрой изгибающих моментов наименьший диаметр имеют шейки, наибольший — подступичные части, авсредней части имеются конические переходы от подступичных частей к середине оси. Увеличение диаметра подступичной части оси обусловлено также наличием напряжений от насадки колеса и влиянием коррозии грения. Для снижения концентрации напряжений в местах изменения диаметров имеются плавные сопряжения — галтели, выполненные определенными радиусами (см. рис. V.2). Уменьшение концентрации напряжений, вызванных посадкой деталей роликового подшипника, достигается устройством разгру¬жающей канавки у начала задней галтели шейки оси (рис. V.2, г).

Переход от подступичной части к средней может выполняться и без галтели (см. III вариант на рис. V.2). В этом случае увеличивается на 11 кг масса оси и усложняется обточка подступичных частей при ремонте.

Для ограничения перемещений подшипников скольжения на концах шеек имеются бурты. Поскольку бурты препятствуют насадке роликовых подшипников, на концах шеек осей для таких подшипников имеются резьбовые части для гаек, а на торцах выполнены пазы, каждый с двумя резьбо- выми отверстиями для размещения и крепления болтами стопорных планок.

Вагонные оси: а — для роликовых подшипников; б — для подшипников скольжения; в — шейка оси с креплением подшипников приставной шайбой; г и д — профили задней галтели шейки; е — центровое отверстие осей типов РУ и РУ1; ж— то же осей типов РУ1Ш и III

Применяется и другой способ ограничения роликовых подшипников от перемещений по шейке оси — приставной шайбой, для крепления которой на торцах оси предусматривают по три резьбовых отверстия. Ось при этом (рис. V.2, в) получается короче, а ее изготовление удешевляется. Осп такой конструкции также предусмотрены стандартом и изготовляются некоторы¬ми заводами (например, Стахановским вагоностроительным). На торцах всех осей предусмотрены центровые отверстия (рис. V.2, ей ж) для установки оси или колесной пары в центрах токарного станка. Оси колесных пар вагонов, оборудованных дисковым тормозом, а также оси, на которых смонтирован привод генератора, имеют посадочные поверх¬ности для ступиц тормозных дисков или деталей редуктора.

В табл. V.3 приведены регламентированные ГОСТ 22780—77 основные размеры (см. рис. V.2) и допускаемая нагрузка для стандартных осей ва¬гонов широкой колеи, кроме вагонов электро- и дизель-поездов.

Уменьшение допускаемых нагрузок для осей пассажирских вагонов по сравнению с осями грузовых вагонов обусловлено более высокими ско¬ростями движения пассажирских поездов и необходимостью обеспечения большей безопасности движения. Ось типа РУ отличается от оси III типа меньшим диаметром шейки, поскольку при роликовых подшипниках отпадает потребность в значительном езерве на возможные в эксплуатации переточки шеек, характерные для осей с подшипниками скольжения. Уменьшение диаметра шейки оси позволяет уменьшить размеры, массу и стоимость буксового узла с роликовыми подшипниками, а также снизиты динамические нагрузки, обусловленные этой массой. Поэтому оси РУ1 и РУ1Ш, предназначенные для подшипников с наружным диаметром 250 мм, имеют еще меньшие диаметр и длину шейки по сравнению с осью РУ, используемой для подшипников с диаметром 280 мм. Оси изготовляют из углеродистой стали марки Ос В, которая согласно ГОСТ 4728—79 имеет следующий химический 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 металла оси после ее изготовления согласно ГОСТ 4008—79 должны удовлетворять нормам, указанным в таблице. Гарантийной срок эксплуатации оси установлен 8,5 лет, а срок службы — 15 лет.

Поскольку нестационарный режим нагружения при вращении колес¬ной пары вызывает в оси знакопеременные напряжения с амплитудами из¬меняющейся величины, большое значение имеют меры по повышению пре¬дела выносливости осевой стали [95]. К таким мерам, осуществленным в по¬следние годы, относятся обточка средней части осин упрочнение всей оси накаткой роликами, а также контроль ультразвуком, позволяющий выявить оси с крупнозернистой структурой метал¬ла. Целесообразность и способы осу¬ществления таких мероприятий рас¬сматриваются в курсе «Технология вагоностроения и ремонта вагонов». Там же объясняется процесс изготов¬ления осей способом поперечно-вин¬товой прокатки. Цех для этого высо¬копроизводительного процесса по¬строен на Днепровском металлурги¬ческом заводе. В результате попереч¬но-винтовой прокатки расход металла на заготовку оси сокращается на 15%. Такой оси присвоен Государствен¬ный знак качества, а специалисты, создавшие прокатный агрегат «250» и комплексную технологию массового производства осей, в 1978 г. были удостоены Государственной премии СССР. Повышение усталостной прочности материала оси может быть также достигнуто совершенствованием термической обработки. Например, индук¬ционная закалка по сравнению с обычной термообработкой, согласно япон¬ским исследованиям, повышает предел выносливости вдвое. Однако, как показали выполненные в СССР исследования, при этом резко снижается прочность прессового соединения таких осей с колесами. Как известно, напряжения поперечного изгиба распределяются нерав¬номерно по сечению детали, достигая наибольшей величины в наружных волокнах и наименьшей — во внутренней части. Поэтому для рассматривае¬мых условий целесообразно заменить сплошное сечение полым. Например, вал полого (кольцевого) сечения с наружным диаметром 125 мм и внутрен¬ним 75 мм имеет площадь сечения, а следовательно, и массу на 30% меньше, чем вал сплошного сечения диаметром 120 мм, хотя моменты сопротивления изгибу и кручению (прочность) сечений обоих валов одинаковы.

На этом основано стремление применять полые оси колесных пар вместо осей сплошного сечения. Кроме того, при изготовлении полых осей удается достичь улучшения структуры и механических свойств металла. Например, по данным Ассоциации американских железных дорог, предел выносливости полой оси, изготовленной из толстостенной трубы, составлял 132 МПа в средней части и 93 МПа в месте напрессовки колеса, а у осей сплошного сечения эти показатели соответственно равны 121 и 62—83 МПа В СССР проводятся широкие исследования прочности и надежности полых осей вагонных колесных пар, устанавливаются наиболее целесо¬образные их конструкции и методы изготовления [90]. Изучались оси, изготовленные из толстостенных труб путем высадки шеек и подступичных частей, полученные центробежной отливкой, выпол¬ненные высверливанием внутренней части. Учитывается опыт применения полых осей для отечественных локомотивов и за рубежом. Колесные пары с полыми осями применяют на железных дорогах Швейцарии и неко¬торых других стран Западной Европы. Однако создание надежных колесных пар с полыми осями является сложной задачей, о чем, в частности, свиде¬тельствует опыт США. В 1943 г. там для массового изготовления полых осей был создан специальный цех, но впоследствии из-за частого повреждения такие оси стали изымать из эксплуатации. При создании колесных пар с полыми осями особое внимание уделяется обеспечению надежного соединения колеса с осью. Это объясняется тем, что в первых опытных партиях колесных пар с полыми осями усилия, не¬обходимые для распрессовки колес, оказались ниже усилий напрессовки. У колесных пар со сплошными осями распрессовочные усилия, по которым судят о прочности соединения колеса с осью, обычно больше напрессо- вочных. Снижение распрессовочных усилий может быть объяснено остаточными деформациями полой оси. Такие деформации снижаются при насадке на ось колеса со ступицей уменьшенной толщины и увеличенной длины, но в такой конструкции интенсивнее развивается коррозия трения, снижающая предел выносливости оси. В 1964—1965 гг. Уральский вагоностроительный завод изготовил опытную партию полых осей (1000 шт.). В отличие от американских и преж¬них отечественных конструкций эти полые оси имели диаметр подступичных частей больший, чем у сплошных осей. При этом использовались стандарт¬ные колеса за счет соответствующей расточки отверстия в ступице.

Колесные пары, сформированные с такими полыми осями, подвергались лабораторным и эксплуатационным испытаниям [94]. Было установлено, что предел выносливости во всех частях полых осей не ниже, а чувствитель¬ность к концентрации напряжений меньше, чем у стандартных сплошных осей. Несущая способность, оцениваемая произведением предела выносливо¬сти на момент сопротивления сечения изгибу, в подступичной части полой оси на 15% превышает этот показатель для сравниваемой сплошной оси.

Рис. V.3. Полая ось для крепления роликовых подшипников приставной шайбой (одной звездочкой обозначены размеры, обусловленные технологией изготовления, двумя звездочками — для справок)

Возникающие при накатывании роликами сжимающие напряжения в полых осях на 15—25% больше, чем в сплошных, т. е. они эффективнее под¬даются этому виду упрочнения. Уменьшение толщины стенки ступицы коле¬са, вызванное увеличением диаметра подступичной части полой оси, сни¬жает напряжения от насадки колеса и не представляет опасности для проч¬ности ступицы. Прочность прессовых соединений колесных пар с полыми осями, оце¬ниваемая величиной усилий распрессовки, после двухлетней эксплуатации вагонов (пробег 169 тыс. км) в среднем на 9% выше, чем у колесных пар со стандартными сплошными осями. Вследствие снижения массы сплошной оси на 100 кг (на 25%) по срав¬нению со сплошной осью на каждые 100 000 четырехосных вагонов достигает¬ся уменьшение расхода металла на сумму 4,2 млн. руб., а ежегодная эконо¬мия эксплуатационных расходов железных дорог благодаря уменьшению тары и соответствующему увеличению грузоподъемности может составить 2,2 млн. руб. Кроме того, уменьшается воздействие таких вагонов на путь, обусловленное уменьшением массы необрессоренных частей. По результатам испытаний внесены коррективы в конструкцию полой оси (рис. V.3) и принято решение изготовить крупную партию колесных пар с такими осями. Это позволит отработать технологию их промышленного производства и освоить методы осмотра и ремонта. Полые оси, как и сплош¬ные, будут изготовляться методом поперечно-винтовой прокатки на Днеп¬ровском металлургическом заводе прокатного цеха.