Колесная пара

ВВЕДЕНИЕ

Одним из важнейших факторов роста эффективности производства является улучшение качества выпускаемой  продукции. 
Повышение качества выпускаемой продукции расценивается в настоящее время, как решающее условие её конкурентоспособности на внутреннем и внешнем рынках. Конкурентоспособность продукции во многом определяет престиж страны и является решающим фактором увеличения её национального богатства.

Качество понятие многоплановое, обеспечение его требует объединение  творческого потенциала и практического  опыта многих специалистов. Проблема повышения качества может быть решена только при совместных усилиях государства, республиканских органов управления, руководителей и членов трудовых коллективов предприятий. Важную роль в решении этой проблемы играют потребители, диктующие свои требования и запросы  производителям товаров и услуг.

Качество – одна из фундаментальных  категорий, определяющих образ жизни, социальную и экономическую основу для развития человека и общества. Проблема качества не может быть решена без участия ученых. Качество является важным инструментом в борьбе за рынки  и определяется действием многих случайных, местных и субъективных факторов. 
Колесные пары — наиболее ответственные узлы вагонов, от их исправного состояния во многом зависит безопасность движения поездов и работоспособность вагона. Поэтому определение уровня их качества является очень важной задачей. Испытание, контроль и безопасность колесных пар является одним из важнейших факторов в определении уровня конкурентоспособности предприятий. Качество - это совокупность характеристик колесных пар, определяющих способность удовлетворять установленные и предполагаемые потребности.

Все вышеприведенные факторы  обуславливают актуальность и значимость тематики работы на современном этапе, направленной на глубокое и всестороннее изучение качества колесных пар. Объект исследования - колесные пары, предметом  исследования выступает испытания  и контроль производства колесных пар. 
Цель данной курсовой работы - рассмотреть методы контроля производства колесных пар и изучить основные проблемы в достижении их качества. 
Актуальность данной темы заключается в том, что повышая уровень качества производимых колесных пар, предприятия создают высокую конкурентоспособную экономику в этой сфере.

Качество колесных пар  зависит от многих факторов. Факторы, непосредственно влияющие на качество при изготовлении колесных пар: 
качество исходного сырья, материалов, комплектующих деталей; 
конструкция, включая дизайн, качество проектирования и моделирования; 
качество технологических процессов, включая качество научно-технической документации, оборудования, качество труда работников.

1. НАЗНАЧЕНИЕ, ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ КОЛЕСНЫХ ПАР

Колёсная пара — основной элемент ходовой части транспортного средства. Термин применяется, как правило, по отношению к рельсовому транспорту.

Колёсные пары в подавляющем  большинстве являются глухими, то есть оба колеса жёстко насажены на цельную ось. Такая конструкция фактически из одной детали отличается высокой надёжностью. Пробег колёсных пар локомотивов с колёсами бандажного типа может достигать нескольких миллионов км при нагрузке 20–25 тс при сменных бандажах.

Вписывание в кривые больших  радиусов (порядка 500 м и более) осуществляется за счёт разности диаметров колёс  по окружностям катания, возникающей  при смещении колёсной пары поперёк  пути. Эта разность обусловлена тем, что поверхность катания колёс (профиль колеса) — не цилиндрическая, а коническая: радиус обода колеса с внешней стороны меньше, чем с внутренней.

Например: при входе поезда в левый поворот колесная пара смещается (накатывается на колею) вправо →, следовательно: ↓уменьшается↓ радиус катания левого колеса, а правого – ↑увеличивается↑. Отсюда правое колесо как бы обгоняет левое. В этом случае и при вписывании в пологие кривые (с радиусом более 800 метров) обеспечивается устойчивое движение колёс подвижного состава в пути, не сопровождающееся интенсивным изнашиванием колёс и рельсов. В крутых кривых колёсная пара направляется силами, возникающими в контакте внутренней боковой поверхности рельса и гребнем наружного колеса. Силы, действующие в контакте колеса и рельса и направляющие движение подвижного состава, называются силами крипа (от англ. creep – ползти). Они обусловлены тем, что материалы колеса и рельса не есть абсолютно твёрдые тела, а являются упруго-пластическими телами. В контакте наблюдаются микродеформации рельса и колеса, это определяет постепенное нарастание силы крипа с ростом относительного проскальзывания колеса по рельсу. Для поддержания профиля ж.д. колёс, обеспечивающих нормальное движение, применяется обточка колёс, а в случае бандажных колёс – и смена бандажей.Основной геометрический параметр колёсной пары – это расстояние между внутренними поверхностями гребней колёс колёсной пары. Для российских дорог это расстояние равно 1440 мм с допусками ±3 мм (для колеи шириной 1520 и 1524 мм) и 990 мм с допусками ±3 мм (для колеи шириной 1067 мм).

Область применения.

Вагонная  колёсная пара

Колёсная пара вагонной тележки  воспринимает нагрузку от вагона и служит для направления движения вагона по рельсам. Колёсная пара состоит из цельнокатаных колёс, напрессованных на ось. На наружные концы оси через буксы и рессоры опирается рама тележки.Цельнокатаное вагонное колесо состоит из ступицы, диска и обода. У обода, обращённого внутрь колеи, имеется выступ, называемый гребнем или ребо́рдой. Гребень предохраняет колёсную пару от выхода из пределов колеи.

Некоторые типы вагонов используют дисковые тормоза + МРТ(магнитно-рельсовый тормоз). Колёсные пары таких вагонов оборудованы тормозными дисками. На ось между колёсами напрессовываются два (четыре поверхности трения) или три (шесть поверхностей трения) тормозных диска

Локомотивная  колёсная пара

Локомотивная колёсная пара, кроме функций, выполняемых колёсной парой вагона, должна обеспечивать реализацию силы тяги локомотива. Для этого колёсная пара имеет зубчатое колесо, через которое передаётся крутящий момент от тягового электродвигателя или гидропередачи.Колёсные пары локомотивов как правило выполняются с бандажом. При износе профиля колеса по кругу катания и по выкружке гребня производится обточка колеса на токарном или токарно-фрезерном станке. После проведения нескольких обточек (от 3 до 5) бандаж колеса достигает минимальной величины, нормируемой по условиям прочности. Бандаж срезается и заменяется новым. Тем самым продлевается срок службы колёсной пары.

Конструкция

Локомотивной  колёсной пары

Состоит из:

• ось;
• колёсный центр;
• бандаж;
• зубчатое колесо.

Вагонной  колёсной пары

Состоит из:

• ось;
• цельнокатанное колесо.
• бандажное колесо

Основные повреждения  и износы колеса.

Вагонная  колёсная пара

1. Трещина. Не допускается ни в какой части колёсной пары.
2. Навар — смещение металла на поверхности катания (не более 0,5 мм)
3. Ползун — площадка на поверхности катания, образовавшаяся в результате юза.
4. Прокат — контактирующая поверхность колеса по кругу катания с головкой рельсы. Износ по прокату допускается:
• в скорых поездах (свыше 120 км/ч) — до 5 мм
• в дальних поездах (до 120 км/ч) — до 7 мм
• в пригородных и местных — до 8 мм
• в грузовых — до 9 мм

5. Вертикальный подрез гребня. Прогрессивно образуется в результате некачественной:
• сборки тележки;
• либо обточки (нарушение допустимых геометрических параметров колёсной пары);
• либо сборки дорожной клети и укладки дорожного полотна с нарушением угловых скоростей на участках дороги, где движения поезда ограничивается (нарушается) по скорости при прохождении поезда в кривые (см. выше колёсная пара).

Вертикальный  подрез гребня — допуски и способы  ремонта

Измеряется вертикальный подрез гребня шаблоном на расстоянии 18 мм (20 мм локомотивы) от основания  гребня. Рабочая толщина гребня должна быть 25-33 мм для вагонов, 23–33 мм для  локомотивов. Если толщина гребня достигает  минимального значения колёсную пару бракуют, или отправляют на ремонт где  производят восстановление — наплавку (+обточка) полуавтоматической сварочной  установкой (при скорости движения поезда до 60 км/ч) изношенной (как правило внутренней) части гребня+обточка на специализированном станке КЖ20, КЖ20ТФ1, 1836, либо формируют (прессуют и обтачивают) новую колесную пару с соблюдением геометрических размеров (меняют: вагоны — колёса (цельнокатанные), оси; локомотивы — колёсные центра, оси, бандажи, зубчатые колеса — при скорости движения поезда до 180 км/ч).

Классификация колесных пар.

Колёсная пара (рисунок 1) состоит из оси 1 и двух укрепленных на ней колёс 2. Типы, основные размеры и технические условия на изготовление вагонных колёсных пар определены Государственными стандартами, а содержание и ремонт «Правилами технической эксплуатации железных дорог» (ПТЭ) и «Инструкция по осмотру, освидетельствованию, ремонту и формированию вагонных колесных пар», а также другими нормативными документами при проектировании, изготовлении и содержании. Конструкция и техническое состояние колёсных пар оказывают влияние на плавность хода, величину сил, возникающих при взаимодействии вагона и пути, и сопротивление движению.

1 - ось; 2 - колесо; 3 - шейка; 4 - предподступичная часть; 
5 - подступичная часть; 6 - средняя часть; 7 - нарезная часть

Рисунок 1 - Колесная пара и форма шейки оси.

Тип колёсной пары определяется типом оси и диаметром колес (таблица 1).Согласно ГОСТ 4835-2006 устанавливают пять типов колесных пар с осями типов РУ1Ш и РВ2Ш и колесами диаметром по кругу катания 957 мм в зависимости от типа вагона и максимальной расчетной статической нагрузки от колесной пары на рельсы. 

Таблица 1 - Типы колесных пар вагонов.

2. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОЛЕСНЫХ ПАР 
   

Процесс изготовления колесных включает в себя

• изготовление заготовок осей.
• механическую обработку заготовок осей
• изготовление (прокатку) колес
• механическую обработку колес
• формирование колесных пар

 Технология  изготовления  осей.

Заготовки осей получают свободной  ковкой, радиально-ковочной обработкой или поперечно-винтовой прокаткой. Изготовление заготовок свободной  ковкой на молотах - процесс малопроизводительный. Заготовки имеют большие припуски на обработку, что увеличивает расход металла и повышает трудоемкость последующей механической обработки.

На Нижнетагильском вагоностроительном заводе заготовки получают на радиально-ковочной ротационной машине. Внедрение радиально-ковочной обработки позволяет повысить производительность труда на заготовительных операциях  в 4 - 5 раз, значительно уменьшить  припуск на  обработку. Допуски на размеры заготовки  уменьшаются до ±1 мм. На Днепропетровском  металлургическом комбинате внедрен стан 250  для поперечно-винтовой  прокатки заготовок осей. В настоящее время это один из наиболее производительных и точных способов получения  заготовок осей.

Оборудование для поперечно-винтовой прокатки позволяет получать заготовки, как для сплошных, так и для полых осей.

Заготовки подвергают термообработке (нормализации), очищают от окалины и контролируют. От каждой партии поковок одну заготовку берут для механических испытаний.

Технологический процесс  механической обработки оси определяется ее конструктивными особенностями и зависят от заданного объема выпуска изделий. Механическая обработка осей состоит из следующих основных этапов:

1)   подрезка торцов и зацентровка;

2)   предварительное обтачивание;

3)   получистовое точение;

4)   обработка элементов для крепления роликовых подшипников;

5)   чистовая обработка;

6)   упрочняющая обработка.

Для обработки заготовок  осей применяют специализированное и универсальное оборудование.

Выбор оборудования определяется типом производства. Операции накатывания можно выполнять не токарно-винторезных станках (IA64, IM6З), оснащенных накатными приспособлениями. На ремонтных предприятиях обработки oсей используют также старотипные станки  фирмы "Найльс» мод. AAZ и ASD.

Изготовление  цельнокатаных колес.

Современное производство штампованокатаных колес включает в себя технологические процессы подготовки заготовок, их нагрева, горячей деформации, противофлокеновой, термической и механической обработки, контроля и испытания колес. Для производства заготовок используют стальные отливки, которые раскрашивают на слиткорезательных  машинах. Нарезание  заготовки нагревают,а затем штампуют и прокатывают на колесопрокатном стане. После формообразования заготовки подвергают противофлокеновой и упрочняющей термической обработке (закалка и высокий отпуск).

Для получения заготовок  применяют и секционную штамповку. Исходная заготовка после осадки и прошивке отверстия подается в  трехсекционный штамп, в котором происходит последовательное формообразование ступицы, диска и ободка. Метод секционной штамповки позволяет сократить цикл производства заготовок и получить более точные по размерам и форме заготовки.

Отдельно отобранные заготовки колес подвергают испытанию  на удар. Колесо укладывают на шабот  и производят удар по ступице копровым грузом массой 1 т. с  высоты 6 м. Прогиб диска определяют по смещению ступицы относительно боковой поверхности обода. От каждой партии колес одной плавки отбирают   одну заготовку для проверки микроструктуры и определения механических свойств.

Механической обработке  подвергают поверхность катания, гребень, торцевые поверхности oбoда и ступицы  отверстие ступицы. В технологическом маршруте механическая обработка может предшествовать упрочняющей термообработке.

Выполнение механической обработки после термообработки позволяет устранить искажения  геометрических размеров и формы возникающие в результате термообработки.

Механическую обработку  выполняют на токарно-каруселъных полуавтоматах мод. 1Б502 и 1Д502. Находят применение и станки мод. 1502. Обработку производят за два установа. Вначале на токарно-карусельном полуавтомате мод. 1Б502 выполняют следующие переходы: обтачивания поверхности катания, гребня и внутреннего торца обода, торца ступицы, конусной боковой поверхности ступицы и проточку цилиндрического пояска в месте перехода обода в диск с наружной стороны колеса. Затем на станке мод. 1Д502 обрабатывают торец и конусную поверхность ступицы с внутренней стороны колеса и отверстие ступицы.

Дефекты колесных пар

Вэксплуатация встречается более 60 дефектов колесных пар, поэтому целесообразно эти дефекты классифицировать.

Все дефекты можно разделить на пять классов:

1)  предельный износ;

2) повреждение;

3) нарушение оплошности  металла;

4) разрушение;

5) нарушение геометрического  параметра.

Величина и форма  износа зависят от условий трения, состояния пути, свойств металла и других факторов. Изнашиванию подвергаются поверхность катания и шейки оси. По кругу катания износ может быть круговым или локальный.

Равномерный круговой износ происходит вследствие смятия на площадке контакта и истирания металла под действием сил трения, возникающих при торможении и проскальзывании (боксовании) локомотивных колесных пар. Превалирующими является износ от проскальзывания колеса по рельсу или тормозной колодки по ободу. Поверхность катания наклепывается, в результате чего повышается твердость до НВ 470.

1 - профиль неизношенного  колеса; 2 - профиль изношенного колеса

Рисунок 2- Виды износов поверхности катания колес:

Кольцевые выработки (рисунок 2, г) наблюдаются у колесных пар, эксплуатируемых с композиционными тормозными колодками.

Кольцевые  выработки возникают по краям колодки. При торможении температура в центре колодки  выше, чем по краям, поэтому следующий полимер, разлагаясь, вытесняется к краям колодки вместе с продуктами износа и частицами образца. Локальный износ (ползун) возникает при движении колеса по рельсу юзом. Заклинивание  колесной  пары колодками происходит при неисправной тормозной системе. При движении юзом происходит интенсивная пластическая деформация, образуются закалочные структуры. К эксплуатации не допускаются колесные пары с ползуном более 2 мм с подшипниками скольжения и более 1 мм - с подшипниками  качения.

При повреждении  колес наиболее частот встречаются «навар» и подкаленные места («белые» пятна).

«Нагар» - это термомеханическое  повреждение, которое характеризуется образованием на поверхности  сдвигов металла U - образной формы. Основная причина такого повреждения - нарушение процесса торможения. Результатом которого является кратковременное проскальзывание колеса по рельсу. Слой «навара» имеет высокую твердость (до НВ 900).

«Белые» пятна возникают  при быстром охлаждении обода  колеса при выходе его из-под тормозной  колодки. «Белые» пятна имеют  мартенситную структуру.

Среди термомеханических  повреждений оси наиболее часто  встречающихся и наиболее опасный  дефект - перегрев шейки оси. Перегрев возникает при неудовлетворительном содержании букс с подшипниками скольжения и при разрушении подшипников  качения. Колесные пары с перегретыми  шейками из  эксплуатации изымаются.

Нарушение сплошности может быть у колес и осей. На ободе колеса возникают трещины термической усталости. Могут быть также трещины технологического происхождения, причиной которых являются неметаллические включения и другие дефекты. В подступичной части оси возникают усталостные трещины.

Разрушение происходит в результате выкрашивания металла. В зоне «навара» и  «белых» пятен глубина выщербин обычно не превышает 2-3 мм. При развитии усталостных трещин на ободе появляются выщербины значительно больших размеров (до 20 мм). В эксплуатацию допускаются колесные пары с выщербинами и отколами глубиной до 10 мм и длиной 50 мм для грузовых вагонов и 25 мм - для пассажирских. Дефекты, вызывающие нарушение геометрических параметров, характеризуются несоответствием размеров требованиям чертежа. Основной причиной этих дефектов является повреждения или износ колесной пары. При обточке колес могут возникать следующие нарушения геометрических параметров: изменение расстояния между внутренними гранями колес; уменьшение ширины и толщины обода колеса.

Кроме указанных  выше дефектов, характерных для вагонных колесных пар, у локомотивных колесных пар наблюдаются специфические дефекты, связанные с их конструкцией. Таким дефектом, прежде всего, является ослабление посадки бандажа на ободе колесного центра с последующим сдвигом относительно друг друга.

Причинами сдвига являются нагрев бандажа при торможении, погрешности  формы бандажа и колесного  центра при сборке и др.

Ремонт  колесных пар.

Неисправные колесные пары подвергаются ремонту баз смены  и со сменой элементов. Технологическая  схема ремонта колесных пар представлена на рис. 1.4. Ремонт без смены элементов заключается в очистке, контроле, восстановлении профиля катания колес, обработке шеек oсей, контроле и окраске.

Ремонт колесных пар со сменой элементов связан с  распрессовкой колесных пар и заменой негодных колес или осей новыми или старогодными. Распресовываются колесные пары на горизонтальном гидравлическом прессе с помощью приспособлений, исключающих изгиб шейки и повреждение резьбы. Годные распрессованные элементы используют для ремонта.

Рисунок 3 - Структурная схема технологического процесса ремонта колесных пар

Старогодную ось протачивают в подступичной части. Припуск на обработку должен быть достаточным для устранения дефектов, вызванных распрессовкой. Среднюю честь оси протачивают при наличии протертости посередине оси глубиной более 2,5 мм.

Новые оси поступают  обычно в грубообработанном виде. Дальнейшая обработка осей выполняется по технологии нового формирования с использованием специализированных станков мод. 1A832, 1Б832, TOA40Z, 1A833, 1Б833, TOA40W, KS843, KS1842 и др. Приточку под запрессовку старогодных осей выполняют на токарно-винторезных станках мод. 1А64, 1M63.

Новые колеса поступают  на ремонтные предприятия в обработанном виде, поэтому требуется только приточка к оси, заключающаяся в чистовой расточке отверстия ступицы. Старогодные колеса подвергают расточке до устранения следов от распрессовки.

Повышение долговечности колесных пар.

Ресурс колес  и бандажей определяется эксплуатационным и технологическим износом. Технологический  износ - это слой металла, снимаемый  с поверхности катания при  переточках. Этот износ определяется двумя факторами:

1)   подкаленным и наклепанным слоем;

2)   износом (подрезом) гребня.

Дефекты термомеханического происхождения ("новары", ползуны, "белые пятна”) и наклеп приводят к повышению твердости наповерхностей катания. Твердые участки залегают на глубину от поверхности катания на 1,5 - 2,0 мм. Наличие твердых участков вызывает большие трудности при восстановлении профиля поверхностей катания колесных пар. Глубину резания выбирают такой, чтобы резец врезался под твердые участки. Вследствие этого в стружку уходит 3 - 4 мм полезного слоя металла при каждой обточке.

Одним из эффективных  путей повышения ресурса колес  является улучшение обрабатываемой поверхности перед обточкой за счет отжига верхних слоев металла поверхности катания колес путем нагрева их токами высокой частоты .

Износ гребня также  приводит к необходимости снимать  дополнительный слой металла с поверхности катания при обточке (рисунок 4,а). Для повышения долговечности бандажей колесных пар локомотивов, эксплуатируемых в карьерах, применяют наплавку гребней. Наращивание гребней позволяет уменьшить технологический износ (рисунок 4).

Кроме указанных  выше мероприятий повышению долговечности  способствует также проведению следующих  мероприятий: разработка новых сталей для изготовления бандажей; совершенствование профиля поверхности катания; термоупрочнение и т.д.

1  - исходный профиль поверхности катания; 2  - профиль поверхности катания до обточки;3  - профиль, восстановленный обточкой.

Рисунок 4 -  Влияние износа гребня, на толщину слоя срезаемого при обточке.

5 ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА  КОЛЕСНЫХ ПАР.

Для характеристики колесных пар необходимо выбрать и обосновать выбор показателей качества, так  как каждый вид продукции в  зависимости от ее назначения характеризуется  определенной номенклатурой показателей качества. 
Количественная оценка показателей качества продукции производится с целью:

• выбора наилучшего варианта продукции;
• повышения требований к качеству продукции в техническом задании на проектирование;
• оценки достигнутых показателей качества при проектировании и производстве;
• определения и контроля показателей качества после изготовления и в эксплуатации;
• определения соответствия достигнутых показателей качества требованиям нормативной документации.

Выбор перечня показателей  качества производится по ГОСТ4.346-85 «Система показателей качества продукции. Электровозы магистральные. Номенклатура показателей» и ГОСТ 4835-2006 «Колесные пары вагонов магистральных железных дорог колеи 1520 мм. Технические условия» 
Данные стандарты распространяется на колесные пары и устанавливает номенклатуру показателей их качества для применения при:

• разработке стандартов, технических условий и других нормативно - технических документов;
• выборе оптимального варианта новой продукции;
• аттестации изделий, прогнозирования и планирования их качества;
• разработке систем управления качеством продукции;
• предоставления отчетности и информации о качестве продукции.

В соответствии со стандартом определяются требования к показателям  качества, на основе которых проводятся испытания.