VI.3. Колесные пары и буксы

Колесные пары тепловоза воспринимают и передают на рельсы массу кузова и тележек со всем оборудованием, а также собственную массу с деталями, смонтированными непосредственно на колесных парах (неподрессоренную). При движении тепловоза каждая колесная пара, взаимодействуя с рельсовой колеей, воспринимает удары от неровностей пути и направляющих сил и в свою очередь сама жестко воздействует на путь. Кроме того, колесной парой передается вращающий момент тягового электродвигателя, а в месте контакта колес с рельсами реализуется сила тяги и торможения. Величина и характер воздействия статических и динамических сил зависят от условий движения и состояния рельсового пути, конструкции и параметров ходовой экипажной части тепловоза.

Таким образом, колесная пара является одним из ответственных узлов ходовой экипажной части, от состояния которой зависит безопасность движения поездов. В связи с этим к выбору материала, изготовлению отдельных элементов и формированию колесной пары предъявляются особые требования. В условиях эксплуатации за состоянием колесных пар необходимы тщательный уход, своевременные осмотры и ремонт. Унифицированная колесная пара имеет ось, изготовляемую из осевой стали. На оси имеются: буксовые шейки для установки подшипников букс; нредподступичные части; гюдступичные части, на которые напрессовывают колесные центры и зубчатое колесо; шейки моторно-осевых подшипников; среднюю часть. Все переходы с одного диаметра оси на другой во избежание концентрации напряжений выполняют плавными переходными галтелями радиусом 20 60 мм. Подступичные части и шейки оси упрочняют накаткой стальными роликами при усилил на ролик 30 40 кН (3- 4 тс), создавая тем самым в поверхностном слое высокие остаточные напряжения сжатия, которые в 1,5 2 раза повышают предел выносливости оси в зонах неподвижных посадок и делают ось менее чувствительной к концентрации напряжений. Глубина упрочненного слоя после накатки достигает 6-7мм, поверхностная твердость металла повышается на 25 30 °/о. Шейки осей накатывают сферическими роликами, затем шлифуют или подвергают обработке цилиндрическим роликом для сглаживания поверхности. На концах оси выполнены: кольцевая канавка для установки стопорного кольца, предохраняющего внутреннее кольцо роликового буксового подшипника от сползания с шейки; проточка, на которую напрессовывается кольцо подшипника осевого упора буксы. В торцах оси выполнены центровые отверстия нормативных размеров, позволяющие в процессе эксплуатации производить обточку колес для восстановления профиля бандажей колесных пар и устанавливать вкладыши-втулки привода скоростемера, датчиков электродинамического тормоза и гребнесмазывателей. На пояске торца оси наносят знаки: дата и номер завода-изготовителя, номер плавки, порядковый номер оси, клейма ОТК и приемщика МПС.

Зубчатое колесо тягового привода насаживают на ось в нагретом состоянии до температуры ступицы не более 443 К (170"С)с натягом 0,16—0,22мм. Для предупреждения коррозии посадочных поверхностей их покрывают лаком марки ВД4-3 или ГЭН-150.

Оси колесных пар под тяговые электродвигатели ЭД-118Б, ЭД-125Б с циркуляционной системой смазки осевого подшипника в средней части имеют утолщение для крепления венца зубчатого колеса привода насоса смазки. Шейки оси под осевые подшипники двигателей выполнены диаметром 210мм вместо 215мм для ЭД-118А. На выходах шеек напрессовывают лабиринтные кольца уплотнения циркуляционной системы смазки.

Колесные центры унифицированной колесной пары изготовлены из стальной отливки и состоят из ступицы, обода и диска. Отлитые центры для получения однородной и мелкозернистой структуры металла и снятия внутренних напряжений подвергают отжигу. Колесные центры напрессовывают на ось с усилием 1100—1500 кН (ПО— 150 тс) при насаженных и 950—1400 кН (95—140 тс) при ненасаженных бандажах. Натяг между посадочными поверхностями составляет 0,18— 0,3 мм. Действительный натяг и качество прессового соединения определяют по диаграмме усилий, снимаемой при запрессовке. Диаграмму прикладывают к паспорту каждой колесной пары.

Катаные колесные центры применяют как опытные. Их также подвергают термической обработке. Применение катаных колесных центров позволяет снизить массу (неподрессоренную) до 45 кг на каждом центре и уменьшить динамическое воздействие на рельсовый путь.

Бандажи являются той частью колес, которая непосредственно взаимодействует с рельсами. На контактную площадку бандажа передаются вертикальные силы до 150 кН (15 тс), продольные силы сцепления до 45 кН (4,5 тс) и поперечные — до 30 кН (3 тс) на поверхности катания и до 80 кН (8 тс) на гребень. Материал бандажа подвергается растяжению, сжатию, сдвигу и смятию, а при скольжении колес усиленному износу. В связи с этим материал бандажа должен обладать высокой прочностью, чтобы сопротивляться износу и смятию, и быть достаточно вязким, чтобы сопротивляться ударным нагрузкам. Бандажи подвергают термической обработке путем закалки и последующего отпуска. На наружные диаметры колесных центров насаживают бандажи с натягом 1,1 — 1,45мм тепловым способом. Температура нагрева бандажа 523-593 К (250—320°С). Разность температур различных участков бандажа при нагреве не должна превышать 323 К (50°С). Бандажи на колесных центрах закрепляют бандажными кольцами. Бандажные кольца заводят в специальную выточку, когда температура бандажа не ниже 473 К (200° С), и закатывают роликом на специальном станке внутреннюю кромку бандажа до плотного крепления кольца. На собранной колесной паре разность твердостей бандажей не должна превышать НВ20.

После остывания проверяют (по звуку) плотность посадки бандажа на колесный центр. Для контроля отсутствия проворачивания бандажей колесной пары относительно колесных центров при эксплуатации тепловоза на бандажах и колесных центрах наносят контрольные риски и кернение. Окончательная обточка бандажей по профилю производится после их насадки.

Для обеспечения безопасности движения и стабильных качеств ходовой части тепловоза предельный прокат поверхности катания не должен превышать 7 мм, износ гребня — 8 мм (толщина 25 мм) и минимальная толщина бандажей колесных пар по кругу катания — 36 мм. Интенсивность образования проката характеризуется износом в мм на 10⁴ км пробега тепловоза и зависит от степени использования мощности, профиля пути, нагрузки от колесной пары на рельсы и других факторов.

Опыт эксплуатации показал, что интенсивность проката колес тепловозов для среднесетевых условий составляет 0,38 мм на 10⁴ км пробега. Интенсивность износа гребня при протяженности кривых на участке эксплуатации около 50 % составляет 0,8 мм на 10⁴ км пробега. Это вызывает необходимость преждевременной обточки колес для восстановления профиля бандажей по износу гребней. Толщина слоя снимаемого металла, определяемая по износу гребня, значительно больше, чем это требуется для восстановления профиля поверхности катания. Срок службы бандажей сокращается.

С целью уменьшения износа гребней бандажей и увеличения срока их службы ВНИИЖТом предложен новый объединенный профиль локомотивов и вагонов. Объединенный профиль снижает давление в контакте и обеспечивает относительно свободное поперечное перемещение колесной пары в колее. Угол наклона образующей гребня к горизонту составляет 65°. Радиус выкружки гребня 15 мм, согласованный с радиусом скругления рельсовой головки, обеспечивает наименьшее контактное давление на выкружке гребня.

Испытания показали, что бандажи с объединенным профилем будут иметь меньший на 20—30 % износ гребней по сравнению со стандартным. Износ по кругу катания остается на уровне стандартного профиля.

Буксы передают вертикальные и горизонтальные (тяги и торможения, поперечные от набегания на рельс) силы между рамой тележки и колесными парами. Кроме того, буксы ограничивают продольные и поперечные перемещения колесной пары относительно рамы тележки. Вертикальные статические нагрузки на буксы достигают 100—ПО кН (10—11 тс), а при движении тепловоза они возрастают в 1,3—1,5 раза. Одновременно на буксовые узлы действуют продольные тяговые и тормозные усилия около 20—25 кН (2—2,5 тс), удары колес на стыках, вызывающие ускорения букс (7—25§), и рамные усилия до 50—75 кН (5—7,5 тс) при частоте осевого нагружения 1,5—2,0 Гц. Совокупностью этих действующих сил определяется конструкция буксового узла, которая должна обеспечивать прежде всего безопасность движения, эксплуатационную долговечность подшипников не менее 1,8 млн. км пробега.

Конструкция буксового узла показана на рис. 87. Корпус 9 буксы с двумя кососимметрично расположенными поводками 2 соединен с рамой тележки. Соединение валиков поводков с корпусом буксы и рамой тележки производится посредством клиновых соединений и болтами 1. Литой корпус буксы имеет также и два боковых опорных кронштейна (крыла) для установки пружин рессорного подвешивания тележки и восприятия вертикальной нагрузки. В цилиндрическую расточку корпуса буксы до упора в заднюю крышку 6 установлены по скользящей посадке два роликовых подшипника и между ними дистанционное кольцо 10. С целью повышения срока службы подшипники устанавливают в одном буксовом узле с разностью радиальных зазоров не более 0,03 мм. Кроме того, потолок корпуса буксы выполнен в виде свода переменного сечения увеличенной толщины верхней части, что дает не только более равномерное распределение нагрузки между роликами, но и увеличение числа роликов, находящихся в рабочей зоне. На предподступичную часть оси до упора в галтель надето с натягом лабиринтное кольцо 3. Температура нагрева кольца 393—423 К (120—150° С). Лабиринтное кольцо образует с задней крышкой 6 четырехкамерное лабиринтное уплотнение буксы. Внутренние кольца подшипников имеют натяг 0,035—0,065 мм и насажены на шейку оси вместе с дистанционным кольцом 11 нагретыми в индустриальном масле до температуры 373—393 К (100—120 °С). Для предотвращения сползания с шейки оси внутренних колец роликоподшипников служит стопорное кольцо 12.

В передней крышке 17 монтируется осевой упор качения одностороннего действия через упорный шарикоподшипник, одно кольцо которого установлено на торцовой проточке оси, а другое — на упоре 19 с натягами 0,003—0,016 мм. В целях предотвращения раскрытия упорного подшипника он постоянно через упор 19 пружиной 18 прижимается с усилием около 2 кН (200 кгс) к торцу оси колесной пары. Осевой упор удерживается стопорным кольцом 14 в крышке 17 при ее снятии. Между упором и крышкой установлен амортизатор 16, представляющий собой две металлические пластины толщиной 2 мм с привулканизированным между ними резиновым элементом. В буксах средних колесных пар амортизатор не ставится, обеспечивая тем самым свободный осевой разбег ±14 мм (равный толщине амортизатора) этих колесных пар в буксах. На передней крышке приварен кронштейн 13 для присоединения гасителя колебаний.

Для того чтобы отличать буксы колесных пар от букс средних колесных пар, на крышках букс наносятся знаки «КР» для крайних и «СР» для средних. На задней крышке установлен стопорный болт 4, предотвращающий сползание буксы с шейки оси при снятой с тепловоза колесной паре.

Смазка для буксового узла единая пластичная. При сборке буксы закладывают смазку ЖРО в лабиринтное уплотнение задней крышки, подшипники и осевой упор передней крышки в количестве 2,5 кг. Дозаправка смазки в буксовый узел в процессе эксплуатации производится запрессовкой через отверстие с конической пробкой 23, расположенное в нижней части корпуса буксы.

Поводок буксы (рис. 88) состоит из корпуса 7 с двумя головками, имеющими цилиндрические расточки, в которые запрессованы с натягом 0,06......0,16 мм амортизаторы, сформированные один на коротком, другой на длинном валике. Короткий валик 8 (буксовый) имеет одну резинометаллическую втулку 12. Длинный валик 5 (рамный) имеет две резинометаллические втулки 3, между которыми помещены разделяющие их полукольца 1.

Амортизаторы формируют на. валики напрессовкой. Перед напрессовкой резиновые втулки и все соприкасающиеся с ними поверхности смазывают смесью, состоящей из 30 % касторового масла и 70 % этилового спирта. Сформированные поводки выдерживают в течение 20 дней при температуре 288—293 К (15—30° С) без доступа света и приложения нагрузки для завершения релаксационного процесса сцепления резины с металлом.

Валики имеют трапециевидные (клиновидные) хвостовики для установки их в соответствующие пазы на раме тележки и корпусе буксы. Крепятся хвостовики болтами М20х80, момент затяжки не менее 150 Н • м (15 кгс • м). На хвостовики валиков установлены с натягом торцовые амортизаторы, состоящие из кольца 9, шайбы 11 и привулканизированного к ним резинового элемента 10, и крепятся с помощью разрезных полуколец 6, вставляемых в выточки валиков. С поводками они соединяются штифтами 4, вследствие чего при повороте поводка в вертикальной плоскости резиновые элементы торцовых амортизаторов работают на сдвиг. Клиновидные хвостовики длинного и короткого валиков у верхних поводков имеют встречное направление, у нижних — попутное.

Коэффициент жесткости поводков одной буксы в поперечном направлении составляет 35 • 10⁵—45 • 10⁵ Н/м (350—450 кгс/мм), а в продольном — 235 • 10⁵—275 • 10⁵ Н/м (2350—2750 кгс/мм). Такая упругая поперечная связь между колесными парами и рамой тележки да еще в сочетании с буксовым осевым упором одностороннего действия значительно улучшает горизонтальную динамику тепловоза.