Skip to main content

Износостойкие профили качения колес

Posted in

колесная параВ прошлом веке  вагонные колеса как при изготовлении, так и при ремонтах обтачивались по профилю ГОСТ 9036, в котором рабочая пригребневая зона имеет уклон 1/20 (соответствующая конусность — 1:10). Но, вследствие значительного увеличения интенсивности износа гребней, возникла необходимость разработки новых износостойких профилей. Были разработаны профили, которые по своему очертанию близки как к неконформному (каким является профиль ГОСТ 9036), так и к конформному (его рабочая пригребневая часть зеркально повторяет  очертание среднеизношенной головки рельса).

На сегодня ободья вагонных колес УЗ обтачивают преимущественно по неконформному профилю ДІІТ-УЗ. Благодаря повышенной конусности опорной пригребневой зоны, он обеспечивает уменьшение интенсивности изнашивания гребней на 30% (сравнительно с профилем ГОСТ 9036), сохраняя удовлетворительную динамику и безопасность движения вагонов на тележках мод.18-100. Эксплуатационные испытания вагонов с глубоко закаленными ободьями колес, обточенными по профилю ДИИТ-УЗ, показали, что интенсивность изнашивания гребней находится в пределах 0.3÷0,4 мм/104 км, а пробег вагона между обточками колес превышает 150 тыс.км. Это исключает необходимость промежуточных обточек между плановыми ремонтами. Однако темп износа гребней все еще значительно превышает  прокат колес, то есть «езда на гребнях» продолжается.

Разработка еще более износостойких профилей качения для существующих традиционных вагонов на тележках мод.18-100 вряд ли рациональна, поскольку снижение интенсивности износа гребня сопровождается уменьшением критической скорости движения порожнего вагона.

Однако, для грузовых вагонов на тележках, имеющих специальные устройства для повышения критической скорости движения, применение профилей качения с еще большей износостойкостью остается актуальным и экономически выгодным. Поэтому колеса указанных вагонов обтачивают по ремонтному профилю ИТМ-73 (близкому к конформному), который вдвое уменьшает износы гребней, сравнительно с профилем ГОСТ 9036.

Для оценки влияния профиля качения колес на нагруженность рельсов было исследовано  контактное взаимодействие колеса с рельсом путём решения пространственной контактной задачи. Показаны распределения напряжений в ободе колеса,  в головке рельса от контактного взаимодействия:

  • обода колеса, обточенного по профилю ДметИ (конформному);
  • обода колеса, обточенного по новому профилю ДИИТ (неконформному).   

Из двух контактных пятен на каждой картине «основным» будем считать более напряженное  а «дополнительным».— менее напряженное.

Анализ положения и напряженности контактных пятен   показывает                   

  •  конформный профиль а создает основное пятно — F=36 мм2 — на радиусном переходе вблизи гребня колеса; ему соответствует пятно на внутренней выкрутке рельса, в окрестности которого напряжения достигают τмак=1584 МПа;
  • неконформный профиль б создает основное пятно — F=62 мм — непосредственно на опорных поверхностях колеса и рельса, в окрестности последнего τмак=1068 МПа.

Результаты изложенных теоретических исследований подтверждаются уникальным экспериментом, проведенным ВНИИЖТ под руководством профессора М.Ф.Вериго. На малом кольце ВНИИЖТ вся путевая структура (балласт, шпалы, рельсы) была обновлена, после чего начался первый испытательный цикл — обращение  нагруженного состава из  полувагонов на серийных тележках мод. 18-100 с новыми колесами, обточенными по профилю ГОСТ 9036 (неконформному). В первом цикле был выполнен тоннаж перевозок 455 млн.т. и изъято по дефектам D 20% рельсов (отбраковывались путевым дефектоскопом, т.к. усталостные трещины возникают на некотором заглублении от поверхности головки рельса). Второй испытательный цикл начался после полного возобновления путевой структуры, но с тем же составом вагонов, колесные пары которых в итоге износов имели профиль поверхности катания, приближающийся к конформному. Во втором цикле было изъято за дефектами D 20% рельсов уже после выполнения тоннажа около 130 млн.т.

Таким образом, эксперимент М.Ф.Вериго показал, что конформный профиль может привести к увеличению отказов рельсов в 3,5 раза по сравнению с неконформным.