3. Статистика дефектов колесных пар
Материал, конструкция, основные размеры и требования к обрабатываемым поверхностям (шероховатость, отклонения формы, расположения и др.) приведены в соответствующих стандартах: ГОСТ 4008-79, ГОСТ 4728-79 и др.
Безопасность движения подвижного состава в большой степени зависит от надежности колесной пары, которая характеризуется безотказной работой в сложных условиях эксплуатации. Надежность определяется параметрами колесной пары и ее напряженным состоянием, возникающим под влиянием действующих нагрузок, которые приводят к появлению дефектов. На колесную пару воздействуют внешние переменные статические и динамические нагрузки и постоянно действующие силы, обусловленные посадками с натягом колес на подступичные части и посадками роликовых подшипников на шейки осей.
Во время движения колесная пара нагружается пространственной системой сил, изменяющихся по величине и времени. Основная составляющая сил – вертикальная нагрузка на шейки оси – зависит от массы брутто вагона. Статическая нагрузка на ось составляет в среднем 180...220 кН (18...20 тс) и может доходить до 240...270 кН (25...27 тс). При вписывании вагона в кривую на колесную пару действует центробежная сила от боковин тележки, которая достигает 50 кН (5 тс). Дополнительно на колесную пару воздействует ветровая нагрузка с удельным давлением ветра на боковую стенку вагона до 500 Н/м2 (50 кгс/м2). В результате извилистого движения колесной пары в рельсовой колее в местах контакта колес с рельсами возникают силы трения, вызывающие изгиб колес. По данным ВНИИЖТа, при движении четырехосного груженого полувагона грузоподъемностью 600 кН (60 тс) со скоростью 60...80 км/ч сила трения, изгибающая колеса в наружную сторону, достигает 50 кН (5 тс). Силы, возникающие при торможении в результате трения между колодками и колесами, дополнительно нагружают осевые шейки от 20 до 60 кН (2...6 те), а также создают крутящий момент, стремящийся повернуть колесо на оси.
Цикл эксплуатационного нагружения колесной пары характеризуется периодическим резким скачком амплитудных напряжений в ее элементах при прохождении стыков, крестовин и неровностей на рельсах, а также при воздействии неровностей на поверхность катания колес.
Исследуя динамику движения колеса с ползуном, например, глубиной 2 мм, H.Н. Кудрявцев установил, что динамическое воздействие на рельс от ползуна составляет 450 кН (45 тс), что намного превышает статическую нагрузку от колеса на рельс.
Большое влияние на условия работы колесных пар оказывают возрастающие скорости движения поездов. Увеличение скоростей приводит к динамическим перегрузкам колесных пар и появлению высокочастотных колебаний на участках с большой жесткостью пути. В зимних условиях силы взаимодействия пути и подвижного состава особенно возрастают.
Комплекс вертикальных, горизонтальных, боковых и тормозных сил, действующих на колесную пару, вызывает сложное напряженное состояние оси и колес. Наиболее напряженными сечениями оси являются подступичные части, на которые напрессовываются ступицы колес, а также шейки в местах запрессовки роликовых подшипников. Напряженное состояние материала в зоне запрессовок определяется объемным характером в результате действия изгибающего момента, воспринимаемого осью, сил контактного давления от ступицы колеса и сил трения вследствие явлений сдвига при запрессовке колеса на ось. Контактные давления, а также напряжения от изгибающего момента распределяются по длине подступичной части неравномерно, концентрируясь вблизи торцов ступицы. На знакопеременные напряжения, действующие в оси от внешней нагрузки, накладываются остаточные напряжения от технологической обработки и от запрессовки в зоне сечений, ограничивающих посадку с натягом. Высокая эксплуатационная напряженность осей приводит к образованию различных дефектов чаще всего усталостного происхождения.
Контактные давления от запрессовки вызывают напряженное состояние ступицы, а внешние боковые и торцовые нагрузки создают напряжения в диске колеса. Особенно в сложных условиях работает колесо в зоне его контакта с рельсом. Под действием вертикальных сил в зоне контакта возникают большие удельные давления, вызывающие объемно напряженное состояние металла. В процессе торможения на верхние слои металла поверхности катания колеса действуют большие касательные усилия и циклические температурные нагрузки, возникающие от нагрева поверхности обода при контакте с тормозной колодкой или с рельсом при интенсивном проскальзывании колеса по нему. Высокий нагрев верхних слоев и быстрое охлаждение их при выходе из зоны контакта приводит к структурным изменениям металла на поверхности катания колеса. Нормальные и касательные усилия, температурные нагрузки, структурные превращения, которым подвергается каждый участок поверхности катания колеса с большой частотой циклов, вызывают износ, пластические деформации и различные виды контактно-усталостных повреждений.
Образование дефектов и скорость нарастания износов колесных пар зависит от многих факторов: условий эксплуатации, химического состава и механических свойств осевой и колесной стали, характеристик рельсов и тормозных колодок, размеров колесной пары, качества формирования и ее ремонта, содержания ходовых частей вагона, времени года и климатических условий.
На практике встречается более 60 видов дефектов колесных пар. Они возникают под влиянием различных факторов, и от них прямо или косвенно зависит безопасность движения. Поэтому колесные пары, у которых дефекты превышают установленные нормы, подвергаются ремонту или исключаются из инвентаря.
Известны попытки привести в систему и классифицировать дефекты колесных пар. Первая классификация дефектов колесных пар была предложена в 1966 г. А.Е. Цикуновым, а позднее, в 1968 г., М.М. Машнев разработал классификацию дефектов ободов колес. В 1977 г. ВНИИЖТ разработал классификатор дефектов ИТМ1-В, который утвержден МПС и применяется как официальный документ на практике для регистрации номеров неисправностей при ремонте колесных пар. Однако известные классификации или не отражают всей совокупности дефектов колесных пар, или не систематизируют их по главным признакам, характеризующим сущность дефектов.
Позднее с учетом предыдущего опыта была разработана новая классификация [2], представляющая собой иерархическую структуру распределения дефектов в соответствии с природой их происхождения. Она позволила обобщить данные о различных по своей природе дефектах и систематизировать их. На основе такой классификации могут быть разработаны мероприятия, направленные на повышение надежности и сохранности колесных пар, на лучшее планирование и организацию ремонта, на разработку норм сменяемости элементов колесных пар. В предложенной классификации колесная пара рассматривается как единый объект, и в самих названиях дефектов заложена принадлежность их к колесу, к оси или к колесной паре в сборе.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.