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.
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).
Локомотивные колесные пары имеют устройства для тягового при¬вода. 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 соответ-ствующей мощности применяется не-симметричный (боковой) односто-ронний привод. У тепловозов с гидропередачей и карданным приводом ведущих ко-лесных пар зубчатое колесо 4 укреп-ляется ближе к середине оси (цен-тральный привод). Колесные пары являются одними из наиболее ответственных деталей ходовых частей тепловозов. Конст-рукция 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. Типы, основные размеры и техни-ческие условия на изготовление колесных пар определяются государ-ственными 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). 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 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 является наиболее изна-шиваемой 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). По мере износа и достижения предельных значений проката и тол-щины гребня колесные пары подвер-гаются 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 толщи- 10 Зак. 443
Рис. 11.4. Профиль бандажей колесных лар тепловозов
ны бандажи заменяются новыми, что продляет срок службы всей колесной пары. На маневровых тепловозах ТГМЗА, поездных ТГ16 и дизель-поездах ДР I колесные пары имеют безбан¬дажные цельнокатаные колеса, поверхность катания которых состав¬ляет одно целое с колесным центром. Такая конструкция позволяет умень¬шить массу колесной пары и снизить трудоемкость ее изготовления. Одна¬ко по достижении предельной тол¬щины 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, дис¬ка 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 боч- кообразности 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