Колесные пары железнодорожного подвижного состава

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Транспортная система страны является неотъемлемой частью производственной и социальной инфраструктуры государства, обеспечивая ее территориальную целостность и национальную безопасность. Железнодорожный транспорт в этой системе играет ключевую роль в социально-экономическом развитии Российской Федерации, выполняя около 85 % грузооборота и более 37 % пассажирооборота транспорта общего пользования. Возрастающий спрос на услуги транспорта требуют важнейших структурных преобразований, совершенствования правовых, экономических и административных механизмов, регулирующих транспортную деятельность. Современное состояние транспортной системы располагает потенциалом, способным поддерживать развитие экономики и рост благосостояния населения России в перспективе.

Однако вследствие ряда серьезных проблем, связанных с износом технических средств и уровнем аварийности, воздействием на окружающую среду и здоровье человека, происходит оттеснение российских перевозчиков с ряда секторов международного рынка транспортных услуг и снижение качества обслуживания российских предприятий и населения. Для решения указанных выше проблем в обеспечении развития транспорта, повышения безопасности и эффективности транспортного обслуживания, расширения транспортных услуг намечены приоритетные меры, направленные на развитие транспортного комплекса.

В первую очередь, создание эффективной системы государственного управления транспортом, регулирования и контроля рынка транспортных услуг, обеспечивающей справедливую конкуренцию на транспортном рынке и экономические условия для расширенного воспроизводства в транспортном комплексе. Для этого необходимо формирование единого правового поля деятельности предприятий транспорта с учетом международных норм работы транспорта. При намеченном росте объемов перевозок на приоритетные направления выходит проблема грузового подвижного состава. В последние годы состояние транспортных средств подходит к критическому уровню. Зачастую вагоны не отвечают запросам клиентуры по потребительским качествам, грузоподъемности, скорости доставки, трудоемкости погрузочно-разгрузочных работ.

Заводами отечественного вагоностроения создается новое поколение грузовых вагонов, отличающихся повышенной надежностью и экономичностью. Они обладают уменьшенным воздействием на путь, существенно сокращая эксплуатационные расходы на текущее содержание и ремонт. В конструкциях и параметрах новых вагонов предусматривается расширение специализации, применение в тележках конструктивных решений, обеспечивающих их нормальную работу без восстановительного ремонта от постройки до первого капитального ремонта и между капитальными ремонтами. Новая конструкция тележек выполнена с жесткой рамой и надбуксовым подвешиванием с осевой нагрузкой 245 кН (25 тс). В основные элементы кузова нового поколения вагонов вводятся прогрессивные конструктивные решения, обеспечивающие сохранность перевозимых грузов и прочность его частей. Колеса применяются с повышенной твердостью обода, обеспечивающей уменьшенный износ гребней, внедряются буксы кассетного типа. Элементы конструкции кузова изготавливаются из новых антикоррозионных материалов.

Освоение выпуска пассажирских купейных вагонов повышенной комфортности ведется с применением новой системы кондиционирования воздуха, использующей экологически чистый хладагент. Новая система отопления этих вагонов использует экологический способ регенерации воды. При изготовлении кузова применены новые огнестойкие материалы, экологически чистые туалеты, новые системы противопожарного контроля и тушения огня, новые системы сервисного обслуживания и др. Предусматриваются специальные купе для инвалидов. Новые пассажирские вагоны рассчитываются на скорость движения 200-250 км/ч, с централизованным энергоснабжением, центральной системой диагностики и телеуправления.

Вагонный парк является одним из важнейших технических средств. От технического уровня вагонного парка, его состояния, численности и состава, потребностях в перевозках зависит качество перевозочного процесса, своевременность доставки пассажиров и грузов, производительность транспорта и его экономические показатели.

Важнейшей характеристикой вагонного парка является процентный состав по типам вагонов - структура парка, которая зависит от состава перевозимых грузов или запросов пассажиров. Критерием оптимальности структуры вагонного парка является полное и качественное освоение заданного объема перевозок при минимальных затратах. Структура вагонного парка непрерывно изменяется в зависимости от поставок новых вагонов и исключения вагонов старых типов, а следовательно, совершенствуется производственная база, организация и технология вагонного хозяйства.

Вагонное хозяйство обеспечивает работоспособность вагонного парка, поддерживая в исправном техническом и коммерческом состоянии вагоны, а также безопасное и бесперебойное движение поездов, проводя планово-предупредительные ремонты и техническое обслуживание вагонов. Вагонное хозяйство, кроме того, обеспечивает пассажирам комфортабельные условия проезда.

Для выполнения вышеуказанных задач вагонное хозяйство располагает необходимой производственной базой, включающей вагонные депо, вагоноколесные мастерские, промывочно-пропарочные предприятия, конторы обслуживания пассажиров, прачечные, а также пункты технического обслуживания вагонов, пункты подготовки вагонов к перевозкам, ремонтно-экипировочные депо, контрольные пункты автотормозов и другие сооружения и устройства, входящие в состав вагонного депо или участка, в территориальных границах которых они расположены.

Для обеспечения безопасности движения поездов в вагонном хозяйстве используются автоматизированные диагностические комплексы, позволяющие существенно снизить влияние "человеческого фактора" при выявлении дефектов вагонов и обеспечить контроль технического состояния подвижного состава в соответствии с действующими нормативно-технологическими документами, что значительно повышает безопасность движения поездов. Модернизация существующего вагонного парка и пополнение его вагонами нового поколения, а также внедрение приборов комплексного контроля технического состояния подвижного состава в эксплуатации позволит устанавливать протяженность гарантийных участков до 1600 км. С этой целью для обеспечения безопасности движения на удлиненных гарантийных участках железнодорожного пути предусмотрена установка этих комплексов со средним расстоянием между ними 25 км. На дорогах создаются сетевые пункты технического обслуживания (ПТО) на крупных сортировочных станциях, в начале и конце гарантийных участков.

1) Основные элементы конструкции и технические данные

сборочной единицы

Колесные пары, воспринимают статическую и динамическую нагрузку, обеспечивают непосредственный контакт вагона и пути и направляют подвижной состав в рельсовой колее, через них передается на рельсы нагрузка от вагона, а колесные пары жестко воспринимают все толчки и удары от неровностей пути. При следовании подвижного состава по кривым участкам пути появляются дополнительные нагрузки на колесные пары от воздействия центробежных сил, а при торможении - от тормозных сил. Бывают также случаи, когда колеса скользят по рельсам без вращения (идут юзом). Кроме того, оси колесных пар пассажирских вагонов взаимодействуют с элементами приводов электрогенераторов.

Изменение режима движения поезда, прохождение вагонов по кривым участкам и стрелочным переводам вызывают изменение направления действующих на колесную пару сил и перераспределение нагрузок на ее элементы. Поэтому при изготовлении и эксплуатации к колесным парам предъявляются высокие требования.

Типы колесных пар, их основные размеры и технические условия на изготовление определены государственными стандартами. Специальной инструкцией установлены порядок и сроки осмотра, освидетельствования и ремонта колесных пар, а также нанесения на них знаков и клейм. Наиболее важные для обеспечения безопасности движения нормы и требования изложены в Правилах технической эксплуатации железных дорог (ПТЭ).

Колесная пара (рис. 1) состоит из оси 1 и напрессованных на нее колес



Рис.1. Колесная пара

Тип колесной пары определяется типом оси и диаметром колес.

Колеса насаживаются на ось на равных расстояниях от ее середины так, чтобы расстояние между их внутренними гранями было в установленных пределах (см. таблицу 1.1). Правильное положение колес и прочное соединение их с осью - важные условия обеспечения безопасности движения подвижного состава по рельсовому пути. Проверка колесных пар на соответствие этим условиям осуществляется в процессе эксплуатации вагонов постоянно.

У внутренней грани колеса имеется гребень высотой 28 мм. Такая высота достаточна для предотвращения схода подвижного состава с рельсов и вместе с тем исключает возможность повреждения деталей рельсовых скреплений и стрелочных переводов. Толщина гребня, измеряемая на расстоянии 18 мм от вершины, у новых и обточенных колес составляет 33 мм. Вследствие трения гребня о головку рельса в эксплуатации эта величина уменьшается, поэтому установлены предельные нормы износа.

Таблица 1.1 Типы колесных пар и их основные размеры.

Тип колесной пары	Тип оси	Назначение оси	Диаметр колес, мм	Используются для вагонов
1	2	3	4	5
РУ1-950	РУ1	Для роликовых на горячей посадке с торцевым креплением гайкой	950	Грузовых и пассажирских
РУ1Ш-950	РУ1Ш	Для роликовых на горячей посадке с торцевым креплением шайбой	950	Грузовых
РУ-950	РУ	Для роликовых на втулочной посадке с торцевым креплением гайкой	950	Грузовых и пассажирских
Параметр	Основные размеры, мм:	Допуски
1	2	3
Расстояние между внутренними гранями колес (L) у колесных пар вагонов, эксплуатируемых в поездах со скоростями движения: -до 120 км/ч -свыше 120 до 160 км/ч	1440 1440	+1/-2 +2/-1
Диаметры колес (D) по кругу катания колесных пар: -всех типов	950	+14
Разность расстояний между внутренними гранями колес в одной колесной паре, не более:	1,5
Разность диаметров колес по кругу катания в одной колесной паре, не более:	1.0
1	2	3
Расстояние от торца шейки оси / до внутренней грани колеса колесной пары типа: РУ1-950 РУ1Ш-950 РУ-950	374 388 420
Разность расстояний от торцов шеек оси до внутренних граней ободов колес с одной и другой стороны колесной пары, не боле:	3,0
Отклонение от соосности кругов катания колес относительно оси базовой поверхности, не более:	1,0
Ширина обода:	130	+3

2) Периодичность, сроки ремонта и технического обслуживания

За время работы колесные пары подвергают осмотру под вагоном, обыкновенному и полному освидетельствованию, а также освидетельствованию с выпрессовкой оси. Колесные пары осматривают под вагоном при всех видах технического обслуживания и текущего ремонта без выкатки из-под вагона, приемке и сдаче, на пунктах оборота, а также после крушения, аварии, при столкновении или сходе с рельсов.

При осмотре проверяют нет ли ползунов, плен, вмятин, раковин, выщербин, подреза и остроконечного наката гребня. Не реже 1 раза в месяц в каждом депо у всех колесных пар вагонного парка специальными шаблонами измеряют прокат, толщину гребня. Обыкновенное освидетельствование колесных пар вагонов производят на текущем ремонте ТР-3 и перед каждой подкаткой колесной пары под вагон. При этом наружным осмотром проверяют состояние колесных центров, наличие соответствующих знаков и клейм на торцах оси, шаблонами измеряют прокат, толщину гребня, шейки оси обследуют магнитным дефектоскопом.

Полное освидетельствование колесные пары вагона проходят при капитальных ремонтах, ремонте с распрессовкой элементов, при неясности или отсутствии клейм и знаков последнего освидетельствования, повреждении колесных пар после аварии или крушения.При полном освидетельствовании колесную пару очищают от грязи и краски до металла, подступичные части оси проверяют ультразвуковым дефектоскопом, заменяют изношенные или дефектные элементы. После освидетельствования на ось колесной пары наносят клейма и знаки полного освидетельствования. Результаты обыкновенного и полного освидетельствования записывают в специальный журнал и технический паспорт колесной пары, в который заносятся также все данные, связанные с изготовлением и эксплуатацией колесной пары. Освидетельствование колесной пары с выпрессовкой оси производится во всех случаях непрозвучивания оси ультразвуковым дефектоскопом при полном освидетельствовании, при спрессовке двух колесных центров, при отсутствии или неясности клейм формирования и если колесная пара не проходила такого вида освидетельствования. При этом производят все работы, предусмотренные для полного освидетельствования, а также выпрессовывают ось, проверяют магнитным дефектоскопом ее подступичные части для выявления поверхностных трещин, после чего на ось наносят клейма и знаки освидетельствования с выпрессовкой оси.

Срок службы колесных пар зависит от большого количества факторов: от условий эксплуатации, от конструктивного оформления колесных пар, качества стали и технологии изготовления.

Фактический срок службы колес можно определит по следующей формуле:

где H_н -- толщина обода нового цельнокатаного колеса, H_н = 75 мм;

H_к -- толщина обода колеса, изношенного о предельных размеров, мм;

п -- количество обточек за весь период службы колеса;

h -- средняя толщина снимаемого слоя металла за одну обточку, мм;

А -- полезная работа вагона в течение года, сут.;

Lср -- пробег вагона за сутки, км;

г -- средняя величина износа поверхности катания за 1 км пробега, мм.

Из анализа формулы следует, что срок службы колес можно продлить за счет уменьшения числа обточек и толщины снимаемого слоя металла при каждой обточке. Поэтому необходимо строго следить, чтобы при обработке колес по кругу катания снимался минимальный слой металла.

Число переточек можно уменьшить за счет организационных и технологических мероприятий по повышению прочности и надежности колесных пар, которые можно реализовать по следующим направлениям: снижение напряженности осей в эксплуатации, технологические пути повышения надежности. Снижение напряженности осей в эксплуатации можно добиться путем ликвидации дополнительных силовых факторов, возникающих в эксплуатации из-за образования ранее рассмотренных износов и повреждений поверхностей катания колес, перегрузки и неравномерности распределения нагрузки внутри вагона, неисправностей систем рессорно-пружинного подвешивания, неисправностей и неровностей пути.

Несвоевременно устраненные дефекты поверхностей катания колес занимают ведущее место по своему вредному влиянию на прочность оси.

Эти дефекты вызывают перенапряжения постоянно одних и тех же волокон. Установлено, что ползун глубиной до 2 мм дает наибольшие ускорения до 60g. Эти ускорения вызывают значительную перегрузку оси и, в частности, расчетное усилие на шейку увеличивается в 2 раза.

Снижению напряженности элементов колесных пар служит такое мероприятие, как балансировка колесных пар, которая обязательна для колесных пар вагонов, эксплуатируемых со скоростями движения выше 140км/ч. Нарушение баланса для скоростей от 140 до 160 км/ч допускается до 6 Н * м.

Технологические пути повышения надежности колесных пар имеют несколько направлений -- это методы накатки осей по всей длине, отжиг колес перед обточкой, восстановление шеек металлизацией, восстановление резьбы методами автоматической наплавки.

В настоящее время все новые оси подвергаются накатке в процессе изготовления, а старогодные оси накатываются непосредственно после проточки.

Операция накатывания позволяет повысить усталостную прочность оси, снизить шероховатость и повысить твердость поверхности. Схема накатки осей роликами представлена на рис.1.1

Рис. 1.1 Схема накатки оси роликами

Для подступичной части оси усилие Р лежит в пределах 18...28кН. Накатной ролик деформирует поверхность и создает непосредственно в сечении (1) под роликом в поверхностных волокнах напряжения, значительно превышающие предел текучести, которые вглубь детали постепенно убывают. После прохождения ролика (сечение 2) глубинные волокна металла, получившие напряжения и деформации упругого сжатия, стремятся вернуться в исходное положение, однако этому препятствуют наружные волокна, получившие остаточные деформации.

В результате этого, хотя за роликом диаметр оси больше, чем непосредственно под роликом, но полного восстановления размера не происходит и в поверхностных волокнах образуются остаточные напряжения сжатия. Эти напряжения, суммируясь с рабочими напряжениями растяжения, снижают суммарное напряженное состояние в одной группе волокон, что приводит к повышению их усталостной прочности. Другая группа волокон металла, находящаяся под рабочими напряжениями сжатия, получает дополнительную нагрузку. Однако это не наносит серьезного ущерба, так как допускаемые напряжения на сжатие значительно выше, чем допускаемые напряжения на растяжение.

Операция накатывания приводит к повышению твердости поверхности не менее чем на 22 % и составляет примерно НВ 219... 229. Глубина наклепанного слоя после накатывания подступичной части оси должна находиться в пределах 3,6.. .7,2 мм. Шероховатость поверхности R_а -- 1,25мкм.

Для обработки подступичных частей оси применяют универсальные токарно-винторезные станки, а также специализированные токарно-накатные станки, например модели КЖ1843 КЗТС, фирмы Поремба (ПНР) моделей ТОА-40Z: и ТОА-40W.

стали за счет перехода на выплавку в электропечах с последующим вакуумированием и продувкой инертными газами (аргоном) с целью очистки от неметаллических включений.

3) Характерные неисправности и повреждения, их причины и

способы устранения

Колесные пары являются одним из основных элементов ходовых частей, от технического состояния которых существенно зависит надежность работы вагона в целом. При движении колесной пары по рельсовой колее на нее действует комплекс статических и динамических вертикальных и горизонтальных сил. Кроме того, ось колесной пары испытывает дополнительные напряжения сжатия в зонах напрессовки ступиц колес на оси и ряд других эксплуатационных факторов. Сочетание комплекса этих факторов способствует возникновению в элементах колесных пар ряда неисправностей. Неисправности осей колесных пар подразделяют в общем виде на износы, трещины, изломы.

В средней части оси в условиях эксплуатации образуется ряд неисправностей, расположение которых представлено на рис. 2.1.

Рис.2.1. Неисправности средней части оси

Наиболее опасными дефектами являются поперечные трещины 1. Выполненный анализ большого количества осей с изломами в средней части показал, что подавляющее большинство трещин имеет усталостный характер и вызван многократным повторением циклических нагрузок, усиленных дополнительным влиянием загрузки вагонов сверх установленных норм, неравномерным распределением груза по кузову , усталостью металла, наличием концентраторов напряжений, а также дефектами поверхностей катания колес (ползун, выщерблина и т.д.), вызывающими дополнительные динамические нагрузки. При обнаружении поперечных трещин в оси независимо от других параметров колесная пара подлежит расформированию. колесный вагон железнодорожный

Продольные трещины 2 образуются вследствие наличия в поверхностных слоях металла дефектов Технологического происхождения в виде неметаллических включений, закатов, плен, забоин. Оси колесных пар с продольной трещиной длиной более 25 мм заменяются исправными. Браковка наклонных трещин 3 зависит от угла наклона б к образующей оси. При угле наклона 30° и менее, трещина относится к продольным, а при угле б а более 30° -- к поперечным.

Трещины можно обнаружить с помощью ультразвуковой или магнитной дефектоскопии, либо визуально (в условиях ПТО) по ряду внешних признаков. Практикой установлено, что пленка краски в зоне расположения трещины плотно не прилегает к оси, а в некоторых случаях вздувается в виде пузыря или отслаивается. Более глубокие трещины могут быть обнаружены летом по скоплению пыли, а зимой по наличию инея. Объясняется это тем, что в трещине концентрируется влага, к которой летом прилипает пыль, а зимой влага превращается в иней.

Кольцевые выработки на средней части оси 4 возникают от трения вертикальных рычагов и горизонтальных тяг, неправильно собранной или неправильно отрегулированной рычажной передачи тормоза или их падения на ось. Значительная глубина истирания может привести к излому оси, поэтому колесные пары с протертостью оси глубиной, более 2,5 мм бракуются.

Забоины и вмятины 5 - механические повреждения, которые характеризуются образованием местного углубления, возникающего в результате пластической деформации от удара каким-либо предметом (чаще всего в процессе погрузки или выгрузки колесных пар). Оси колесных пар бракуются по этим дефектам, если диаметр оси в месте его расположения меньше допускаемого.

Изогнутость оси колесной пары -- механическое повреждение с образованием изгиба оси в результате ее деформации от ударов при авариях и крушениях. Изогнутость определяется измерением расстояния между внутренними гранями колес в четырех точках по окружности или как биение при вращении оси в центрах. Колесные пары с изогнутостью оси к эксплуатации не допускаются.

Дефекты в подступичной части оси в основном связаны с дополнительным влиянием запрессовки ступицы колеса на ось. Наиболее опасный дефект трещина -- нарушение сплошности металла в зоне контакта оси и ступицы у торца. Сразу же от поверхности трещины распространяются под углом 70...75⁰ (рис. 2.2) внутрь подступичной части оси, а затем на глубине 2...4 мм меняет свое направление на перпендикулярное к поверхности. Наклон трещины от поверхности оси связан с давлением, оказываемым концами ступицы колеса, в сечениях которых давление возрастает в 1,5... 1,8 раза от нормального давления ступицы колеса после посадки на ось.

Рис.2.2. Характер образования трещины в подступичной части оси.

Причиной резкого снижения выносливости оси в этой зоне является также повреждение поверхности оси вследствие коррозии трения (фреттинг- коррозии), которая развивается на поверхностях сопряженных деталей в процессе циклического нагружения. Кроме того, при контактном трении происходят процессы микроизнашивания, химического окисления поверхности, а также развиваются электроэрозионные явления за счет возникающего при трении двух металлов термоэлектрического тока.

Дефекты в шейках осей:

Трещины в шейках осей образуются чаще всего вблизи галтелей. Основной причиной их образования в шейках осей с роликовыми подшипниками является местная концентрация напряжения в зоне торца внутреннего кольца, особенно вблизи задней галтели. Характер этих трещин аналогичен характеру трещин в подступичной части, т.е. является следствием концентрации напряжений по сечению торца внутреннего кольца роликового подшипника. С целью снижения концентрации напряжений в этой зоне необходимо выполнять разгружающие канавки вблизи задней галтели глубиной 0,04 мм.

Задиры и риски на шейках и предподступичных частях -- круговой неравномерный по поперечному профилю износ. На шейках и предподступичных частях с подшипниками качения поперечные задиры и риски образуются из-за проворачивания внутренних колец подшипников и лабиринтных колец при грении букс или недостаточном натяге колец при монтаже.

Неисправности цельнокатаных колес:

Техническое состояние поверхности катания и гребня оказывает огромное влияние на плавность хода вагона и взаимодействие с путями, особенно при прохождении стрелочных переводов. Различают следующие группы неисправностей: естественные износы, термомеханические повреждения, нарушения сплошности металла.

К группе естественного износа относятся такие износы как различные виды проката поверхности катания колеса, износы гребня, ползуны и другие.

Равномерный круговой износ -- прокат поверхности катания колеса h (рис. 2.3, а) в плоскости круга катания происходит от взаимодействия колеса с рельсом и тормозной колодкой. Образование проката от взаимодействия с рельсом происходит вследствие одновременного действия двух процессов: смятие волокон металла на площадке контакта колеса с рельсом и истирания металла под действием сил трения, возникающих при торможении от проскальзывания колеса по рельсу и колодки по ободу. Нарастание проката связано также с пластической деформацией.

В начальный период приработки процесс образования проката протекает в 3 раза быстрее, чем после приработки. В период приработки; кроме интенсивного износа микронеровностей поверхности катаний, происходит уплотнение верхних слоев металла и образование наклепа. Твердость наклепанного слоя может достигать НВ 470. На втором этапе образования проката металл из зоны контакта колеса с рельсом перетекает в сторону наружной грани колеса с образованием круговых наплывов.

Рис. 2.3. Виды износа поверхности катания колес:

1 - профиль изношенного колеса;

2 - профиль неизношенного колеса.

По данным ВНИИЖТа среднегодовой прокат колес грузовых вагонов составляет 2,8 мм. Однако эта скорость образования проката существенно различается для колес с разной толщиной обода. Так у нового колеса грузового вагона 1 мм проката образуется за 37 тыс. км пробега, а при ободе толщиной 30...32 мм - за 22 тыс. км. Это объясняется неравномерным распределением твердости металла нового обода колеса по толщине. Так у поверхности катания нового колеса твердость около НВ 300, а на глубине до 60 мм около НВ 270.

Средняя скорость образования проката у пассажирских вагонов составляет примерно 1 мм за 25 тыс. км пробега.

Неравномерный по профилю круговой износ--ступенчатый прокат (рис. 2.3, б), при котором на поверхности катания образуется ярко выраженная ступень, возникает при смещении зоны контакта колеса с рельсом в основном из-за несимметричной посадки колес на ось, большой разницы диаметров колёс на одной оси по кругу катания, неправильной установке колесной пары в тележке. Ступенчатый прокат, как правило, наблюдается у одного колеса колесной пары, а на другом колесе имеется либо повышенный износ, либо вертикальный подрез гребня колеса. Наибольшая глубина ступенчатого проката находится на расстоянии 25...30мм от круга катания в сторону фаски. Колесные пары со ступенчатым прокатом исключаются из эксплуатации по нормам предельного равномерного проката, но чаще по подрезу гребня на другом колесе.

Износы гребня цельнокатаного колеса образуются вследствие интенсивного взаимодействия гребня колеса с головкой рельса. Этот процесс интенсифицируется при ненормальной работе колесной пары, вызываемой неправильной установкой колесной пары в тележке, значительной разницей диаметров кругов катания колес одной колесной пары, несимметричной посадкой колес на ось, а также из-за сужения рельсовой колеи. Во всех случаях колесная пара перекашивается в рельсовой колее и увеличивается частота набегания гребня на боковую грань головки рельса.

Различают три вида износов гребней: равномерный износ, вертикальный подрез (рис. 2.3, в) и остроконечный накат (рис. 2.4, а).



а) б)

Рис.2.4. Остроконечный накат гребня (а) и круговой наплыв металла на фаску (б) колеса

Вертикальный подрез гребня -- это износ гребня, при котором угол наклона профиля боковой поверхности гребня приближается к 90°. Вертикальный подрез в эксплуатации не допускается более 18 мм по высоте.

Остроконечный накат (см. рис. 2.4,а) -- это механическое повреждение, при котором по круговому периметру гребня в месте перехода его изношенной боковой поверхности к вершине образуется выступ. Этот дефект возникает в результате пластической деформации поверхностных слоев металла гребня в сторону его вершины из-за высокого контактного давления и интенсивного трения в зоне взаимодействия с головкой рельса. Эксплуатация колесных пар с остроконечным накатом запрещается, так как возможен сход вагонов с рельсов при взрезании противошерстной стрелки.

Круговой наплыв на фаску обода колеса (рис 2.4, б) -- это повреждение, образующееся у колесных пар с прокатом 5 мм и более, когда дальнейшее увеличение проката происходит за счет пластической деформации смещения металла с поверхности катания в сторону фаски. Прохождение колесных пар с этим дефектом через горочные замедлители приводит к образованию другого дефекта -- откола кругового наплыва колеса.

Откол кругового наплыва обода колеса (рис.2.5, 7) встречается в виде кругового откола на отдельных участках, либо по всему кругу обода.

В эксплуатации встречается также местное разрушение - откол металла у наружной грани в районе фаски, которое, как правило, имеет значительную глубину и протяженность вдоль поверхности катания. Это разрушение возникает в результате усталостных процессов под действием нормальных и касательных сил путем развития трещин, образующихся на глубине 8...10 мм при наличии местного концентратора напряжений в виде раковин, неметаллических включений и т.п.

В эксплуатации не допускаются любые отколы глубиной более 10 мм или, если ширина оставшейся части обода колеса в месте откола менее 120 мм, или, если в месте разрушения независимо от размеров имеется трещина, распространяющаяся вглубь металла.

Седлообразный прокат (рис. 2.3, г) -- неравномерный по поперечному профилю обода круговой износ, при котором на поверхности катания образуется вогнутая седловина,

Кольцевые выработки (рис. 2.3, д) -- это износы, при которых на поверхностях катания колес образуются местные кольцевые углубления различной ширины. Эти явления наблюдаются, как правило, у колесных пар, взаимодействовавших с композиционными тормозными колодками. Кольцевые выработки образуются по краям зоны контакта поверхности катания с тормозной колодкой, и эта закономерность их появления объясняется неодинаковыми термическими условиями работы поверхностных слоев металла колеса и композиционной колодки по ширине зоны контакта и воздействием абразивных частиц пыли на поверхность трения по краям колодки.

К эксплуатации не допускаются колесные пары с кольцевыми выработками глубиной более 1 мм у основания гребня и более 2 мм вблизи наружной грани обода или шириной более 15 мм.

Ползун (рис.2.5, 1)--локальный износ колеса, который характеризуется образованием плоской площадки на поверхности катания. Ползун возникает при движении колеса по рельсу юзом вследствие действия в зоне контакта комплекса явлений: разогрева зоны контакта до высоких температур, контактного схватывания металла и интенсивной пластической деформации.

Основными причинами заклинивания колесных пар тормозными колодками, приводящими к юзу колес, являются неисправности тормозных приборов, неправильная регулировка рычажной передачи, неправильное управление тормозами, изменения взаимного соотношения коэффициента трения тормозной колодки с колесом и сцепления колеса с рельсом (увлажнение поверхностей, попадание смазки и др.).

Ползуны во время движения вагона вызывают удары, которые приводят к ускоренному разрушению деталей подвижного состава и верхнего строения пути. Исследованиями установлено, что при движении колесной пары юзом со статической нагрузкой на ось даже около 20 т интенсивность образования ползуна составляет 1 мм на 1 км пути. К эксплуатации не допускаются колесные пары с ползуном глубиной более 1мм.

Рис.2.5. Неисправности колеса и оси

Высокая температура зоны ползуна приводит при отпуске тормозов и проворачивании колесной пары к огромной теплоотдаче с нагретой поверхности, при низких температурах окружающего воздуха и образованию закалочных структур металла в зоне ползуна, что вызывает возрастание хрупкости металла и в дальнейшем может стать причиной выкрашивания металла из зоны ползуна и образования выщербин.

Выщербина (рис.2.5, 2) -- местное разрушение обода колеса в виде выкрашивания металла поверхности катания. Причиной их образования являются термомеханические повреждения, явления усталости металла и термические трещины обода. Выщербины в местах термомеханических повреждений и термических трещин образуются под действием касательных и нормальных сил во время торможения. Образованию выщербин способствует мартенситная структура верхних слоев металла колес, которая обладает высокой твердостью и хрупкостью. Большие остаточные напряжения закаленного верхнего слоя металла колес вызывают образование микротрещин, которые, постепенно развиваясь, соединяются между собой и в результате происходит выкрашивание металла. Выщербины в местах термомеханических повреждений и в местах термических трещин характеризуются небольшой глубиной, не превышающей 2...3 мм, причем они имеют, как правило, групповое расположение. Выщербины в местах усталостных трещин отличаются глубиной значительных размеров, достигающей 10 мм, неровной с характерным видом усталостного разрушения поверхностью, покрытой пленкой окислов.

В зимний период (декабрь-март) выщербины образуются в 2...3 раза чаще, чем в период апрель-ноябрь, что связано с нестабильностью коэффициента трения от погодных условий, а значит, и с трудностью правильно выбрать режим торможения. Это связано также с увеличением зазоров в стыках рельсов, приводящих к дополнительным ударным воздействиям при прохождении колесных пар.

Навар металла (рис.2.5, 3) на поверхности катания -- термомеханическое повреждение, при котором на поверхности катания образуются участки сдвига металла U-образной формы. Такая форма пластической деформации с максимальным сдвигом в центре полосы контакта и минимальным по краям объясняется эллиптическим законом распределения давлений на контактной площадке. Наибольшие деформации возникают в центре площадки контакта, где создается максимальное давление, которое развивается в направлении скольжения колес.

Навар располагается на поверхности катания в виде одной или нескольких зон, может быть однослойным и многослойным. Навар определяется высотой сдвига металла, измеряемой от неповрежденной поверхности катания до вершин сдвигов. Основной причиной этого дефекта является нарушение режимов торможения, в результате чего происходит проскальзывание колеса по рельсу на 20...30 мм в течение очень коротких промежутков времени. При этом в зоне контакта колеса с рельсом происходит интенсивная пластическая деформация с элементами контактного схватывания и значительным нагревом металла, что, во-первых, приводит к деформациям, а, во-вторых, к закалке этой зоны на мартенсит, обладающей повышенной твердостью. Таким образом, чередование сдвигов навара объясняется небольшим проскальзыванием колеса вследствие скачкообразного изменения силы сцепления колеса с рельсом.

Частота появления этого дефекта за последние годы возрастает. Это объясняется, с одной стороны, ростом скоростей движения поездов, их массы, при которых приходится гасить растущую кинетическую энергию поезда, а с другой стороны, внедрением неметаллических колодок, которые обеспечивают высокий тормозной эффект, но слабо отводят тепло от поверхности катания в период торможения. Так при торможении чугунными колодками в тело колеса уходит 70 % тепловой энергии, а при неметаллических колодках уже до 95%.

Навар на поверхностях катания вызывает повышенные ударные нагрузки на подвижной состав и верхнее строение пути и поэтому не допускается навар высотой более 0,5 мм у колесных пар пассажирских вагонов и более 1 мм для грузовых вагонов.

Значительную долю дефектов колес составляют механические повреждения, к которым относятся ослабление посадки ступицы колеса на оси, сдвиг ступицы колеса.

Ослабление посадки ступицы колеса возможно при нарушении технологии формирования колесной пары, несоблюдении равенства температуры оси и колеса при измерении диаметров посадочных поверхностей, в результате чего неправильно определяется натяг на посадку. Признаками ослабления посадки является разрыв краски по всему периметру вблизи торца ступицы в месте ее сопряжения с осью и выделение характерной коррозии и масла из-под ступицы колеса с внутренней стороны. Колесные пары с признаками ослабления ступицы подлежат расформированию.

Сдвиг ступицы колеса -- это смещение ступицы колеса вдоль оси. Этот дефект также является следствием нарушения технологии формирования колесной пары или ударов при авариях.

Сдвиг ступицы колеса ведет к изменению расстояния между внутренними гранями ободов колес и представляет серьезную угрозу безопасности движения, и поэтому колесные пары исключаются из эксплуатации.

Трещины в ступице колеса и в диске (рис.2.5, 4) - образуются под действием комплекса динамических сил из-за наличия металлургических дефектов металла в этих зонах, неметаллических включений и неровностей от прокатки колеса при изготовлении. Кроме того, трещины в ступице колеса развиваются от растягивающих напряжений после посадки колеса на ось и наличии микротрещин на кромках, образующихся при прошивке отверстия ступицы колеса.

Продольная трещина обода колеса (рис.2.5, 5) - это нарушение сплошности металла в виде единичных продольных или поперечных трещин. Такие трещины возникают из-за наличия очагов неметаллических включений или местной неоднородности металла обода колеса. Эти неисправности выявляют внешним осмотром. Если позволяет толщина обода, дефект можно устранить обточкой на колесотокарном станке. Если толщина обода недостаточна, то колесная пара исключается из эксплуатации.

Термические поперечные трещины в ободе колеса образуются в виде множества трещин термической усталости на поверхности катания в зонах уклона 1:7, на фаске и в отдельных случаях переходящих на наружную грань обода. Трещины термической усталости возникают в результате чередования интенсивного нагрева поверхности катания колеса при торможении и последующего охлаждения. При резком торможении поезда поверхность катания колеса от трения, особенно с композиционными колодками, нагревается до температуры 400 °С, а в отдельных зонах температура может достигать 1000 °С. Повторяющиеся циклы нагрева и охлаждения вызывают последовательно в поверхностном слое обода колеса напряжения сжатия и растяжения, величина которых может превышать предел текучести стали, а это приводит к развитию пластической деформации и, как следствие, к образованию трещин.

Трещины на шейке и предподступичной части оси (рис.2.5, 6) - это нарушение сплошности металла, которые характеризуются расположением чаще всего вблизи галтелей, как концентратов напряжений. Основной причиной образования трещин в шейках осей с роликовыми подшипниками на втулочной посадке является местная концентрация напряжений в зоне прилегания тонкого конца закрепительной втулки или торца внутреннего кольца подшипника на горячей посадке.

Общими причинами образования поперечных трещин в осях являются:

- явление усталости металла;

- загрузка вагона сверх установленной нормы;

- перегрузки, вызываемые наличием ползунов и выщербин;

- неправильное расположение груза по кузову вагона;

Трещины выявляются внешним осмотром и дефектоскопированием при освидетельствовании и ремонте колесных пар. Колесные пары с трещинами осей выводят из эксплуатации.

4) Технология ремонта сборочной единицы

Для колесных пар в зависимости от объема выполняемых работ установлены два вида ремонта -- без смены и со сменой элементов. При ремонте без смены элементов в условиях депо производят работы по устранению износа шеек осей -- накатку и шлифовку шеек и сварочные работы без распрессовки элементов.

Ремонт со сменой элементов предусматривает замену осей, колесных центров, перепрессовку ослабших колесных центров, освидетельствование колесных пар с выпрессовкой оси. Такой вид ремонта разрешается производить в колесных цехах ремонтных заводов и специализированных мастерских. Для ремонта колесные пары выкатывают из-под вагона.

Прокат колесных пар устраняют обточкой на специальных станках с выкаткой и без выкатки из-под вагона. Колесные пары на текущем ремонте ТР-3 обтачивают на колесно-токарных станках, снабженных гидрокопировальным устройством. По мере обточки толщина бандажа уменьшается и наименьшая его толщина при выпуске из текущего ремонта допускается 43 мм и не менее 50 мм для вагонов, работающих со скоростями свыше 120 км/ч. Наружный профиль бандажа при обточке контролируют шаблоном, а расстояния между внутренними гранями бандажей -- штангенциркулем.Шаблон плотно прижимают к внутренней грани бандажа, при этом зазор по поверхности катания допускается до 0,5 мм, а по высоте и толщине гребня -- до 1мм. В условиях депо прокат бандажей без выкатки колесных пар устраняют при техническом обслуживании ТО-4 на специальных колесно-фрезерных станках КЖ-20М.Станок располагают в специальной канаве со съемными рельсовыми вставками. Для обработки бандажей тепловоз устанавливают на канаву, домкратом тяговый электродвигатель приподнимают несколько вверх, а рельсовые вставки отводят в сторону, и колесная пара оказывается подвешенной на моторно-осевых подшипниках. Вращается колесная пара от тягового электродвигателя, который питается током напряжением 220--380 В. К бандажам подводят суппорты с фрезами и обточку бандажа ведут до необходимых размеров. Время обработки одной колесной пары составляет30--40 мин.

Изношенную поверхность гребня восстанавливают электронаплавкой специальными двухдуговыми аппаратами А-482 под флюсом или вручную с выкаткой колесных пар из-под тепловоза с последующей обработкой на станке. Разрешается также наплавлять гребни колесных пар без выкатки колесных пар из-под вагона двухдуговым аппаратом Р-643 с последующей обработкой на станке. Наплавка изношенных поверхностей колесных пар позволяет примерно в полтора раза сократить снятие металла с бандажа при его обточке для получения нормального профиля и продлить срок службы К.П.

После обработки наплавленного гребня К.П тщательно осматривают и проверяют дефектоскопом.Выбоины (ползуны) на поверхности катания бандажа устраняют обточкой или электронаплавкой с последующей обработкой (для пассажирских вагонов наплавку производить не разрешается). После насадки в выточку бандажа, остывшего до температуры не ниже 200° С, заводят укрепительное кольцо и обжимают борт бандажа.

Посадочные поверхности обода и ступицы колесного центра при износе восстанавливают наплавкой с последующей обточкой до размера, обеспечивающего необходимый натяг.

Поперечные и продольные риски и задиры, забоины и следы коррозии на шейках оси, не превышающие допускаемых величин, зачищают. После зачистки поперечных трещин и забоин шейки оси подвергают дефектоскопии. Забитые или разработанные центровые отверстия восстанавливают электронаплавкой с последующей механической обработкой по чертежу.

Наличие поперечных трещин на шейках не допускается. Если обнаруживают продольную трещину или плену длиной более 25 мм на средней части оси, а также продольные трещины или плены на других частях оси, то колесную пару отправляют в ремонтный пункт для полного освидетельствования.

При выпуске вагонов из текущего ТР-3 и капитальных ремонтов колесные пары подбирают из числа отремонтированных или нового формирования с разницей диаметров по кругу катания: не более 12 мм при выпуске из текущего ремонта ТР-3 и не более 9 мм при выпуске из капитальных ремонтов, удовлетворяющих требованиям правил технической эксплуатации, с нулевым прокатом.

Под формированием колесной пары понимают изготовление колесной пары из новых элементов. Замена отдельных частей колесной пары (осей, центров, зубчатых колес) новыми или годными,но бывшими в эксплуатации относится к ремонту колесной пары со сменой элементов. Колесные центры на ось напрессовывают на специальном гидравлическом прессе в холодном состоянии. Перед запрессовкой оси и колесные центры подбирают по размерам для обеспечения необходимых натягов, посадочные поверхности очищают, протирают и смазывают натуральной олифой. Усилие при запрессовке центра с бандажом на 100 мм диаметра подступичной части составляет (45-4-65) 104Н, а при напрессовке центра без бандажа -- соответственно (40 4-60)104Н. В процессе напрессовки специальным индикатором снимается диаграмма запрессовки. Формирование колесной пары завершается полным освидетельствованием,клеймением и заполнением технического паспорта колесной пары.

5) Технология сборки и испытания

Технологический процесс ремонта и формирования колесных пар содержит значительное число операций, выполняемых последовательно и параллельно на специализированных рабочих местах с применением высокопроизводительного оборудования.

Поступившие на механический участок колесного цеха колесные пары подвергаются предварительному осмотру и обмывке, которая производится в специализированной моечной машине. Затем колесная пара поступает на инспекторскую площадку, которая оснащена стендом, позволяющим вращать колесную пару при осмотре. Здесь же производится ультразвуковая, магнитная дефектоскопия дефектоскопом. Делаются необходимые замеры и определяется объем ремонта.

В механическом участке колесного цеха колесные пары ремонтируют со сменой и без смены элементов. Колесные пары, которым не требуется смена элементов и выполнение сварочных работ поступают на станки для обточки колес. После обточки их подают на сдаточную площадку, где вторично подвергаются дефектоскопии.

Расстояние между внутренними гранями колес после ремонта без смены элементов 1440±3мм. Разность расстояний между внутренними гранями колес в различных точках допускается до 2мм. Минимальная и максимальная ширина обода цельнокатаного колеса допускается 126мм и 130мм.

Форму профиля колес проверяют максимальным шаблоном. Допускается отклонения очертаний колеса от профиля выреза шаблона по высоте гребня 1мм, по поверхности катания и внутренней грани 0,5мм. Обточка колес по кругу катания производится на колесно-токарных станках последней модель польской фирмы «Рафамет» ККВs-125, 1Т-СН-А.Обработка шеек осуществляется на специальных шеечно-накатных станках. Шейки и предподступичные части под роликовые подшипники зачищают шлифовальной шкуркой. Допускается оставлять мелкие поперечные и продольные риски, небольшие задиры.

При ремонте колесных пар применяют электросварочные работы. Здесь происходит нарезание резьбы на оси, наплавляют разработанные центровые отверстия осей. После формирования колесных пар и после ремонта, и освидетельствования на торцах оси ставят знаки маркировки и клейма, которые наносят в пределах контрольной окружности. После опробования колес на сдвиг на правый торец оси рядом со знаком формирования ставят букву «Ф». Принятую колесную пару окрашивают масляной краской черного цвета или черным лаком и направляют в роликовое отделение. Если колесную пару не подкатывают сразу под вагон, то ее консервируют, обмазывают шейки оси солидолом или техническим вазелином и накрывают ее защитными деревянными щитками. Согласно техническим указаниям на производства сварочных и наплавочных работ, при ремонте вагонов разрешается восстанавливать изношенные гребни цельнокатаных колес механизированной наплавкой под флюсом. Колесную пару перед наплавкой протачивают на колесотокарном станке с целью удаления поверхностных дефектов, нагревают в муфельной печи до температуры 250⁰ С, затем колесную пару устанавливают на модернизированный шеечно-накатной станок, на котором установлены наплавочные головки типа А-580 с выпрямителем ВС-600, производят автоматическую дуговую наплавку под слоем флюса, затем колесную пару помещают в термостат для остывания, обтачивают по профилю катания, производят ультразвуковую дефектоскопию.

Основными достоинствами этого метода ремонта являются высокое качество наплавленного металла и производительность. Однако данная технология приводит к изменению структуры металла колеса и ее неравномерности по толщине обода, изменению механических свойств, возникновению дополнительных внутренних напряжений, высокой трудоемкости выполняемых работ. Подступичную часть старогодной оси перед напрессовкой колеса обтачивают с целью удаления продуктов коррозии, наминов, рисок и других дефектов, с последующей упрочняющей накаткой роликами.

Распрессовка колёсных пар производится, как правило, на специально выделенном для этой цели прессе. В тех случаях, когда распрессовка выполняется на том же прессе, что и запрессовка, самопишущий манометр (индикатор) и рабочий манометр, предназначенный для контроля усилий при запрессовке, необходимо выключить во избежание повреждений. Контроль за усилиями сдвига в этом случае осуществляется по второму рабочему манометру.

При установке колёсной пары на прессе необходимо обеспечить совпадение её геометрической оси колёсной пары и плунжера пресса. После этого включается пресс и снимается колесо с оси. Аналогично производится съём второго колеса.

У колёсных пар с осями для роликовых подшипников для предотвращения деформации резьбы, повреждения торцов, развальцовки цилиндрической части шейки при расформировании применяют специальный стакан.

Если колёсная пара не поддаётся расформированию предельным усилием пресса, разрешается подогревать ступицу колеса газовой горелкой. Но если и после подогрева колеса невозможно снять с оси, то при неисправности оси - разрезается ступица колеса, а при неисправности оси - колёсная пара сдаётся в металлолом.

После распрессовки колёсных пар, ранее забракованные и размеченные элементы (колёса, оси) транспортируют на площадки и стеллажи для бракованных элементов. Элементы, ранее признанные годными для дальнейшего использования, тщательно осматривают и измеряют. По результатам осмотра и измерения решается вопрос дальнейшего использования элементов колёсной пары. На забракованные элементы светлой краской ставится знак “Б” (брак) и условный номер, присвоенный мастеру.

Годные для дальнейшего использования элементы транспортируют на соответствующие стеллажи.

Обработка новых и старогодных осей производится на осетокарных станках.

Шероховатость обработанной поверхности и размеры должны соответствовать чертежам и техническим требованиям. Шероховатость поверхностей осей проверяют стандартными эталонами.

6) Средства механизации и автоматизации

Выкатка колёсной пары:

Выкаченная из-под вагона деповского ремонта вагонная тележка передаётся на путь колёсно-токарного отделения, ослабляются шпинтонные гайки

Тележка мостовым краном переставляется на стенд монтажа колёсных пар

Отворачиваются гайки шпинтонов