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).
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.
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. 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.
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. 6). При цилиндрических зубчатых колесах 3 колесная пара может иметь симметричный двусторонний привод. Такую конструкцию имеют колесные пары ряда электровозов. На тепловозах из-за трудностей размещения тяговых электродвигателей соответствующей мощности применяется несимметричный (боковой) односторонний привод. У тепловозов с гидропередачей и карданным приводом ведущих колесных пар зубчатое колесо 4 укрепляется ближе к середине оси (центральный 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 реализуемой 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 состоянием колесных пар.
Стандартизация
Типы, основные размеры и технические условия на изготовление колесных пар определяются государственными стандартами, а их содержание и ремонт — Правилами технической эксплуатации железных дорог (ПТЭ) и специальной Инструкцией по освидетельствованию, ремонту и формированию колесных пар локомотивов и электросекций (ЦТ-2306).
Типоразмеры
На большинстве отечественных тепловозов с нагрузкой от оси на рельсы до 225 кН применяются колесные пары с колесами диаметром J050 мм. На пассажирских тепловозах ТЭП70 колеса имеют диаметр 1220 мм. На опытных грузовых тепловозах с нагрузкой от оси на рельсы до 245 кН диаметр колес принят 1250 мм. Больший диаметр колес способствует снижению величины контактных напряжений в колесе и рельсе, уменьшает износ колес и увеличивает габариты пространства, которое может занимать тяговый электродвигатель. В то же время применение колес большего диаметра имеет и отрицательные последствия, главное из них — увеличение 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 передачей (2ТЭ10В, 2ТЭ116 и др.) имеют составные (бандажные) колеса. В такой конструкции на ось напрессованы колесные центры 2, а на последние в горячем состоянии насажены кольцевые бандажи 3. Между колесами размешается ведомое зубчатое колесо 5. Такая конструкция специфична для всех тепловозов с так называемым опорно-осевым подвешиванием тяговых электродвигателей.
Оси локомотивов
Оси тепловозов вытачивают из специальных кованых осевых заготовок углеродистой стали Ос.Л. Ось имеет круглое поперечное сечение с различными диаметрами по длине в зависимости от назначения ее частей. Наружные концевые шейки а служат для размещения на них буксовых подшипников. Наибольший диаметр имеют подступичные части в, на которые напрессованы колесные центры, и г, где сидит зубчатое колесо 5. Внутренние шейки д служат опорой для моторно-осевых подшипников тягового электродвигателя. Между наружными шейками и подступичными частями находятся промежуточные предподступичные части б, обеспечивающие постепенный переход от диаметра шейки (160 мм) к диаметру подступичной части (235 мм).
На ось в эксплуатации действуют знакопеременные нагрузки, и ее материал работает на усталость. Поэтому плавность переходов (галтелей) от одного диаметра к другому имеет большое значение, чтобы избежать концентрации напряжений и возможности появления так называемых усталостных трещин. Цилиндрические 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 накатки шлифуют под посадку буксовых подшипников. По торцам оси в процессе обработки сверлятся центровые отверстия, в одно из которых затем вставляется втулка привода валика скоростемера. Оси различных тепловозов отличаются разными длинами шеек и предподступичных частей и исполнением торцовых частей шеек.
Колесные центры отливают из мартеновской стали 25 Л 111 центробежным способом. Наружная часть колесного центра — обод — и внутренняя — ступица — подвергаются механической обработке для сопряжения в последующем соответственно с бандажом и осью. Конструкции колес и колесных центров различаются по исполнению части, соединяющей обод и ступицу в одно целое. Обычно это диск — плоский или с небольшой конусностью (см. рис.). Такие колеса называют дисковыми. При большом диаметре дисковое колесо оказывается чрезмерно тяжелым. На тепловозе 2ТЭ121 применены спицевые колеса, в которых обод и ступица колесного центра соединены спицами.
Бандаж
Бандажи прокатываются из специальной бандажной стали. Новым бандажам в процессе изготовления после механической обработки придается определенная форма наружной поверхности — поверхности катания, имеющей важное значение для рационального взаимодействия колеса и рельсового пути. Стандартный профиль (сечение) бандажа (см. рис.) состоит из гребня а и двух конических поверхностей: основной — с конусностью 1:10 (уклон 1:20) и боковой — с конусностью 1:3,5 (уклон — 1:7), а также торцовой фаски под углом 45°. Внутренняя поверхность бандажа цилиндрическая с буртиком б для упора обода колесного центра и пазом в для пружинного кольца 4 (см. рис. выше), фиксирующего бандаж на ободе.
Стандартная ширина тепловозных бандажей 140 мм, толщина нового 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 колесной пары в рельсовой колее и облегчает 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 колесная пара устанавливается при движении в кривой по ее радиусу, что способствует движению без проскальзывания и повышенного износа. Конусность внешней части бандажа (конусность 1:3,5) и фаска облегчают прохождение стрелочных переводов.
Бандаж является наиболее изнашиваемой частью колесной пары. Основным видом его износа является прокат поверхности катания, т. е. потеря правильной формы ее профиля, а также износ (подрез) гребня.
В связи с коничностью поверхности катания колеса его диаметр и толщину бандажа, а также и величину проката измеряют в условной средней плоскости — по так называемому кругу катания — на расстоянии 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 толщины гребня колесные пары подвергаются обточке бандажей, при которой восстанавливается их первоначальный профиль. При этом, естественно, уменьшается толщина бандажей и диаметр круга катания колес. 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 безбандажные цельнокатаные колеса, поверхность катания которых составляет одно целое с колесным центром. Такая конструкция позволяет уменьшить массу колесной пары и снизить трудоемкость ее изготовления. Однако по достижении предельной толщины обода такая колесная пара должна