6. КОЛІСНІ ПАРИ (МОСТИ), КОЛЕСА

6.1. Призначення

Колісні пари (мости) призначені для сприйняття обертаючого моменту тя­гових машин, реалізації сил тяги, гальмування і спрямування екіпажа в колій­ному чи безколійному шляху.

6.2. Класифікація колісних пар (мостів) і конструкція елементів

 

Колісні пари (мости)

 

За шириною колії

'І4

 

Жорсткі

!т!

За конструкцією осі

Суцільна (колійний транспорт)

Розрізна (півосі безколійного транспорту

За конструкцією коліс

Пружні

З гумовими елементами

 

 

 

Рис. 6.1 - Класифікація колісних пар (мостів)

Як видно зі схеми (рис. 6.1), можна виділити п'ять класифікаційних ознак колісних пар. За розташуванням буксових вузлів більш докладно викладено в розділі 5.

За видом навантажень: ведучими називають мости, що є елементами тяго-

вого приводу, тобто зв'язані з електродвигуном і несуть (крім вертикальних і горизонтальних навантажень) обертальні моменти. До неведучих (тобто підт­римуючих) відносять мости, що не передають обертальні моменти і грають роль заданого розподілення навантажень від кузова з метою зменшення напру­ження в контакті "колесо - дорога". На безрейковому транспорті такі мости ви­конують функцію зміни напрямку руху і називають їх керованими.

На рейковому транспорті вітчизняного виробництва в колісних парах за­стосовуються в основному суцільні осі, конструкція яких подана на рис. 6.2.

6.3. Конструкція колісних пар (мостів) 6.3.1. а) елементи осей колісних пар (рис. 6.2) колійного транспорту; б) на трамваях і тролейбусах застосовують осі, встановлені в корпусі; тоді

Трамвайні осі виготовляють з мартенівської сталі підвищеної міцності (ДСТ 6143-52), осі метро - з вуглецевої сталі ОсМ (ДСТ 6690-69).

Рис. 6.2 - Вісь колісної пари із зовнішнім розташуванням буксових вузлів: 1 - буксова шийка; 2 - передматочинна частина; 3 - підматочинна частина; 4 - міжматочинна частина; 5 - галтельні переходи (для зниження коефіцієнта концентрації механічних напружень).

їх називають мостами.

Таблица 6.1 - Хімічний склад сталей осей колісних пар і їх механічні

характеристики

 

Застосу­вання ко­лісних пар

Хімічний склад сталі, %

Механічні властивості

С

Мп

 

Р, не більше

Б, не більше

Си

Сг

 

Межа міцності, МПа

аз  і о4

о о 5 аз ч: аз Й о аз сз <и

т х

Трамвайні вагони

0,35-0,45

0,5-0,8

0,15­0,35

0,05

0,05

0,2

0,3

0,3

60-67

18

Вагони метропо­літену

0,37-0,47

0,5-0,8

0,15­0,35

0,04

0,05

0,25

0,3

0,3

58-63

22

в) На безрейковому РС використовують осі розрізні, тобто півосі, чого по­требує тягова передача (див. Розділ "Тягові передачі"). 6.3.1. Колеса колійного транспорту

Ходові колеса рейкового РС виконують бандажними (рис. 6.3, а, б, г) і без­бандажними (рис. 6.3, в); безрейкового РС - із пневматичними шинами.

 

Рухомий склад трамвая виконують з підгумовими колісьми (рис. 6.3, б). На РС метрополітенів використовують бандажні підгумові, а також жорсткі бан­дажні (рис. 6.3, а) і безбандажні колеса (рис. 6.3, в). Основні елементи жорстко­го бандажного колеса (рис. 6.3, а) : маточина 2 для насадки на вісь 1; колісний диск 3 з ободом 4; бандаж 6 і стопорне кільце 5, що попереджає зіскакування бандажа з обода. Маточина 2 колеса насаджується на вісь 1 найчастіше пресо­вою посадкою, бандаж 6 на обід 4 - тепловою посадкою (з попереднім нагрі­ванням бандажа до 250°С). Недоліки жорстких коліс - жорстка передача сил взаємодії між рейковою колією і ходовими частинами і порівняно високий рі­вень шуму (одним із джерел шуму рейкового РС є контакт колеса з рейкою). У підгумовому колесі (рис. 6.3,б) колісний центр з ободом 4 затиснутий болтами 10 між маточиною 2 і натискною шайбою 8 за допомогою двох кільцевих чи двох рядів гумових вкладишів 9, армованих сталевими дисками. На обід 4 на­саджують бандаж 6 із кріпленням стопорним кільцем 5. Вкладиш 9 під час збо­рки колеса піддають стиску під пресом нормованим зусиллям і затягують бол­том 10. Натискну шайбу 8 додатково кріплять до маточини болтом 7.

Перевага бандажних коліс - можливість зміни бандажа при зносі; недолік - можливість ослаблення посадки на ободі. Тому на метрополітені іноді вико­ристовують суцільнокатані безбандажні колеса (рис. 6.3, в), що відрізняються від бандажних підвищеною міцністю й надійністю, технологічністю обробки і зборки, зменшеною масою, але вимагають більш складної технології виготов­лення. Конструкції коліс рейкового РС безупинно проходять удосконалення. Пропонують різні варіанти їх підгумовування, використання пневматичних пружних елементів замість гуми, посадки на вісь. На рис. 6.3, б показана конс­трукція колеса з гумовими пружними елементами, що працюють на зріз і без-маточинним болтовим кріпленням на осі колісної пари 1 болтами 11. Бандаж 6 колеса насаджений на обід 4-х колісного диску і затиснутий на ньому разом з армованими сталевими кільцями пружними елементами 14 стяжним сталевим кільцем 12 і болтами 13. Для зручності транспортування і закріплення при об-робці на верстатах колісні центри мають два розташованих діаметрально тех­нологічних отвори А.

Трамвайний бандаж (рис. 6.4, а) має циліндричну поверхню катання 5, ре­борду 4, буртик 3, канавку 2 для стопорного кільця і заплечник 1. Реборда 4 бандажа виконує роль направляючого пристрою: забезпечує вписування РС у криві ділянки колії за рахунок упора в голівку чи губку рейки. Поверхню ка­тання бандажів коліс вагонів метрополітену (рис. 6.4, б) обточують з ухилом 1:20 і 1:7, що полегшує їх уписування в кривих ділянках колії.

 

Вимоги до коліс з пружними гумовими елементами:

1) гума в підгумових колесах повинна працювати на зріз або на стиск;

2) максимальний вертикальний прогин 2,5-4 мм, горизонтальний 1-1,5 мм;

3) рекомендована твердість для МЕТ 54-56 од. по Шору;

4) гума повинна бути еластична, шумопоглинаюча, стійка до коливань температури (+80...-40°С), мати малі втрати на внутрішнє тертя, незначну за­лишкову деформацію, збереження пружних властивостей 8-10 років;

5) товщина вкладишів 16-17 мм (±0,25 мм). При більшій товщині важко отримати однакову щільність внутрішнього та зовнішнього шарів. Крім того, з-за низької теплопровідності надто нагрівається від втрат енергії на внутрішнє тертя;

6) бажано уникати гвинтових з'єднань; якщо є гвинти, то вони не повинні працювати на згин;

7) гумові елементи треба захистити від кисню повітря, конструкція по­винна бути міцною, легкою, надійною, дешевою.

Позитивні сторони пружних коліс:

1) покращує умови роботи ходових частин і колії;

2) знижує знос реборди, збільшуючи пробіг між проточками;

3) зменшує шум, підвищує плавність ходу, підвищує комфортність. Негативні сторони:

1) більш висока вартість, збільшені затрати на ремонт;

2) підвищений опір руху з-за втрат на тертя в гумі;

3) неможливість використання колісно-колодкового гальмування.

РС з пружними колесами широко застосовується за кордоном. В Україні -трамваї чеського виробництва, вагони КТМ-5М, вагони метрополітену. 6.3.2. Колеса безколійного транспорту

На безрейковому РС використовують одиночні і здвоєні ходові колеса з пневматичними шинами. Пневматичні шини (рис. 6.5, а) характеризують на­ступними геометричними розмірами (ДСТ 5513-75):

 

Рис. 6.5 - Конструктивні елементи бездискового пневматичного колеса тролейбусів ЗіУ-9: а - пневматична шина; б - кріплення одиночного (керовано­го) колеса; в - кріплення здвоєного (ведучого) колесашириною шини В і протектора П; висотою шини Н внутрішньої Ні і зовнішньої Н2 частин шин; діаметром внутрішнім сі і за поверхнею катання Б; радіусом за­округлення протектора Яп, внутрішньої оболонки Як, основної окружності г0; шириною по бортам Ь; товщиною борта с. Основні розміри шини - внутрішній діаметр під посадку на обід і ширину В наносять на боковину шини. На тролей­бусах ЗіУ-9, наприклад, установлені шини 320-508 модель "ИЯ-241" з "дорож­нім" (неглибоким) малюнком протектора. Внутрішній діаметр цих шин під по­садку на обід 508 мм і шириною 320 мм. Шина пневматичного колеса має: гу­мову покришку і прямобортного типу, гумову камеру 2, наповнену стисненим повітрям; вентиль 5 для накачування шини; сталеве армування 8 і каркас 9 пок­ришки; брекер і0 (шар, що розподіляє навантаження шини на каркас); протек­тор 11. Шини кріплять на ободі 7 колеса знімним бортом 3 і замковим кільцем 4. До установки шини на обід 7 укладають ободну стрічку 6, що охороняє каме­ру від ушкоджень металевими частинами колісного диска.

Кріплення коліс до маточини регламентовано стандартом. Одиночні коле­са керованого моста тролейбуса кріплять до маточин 12 (рис. 6.5,б) притисками 15 на шпильках 13 і гайках 14. Пневматичну шину 16 надягають на суцільний сталевий обід 7 і кріплять на ньому знімним бортом 3 і замковим кільцем 4. Здвоєні колеса ведучого моста кріплять болтами 17 з гайками 18 до перехідника 21 (рис. 6.5, в) шістьма притисками 19. Між ободами коліс ставлять дистанцій­не кільце 20. Шину 16 надягають на обід 7 і закріплюють на ньому знімним бортом 3 і замковим кільцем 4 так само, як і шину одиночного колеса.

6.4. Розрахунок осей колісних пар на міцність

Приведемо методику розрахунку осей колісних пар з внутрішніми опора­ми, тобто її можна використовувати для розрахунку колісних пар трамваю (рис. 6.6).

В даному розрахунку навантаження візка на осі колісної пари буде сумар­ним від дії комплексу сил (Докладніше дивись курсовий проект):

1) Сумарні сили 21,22, що діють від рами візка на колісну пару через під­шипникові опори: а) від вагового навантаження; б) від сил, що діють у кривій Рб; в) від сил, що діють на ухилі; г) від сил інерції при гальмуванні; д) від дина­мічного навантаження, тощо. Останні три групи сил враховують як складові сил Т1 і Та.

 

Рис. 6.6 - Схеми і епюри силових факторів до розрахунку осей колісних пар: а - повна схема сил; б - схема силових факторів та епюра згинаючих мо­ментів, що діють у вертикальній площині; в - схема силових факторів та епюра згинаючих моментів, що діють в горизонтальній площині; г - схема дії та епю­ра крутних моментів на осі

2) Силу, що діє на зубчате колесо тягового редуктора від зчеплення його з ведучою шестернею 2к, визначають з рівняння обертаючого моменту Мкр тяго­вого редуктора:

Мкр = 2кДзк- = ЬдДк; (6.1) кр       2 2

Б Д

гк = -Д^; (6.2)

де Бд - дотична сила тяги колісної пари при зчепленій вазі на одну колісну пару Рзч та коефіцієнті зчеплення *Р = 0,15 + 0,3 (метал по металу)

рд =  у (6.3)

3) Направляюче зусилля (горизонтальне поперечне зусилля від дії колії на колесо при русі в кривій):

У = Рб = Рс + Рп, (6.4)

де Рб - зусилля бокове; Рс - зусилля відцентрове,

р/ у2

Рс =       ; (6.5) g = 9,8 м/с - прискорення сили тяжіння;

Швидкість в кривій розраховують з емпіричної формули в залежності від радіуса повороту Я, м:

Укр = 1,27-л/Я [м/с]. (6.6) Д • Ь • р

Зусилля повітряне Рп =-к—, (6.7)

п

де Д - довжина вагона, м; 1ік - висота кузова вагона, м;

р = 0,5 кН/м2 - питомий тиск повітря розрахунковий для України; п - кількість колісних пар вагона.

4) Реакції в точках А і В від усіх діючих зусиль в місці контакту колеса з колією: відповідно Яд і Яв визначають за умови рівноваги системи в попереч­ній вертикальній площині, тобто сума моментів відносно точок А і В повиннадорівнювати 0.

£Ма = - Рб-     + + Кк-1 + ^-(З - ^) + Яв-- = 0, (6.8)

де ТІ^ - статичний нуль при перенесенні точки прикладення сили Кк

(г/к = Zк)

Я в =-2-2-^-— (6.9)

ІМв = -Рб • ^ + яа--    -^ - К •3- /2 • 3-1 = о (6.10)

Рб •Дк+к (б - ^)+кк •3+^Ц1-

Я а =-2-2--2-^ (6.11)

За відомими значеннями сил, що діють на вісь, розраховують згинаючі моменти від вертикальних сил Мзг в (рис. 6.6,а) і горизонтальних сил Мзг г (рис. 6.6,в) в небезпечних перерізах осі розрахуємо результуючий згина-

ючий момент в перерізах

МЬг = 4     +     ; (6.12)

МПзг = 4 Мив +      ; (6.13)

МШзг =4 М2Пв + М2Пг; (6.14) З енергетичної теорії міцності еквівалентні розрахункові напруження в не­безпечному і-тому перерізі осі будуть:

а, + 3x1; (6.15)

М .

зг

де а; =-!- - згинаючі нормальні напруження в і-му перерізі;

Мк

т; = —— - тангенційні (дотичні) напруження в і-му перерізі;

з

Мкр - обертаючий момент в і-му перерізі з епюри рис. 6.6г; \У; - моменти опору відповідних перерізів осі.

Таким чином, для трьох розрахункових перерізів напруження дорівнюють:а І =

а ІІ =

\( мьг ї

2

+ 3

 

ї МІІзг '

2

+3

 

І( м„ьг '

2

+3

Г МШІР

(6.16)

(6.17)

(6.18)

Вісь колісної пари буде відповідати потребам міцності тоді, коли Оццп < [о]

Для осьової сталі з урахуванням знакозмінного характеру навантаження допустиме напруження дорівнює [о] = 100 ^ 120 МПа.

6.5. Розрахунок насадки коліс

Безпека руху рейкового транспорту напряму залежить від дотримання тех­нології напресовування коліс на осі колісних пар. Напресовування проводять в холодному стані за допомогою преса з побудуванням діаграми залежнності зу­силля напресовування Рз від глибини Х (рис. 6.7)

Величина натягу при посадці коліс на ось А = До - Дм = 0,1 - 0,25 мм - різ­ниця діаметрів маточини і підматочинної частини осі (рис. 6.7)

Зусилля холодного запресування Рз повинно подолати зусилля деформації осі Р1, маточини Р2 і силу тертя Рт.

Рз = Р1 + Р2 + Рт. (6.19)

де Рт = Щ

при і - коефіцієнті тертя 0,18-0,2 (сталь по сталі),

= q•7г•Дмхі - сумарне зусилля обтискування підматочинної частини осі маточиною,

Е • Т

де q = 1—к - питомий тиск на маточину; А Гз + Гв

/ = —, К =--— коефіцієнти, що враховують геометрію посадки;

Д г2 - г2

Дср - середній діаметр посадки,

Дср=До^2Дм; (6.20)

Е - модуль пружності;

гз, гв - зовнішній і внутрішній радіуси маточини.

 

Хі х=ь Рис. 6.7 - Діаграма запресування колеса на вісь

У міру переміщення колеса по осі Х сила тертя Рт = і(х) зростає прямолі­нійно (ділянка Оа). Різниця ординат кривої Ов і прямої Оа дає величину зусил­ля запресовки, яке необхідне для подолання сил опору Р1 і Р2. Максимальної величини воно досягає в середині запресовки, оскільки в цьому місці попе­речний переріз маточини підсилено диском колеса. Після повного напресуван-

52ня маточини на підматочинну частину осі, коли х = L, силу Рт перетворюють в постійну величину і для подальшого переміщення колеса потрібно подолати тільки сили від деформації осі Рі. При цьому сумарна сила запресовки буде по­стійною і дорівнювати Ртах. Остаточна величина посадочного тиску характери­зує міцність пресової посадки від провертання колеса на осі.

Для розрахунку необхідної величини Ртах використовують рівняння моме­нтів:

P    ■ Д        F    ■ Д

max    гЛо _n ^    max    " к . (6 21)

2     ~   '     2 ' де n = 6 - коефіцієнт, що враховує запас на ослаблення міцності посадки. Fmax - максимальна сила тяги на одне колесо, До - діаметр посадочної поверхні осі, Дк - діаметр колеса.

Враховуючи Ртах за умови міцності маточини і колісного центру розрахо­вують її довжину і величину натягу.

З характеру кривої можна відстежити якість посадки. Наприклад, крива ІІ характеризує конічність поверхні маточини і осі одного напрямку, а ІІІ - про­тилежного. Те і інше - не припустиме.