Результат интеллектуальной деятельности: ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЕ КОЛЕСО

Изобретение относится к железнодорожному транспорту и, в частности, к конструкции стального железнодорожного колеса с криволинейным диском, полученного механической обработкой, ковкой, штамповкой или литьем.

Известно железнодорожное колесо, содержащее ступицу с осевым отверстием, обод, концентричный с осевым отверстием ступицы, и криволинейный диск, расположенный радиально от ступицы к ободу и выполненный с постоянной толщиной, диск сопряжён внутренней и наружной поверхностями со ступицей и с ободом галтелями, которые образованы с постепенно изменяющимся радиусом кривизны и в предпочтительной форме реализации являются параболическими кривыми (см. US 3038755, опубл. 12.06.1962).

Известно также железнодорожное колесо, содержащее ступицу с осевым отверстием, обод, концентричный с осевым отверстием ступицы, и криволинейный диск, расположенный радиально от ступицы к ободу и выполненный, в основном, с одинаковой толщиной, составляющей между ступицей и ободом от 1,59 от 2,86 см, диск сопряжён внутренней и наружной поверхностями со ступицей и с ободом галтелями, которые образованы радиусными кривыми разной величины (см. US 5333926 А, опубл. 02.08.1994; RU 2116204 С1, опубл. 27.07.1998). Данное техническое решение принято за наиболее близкий аналог.

Техническая проблема, которая не решается при использовании известных железнодорожных колёс, заключается в возникновении и накоплении остаточных напряжений и деформаций, которые могут приводить к усталостным трещинам, в зонах перехода диска в ступицу с одной стороны и в обод с другой стороны по причине наличия в этих зонах изменений радиуса кривизны. В конструкциях железнодорожных колёс по патентам-аналогам указанные изменения радиусов кривизны минимизированы за счёт криволинейной формы поперечного сечения диска и выполнения плавных переходных зон, в частности, в виде параболической кривой. Вместе с тем, при изготовлении диска в основном одинаковой толщины не удаётся избежать точек перехода прямых участков диска в криволинейные участки галтелей, где вследствие воздействия механических и термических нагрузок возникают повышенные остаточные напряжения.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение прочности железнодорожного колеса, увеличение изгибной жёсткости колеса в части диска при сохранении упругости колеса.

Для достижения технического результата в железнодорожном колесе, состоящем из ступицы с осевым отверстием, обода, расположенного концентрично осевому отверстию ступицы, и криволинейного диска, расположенного радиально от ступицы к ободу и сопряжённого внутренней и наружной поверхностями со ступицей и с ободом галтелями, предлагается выполнять диск с увеличением толщины от наименьшего значения толщины Sср на среднем участке диска до наибольших значений толщины Sст и Sоб в местах сопряжения диска со ступицей и ободом, расположенных в наиболее напряжённых зонах на расстояниях Rст и Rоб относительно оси колеса, при этом средний участок диска выполнен с постоянной толщиной Sср и с расположением его внутренней и наружной границ на расстояниях Rср.в и Rср.н относительно оси колеса.

В конкретных формах реализации железнодорожное колесо имеет диаметр D круга катания колеса, равный 957±7 мм.

В конкретных формах реализации железнодорожного колеса средний участок диска выполнен толщиной Sср в пределах от 18 мм до 26 мм.

В конкретных формах реализации железнодорожного колеса внутренняя граница среднего участка диска расположена на расстоянии Rср.в. от оси колеса, составляющем 270 мм, наружная граница – на расстоянии Rср.н. от оси колеса, составляющем 316 мм.

В конкретных формах реализации железнодорожного колеса в месте сопряжения диска со ступицей, расположенном на расстоянии Rст, составляющем 190 мм, диск выполнен с наибольшим значением толщины Sст, составляющем от 26 мм до 46 мм.

В конкретных формах реализации железнодорожного колеса в месте сопряжения диска с ободом, расположенном на расстоянии Rоб, составляющем 360 мм, диск выполнен с наибольшим значением толщины Sоб, составляющем от 26 мм до 46 мм.

Изобретение поясняется графическими материалами, где представлено:

на фиг. 1 – железнодорожное колесо с предлагаемой конструкцией криволинейного диска переменной толщины, радиальное сечение, проходящее через ось вращения колеса;

на фиг. 2 – схема закрепления железнодорожного колеса и приложения нагрузки при определении предела усталости и выносливости диска, граничные условия;

на фиг. 3 – диаграмма распределения напряжений в железнодорожном колесе на фиг. 1 переменной толщины от 22 до 45 мм при граничных условиях на фиг. 2, радиальное сечение, проходящее через ось вращения колеса;

на фиг. 4 – то же самое, вид колеса справа;

на фиг. 5 – то же самое, вид колеса слева;

на фиг. 6 – диаграмма распределения напряжений в железнодорожном колесе с конструкцией диска постоянной толщины 22 мм при граничных условиях на фиг.2, поперечное сечение колеса;

на фиг. 7 – то же самое, вид колеса справа;

на фиг. 8 – то же самое, вид колеса слева;

на фиг. 9 – диаграмма распределения напряжений в деформированном состоянии железнодорожного колеса на фиг. 1 переменной толщины от 22 до 45 мм при граничных условиях на фиг.2, радиальное сечение, проходящее через ось вращения колеса;

на фиг. 10 – диаграмма распределения напряжений в деформированном состоянии железнодорожного колеса с конструкцией диска постоянной толщины 22 мм при граничных условиях на фиг.2, радиальное сечение, проходящее через ось вращения колеса.

Железнодорожное колесо (фиг. 1) имеет номинальный диаметр D круга катания колеса, равный 957 мм, и состоит из ступицы 1 с осевым отверстием 1.1 и осью О-О, обода 2, расположенного концентрично осевому отверстию 1.1 ступицы 1, и диска 3 криволинейного радиального поперечного сечения переменной толщины S, расположенного радиально от ступицы 1 к ободу 2. Диск 3 плавно сопряжён со ступицей 1 и ободом 2 внутренней 3.1 и наружной 3.2 поверхностями посредством внутренних галтелей 4, 5 и наружных галтелей 6, 7, описанных каждая по отдельности радиусами разной величины.

Диск 3 выполнен толщиной Sср на своём среднем участке, толщиной Sст в наиболее напряжённой зоне в месте сопряжения диска 3 со ступицей 1 и толщиной Sоб в наиболее напряжённой зоне в месте сопряжения диска 3 с ободом 2, при этом значение толщины Sср составляет от 18 мм до 26 мм, а значение толщины Sст и толщины Sоб – от 26 мм до 46 мм.

Средний участок диска 3 ограничен внутренней и наружной границами, расположенными, соответственно, на расстояниях Rср.в и Rср.н относительно оси О-О колеса, при этом значение расстояния Rср.в составляет 270 мм, значение расстояния Rср.н составляет 316 мм. Наиболее напряжённая зона железнодорожного колеса со стороны ступицы 1 находится в месте сопряжения диска 3 со ступицей 1 на расстоянии Rст, составляющем 190 мм. Наиболее напряжённая зона железнодорожного колеса со стороны обода 2 находится в месте сопряжения диска 3 с ободом 2 на расстоянии Rоб, составляющем 360 мм.

Для исследования предела усталости и выносливости диска железнодорожное колесо закрепляют (фиг. 2) и осуществляют приложение нагрузки в соответствии с типовой методикой испытаний ТМ 37-16-10 «Колеса цельнокатаные. Определение предела усталости выносливости диска».

Сравнение распределения напряжений в железнодорожном колесе предлагаемой конструкции с переменной толщиной диска (фиг. 3, 4, 5) и в железнодорожном колесе с постоянной толщиной диска (фиг. 6, 7, 8) показывает, что при увеличении толщины диска 3 в зонах перехода диска в ступицу и диска в обод снижается концентрация напряжений в указанных зонах. Напряжения в железнодорожном колесе предлагаемой конструкции более равномерно распределяются радиально по поверхности диска, в следствии чего снижается остаточная деформация диска.

Кроме того, в сравнении с железнодорожным колесом с постоянной толщиной диска в деформированном состоянии (фиг. 10) в железнодорожном колесе предлагаемой конструкции увеличилась изгибная жёсткость колеса как в радиальном, так и в осевом направлении, выражаемая в уменьшении возможности диска и колеса в целом испытывать деформацию изгиба (фиг. 9).

За счёт того, что диск предлагаемого железнодорожного колеса выполнен с криволинейным радиальным сечением, проходящим через ось вращения колеса, и с увеличенной толщиной в зонах соединения диска со ступицей и ободом, достигается повышение прочности железнодорожного колеса, увеличение его изгибной жёсткости в радиальном и осевом направлениях при сохранении достаточной упругости железнодорожного колеса.