1.3. Колесные пары

Классическая колесная пара представляет собой ось с насаженным на нее двумя колесами.

Не смотря на то, что это один из самых простых узлов и, кажется, уже доведенных до практического совершенства, тем не менее существует большое количество разнообразных конструкций. Условно, существующие колесные пары можно разделить по следующим признакам:

- по способу закрепления колес: неподвижные и подвижные;

- по схеме восприятия и передачи нагрузки: через консоли, среднюю часть или на каждое колесо при разрезных осях;

- по величине допускаемой нагрузки: определяемой скоростью движения или максимальной грузоподъемностью;

- по цельности оси: цельные и разрезные оси;

- по способу ограничения поперечного смещения колес на рельсах: за счет использования боковых ограничителей и использование ширины обода колеса;

- за счет обеспечения тяговой возможности: путем использования тяговых и неприводных колесных пар;

- путем обеспечения тормозного эффекта: за счет трения о поверхность катания и путем взаимодействия со специальным тормозным диском;

- за счет уменьшения сопротивления движения: использование подшипников скольжения и качения;

- для колесных пар, предназначенных для работы на одной ширине железнодорожного пути и на путях с различной шириной.

Для наглядности результаты систематизации представим в таблице 1.4 и рис. 1.7.

Таблица 1.4. Классификация колесных пар

№	Классификационный признак	В а р и а н т ы
1 2 3 4 5 6 7 8 9	Схема закрепления колес Схема передачи нагрузки Допускаемая нагрузка Цельности оси Ограничения поперечно-го перемещения в рельсо-вой колее Тяговая возможность Создание тормозного эффекта Используемый подшип-ник Ширина колеи	Неподвижные(1) Подвижные, обеспечиваю- Подвижные, обеспечиваю- щие вращение(2) щие продольное перемеще- ние по оси (3) на другую колею Через консоли(4) Через среднюю часть оси(5) На каждое колесо при разрезных осях(6) Определяемая скоростью движения Величиной грузоподъемности (для пассажирских вагонов (7) (для грузовых вагонов(8 ) Сплошные оси (9) Разрезные оси (10) Реборды колес(11) Ширина поверхности катания обода колеса(12) Приводные колесные пары(13) Свободно катящиеся колесные пары (14) Трением колодок об обод колес(15) Трением о специально насажен- ные на ось диски(16) Подшипники скольжения(17) Подшипники качения(18) Предназначенные на фиксирован- Раздвижные колесные пары(20) ную колею(19)
Исполнение (пример)		Колесная пара (роликовая унифицированная на горячей посадке с шайбовым креплением внутренних колец роликовых подшипников для предотвращения их сдвига по шейке оси по ГОСТ 4835-2006): РУ1Ш-950 ← {1; 4; {7^8}; 9; 14; 15; 18; 19}.

Рис. 1.7. Схематическое изображение классификационных признаков табл. 1.4.

Обозначения: Р = f(v) – допускаемая нагрузка, определяемая скоростью движения; Р = f(Р_гр) – то же, но грузоподъемностью; В – ширина обода колеса; U – электрическое напряжение; Р_{r –} усилие нажатия на тормозную колодку.

Объединение элементов колесной пары в единое целое обеспечивает движение вагона (рис. 1.8), а коническая форма поверхности катания, - её центрирование в рельсовой колее по типу качения двойного конуса (рис. 1.9).

Рис. 1.8. Колёсная пара в рельсовой колее

Так, при смещении колёсной пары вправо правое колесо опирается на рельс большим диаметром, а левое  — меньшим и обратно. В результате появляется возвращающаяся сила, которая стремиться возвратить колесную пару в центральное положение, обеспечивая устойчивое качение.

Рис. 1.9. Качение по рельсам двойного конуса

У классических колесных пар колеса закреплены на оси неподвижно при помощи холодной прессовой или тепловой посадок 1 (табл. 1.4, рис. 1.7). Предпочтение отдается прессовой посадке, так как при ней есть возможность зарегистрировать полученные усилия при запрессовке на диаграмме, которая сохраняется 20 лет.

Колесные пары с вращающимися на оси колесами 2, в вагоностроении практически не используются из-за трудностей обеспечения гарантированного расстояния между колесами.

Колесные пары с раздвижными колесами, допускающими их перемещение вдоль оси 3, используются на железных дорогах с разной шириной колеи. На сегодня известно очень много решений, но практическое пока только одно - это колесные пары поезда Тalgo (Испания), которые могут работать на дорогах с колеёй 1435, 1520 и 1660 мм [2].

Способов нагружения колесной пары несколько. Наиболее распространен вагонный тип 4 через консоли, шейки оси. Он позволяет более устойчиво расположить кузов на тележках и увеличить его объем за счет расширения опорной части.

Трамвайный тип 5 нашел свое применение в приводных осях моторных тележек вагонов городского транспорта.

В 80-х годах ХХ века, когда исследовались пределы скоростного использования колесных пар, было установлено, что разрезные «колесные пары» 6, работающие, как независимые полуоси, позволяли достигнуть в лабораторных условиях скоростей более 500 км/ч [5].

При создании современных пассажирских вагонов ориентируются на достижение по возможности максимальной скорости движения 7. Для этого уменьшают необрессоренные массы вагона, уменьшают допускаемую нагрузку на колесную пару, доводя ее значение до 98 кН на ось.

При создании грузовых вагонов стараются увеличить их грузоподъемность 8. Мы уже отмечали, что сейчас стремятся сделать вагоны, рассчитанные на нагрузку 245 – 294 кН на ось при допускаемой по состоянию пути – 352,8 кН.

Такой разноплановый подход приводит к разделению грузового и пассажирского движения по самостоятельным железным дорогам. Для оправданности таких решений необходимы специальные исследования, которых пока нет.

Практически все колесные пары имеют сплошные неразрезные оси 9, так только такая конструкция позволяет ограничивать забегание одного колеса по отношению к другому при движении на горных участках пути. Мы уже отмечали положительные стороны разрезных осей 10. Однако они пока практического применения не получили.

Поперечное перемещение колесной пары в рельсовой колее чаще всего ограничивается ребордами, гребнями 11 (рис.1.8), которые располагают с внутренней стороны колес. В тех случаях, когда этого недостаточно, например, при смещении колес тележек, расположенных в середине вагона или под котлами паровозов, эти колесные пары делают без гребней, а ширина поверхности катания колес 12 выбирается такой, чтобы была возможность обеспечить необходимое поперечное смещение без угрозы для безопасности движения.

Если колесная пара предназначается для самоходного подвижного состава, то на нее устанавливается тяговый привод. Конструктивно он может быть любым: механическим, гидравлическим, электрическим или каким-то еще. Такие колесные пары принято называть приводными 13. Большая часть вагонов, относится к прицепному типу. Они оборудованы свободно катящимися колесными парами 14.

Тормоза важнейший узел вагонов. Без них невозможно обеспечить безопасное движение. Замедление движения можно создать различными способами. Чаще для достижения тормозного эффекта используют силы прижатия специальных неподвижных колодок к ободу колеса 15. При этом должно выполняться одно непременное условие: при торможении колеса независимо от способа торможения не должны скользить по рельсу без вращения, т.е. двигаться юзом - они должны непременно вращаться.

Для уменьшения износа поверхности катания колес, улучшения динамики движения и повышения эффективности торможения начали использовать в вагонах дисковые тормоза 16. Специальные разъемные диски устанавливаются на среднюю часть оси или на диски колес. При торможении они обжимаются колодками специального клещевого механизма или прижимаются к неподвижным дискам.

Для облегчения процесса трогания вагонов с места, преодоления трения покоя, в вагонах стали использовать подшипники качения 18. До 1995 года в вагонах использовались подшипники скольжения 17. Новые подшипники изменили форму и конструкции шейки оси. При использовании подшипников скольжения происходил их износ из-за трения. Диаметр шейки делался с припуском на него, а колесная пара подвергалась регулярным ремонтам по восстановлению профиля шейки из-за неравномерного износа. С применением подшипников качения эта процедура исчезла. Размеры шейки оси сейчас не изнашиваются. Однако с новыми подшипниками пришли и новые проблемы: стали опять нужными, от которых ранее отказались, стояночные тормоза, увеличились затраты на их приобретение и использование (узел с подшипниками качения обходился в 10 раз дороже аналогичного узла на подшипниках скольжения), усложнился ремонт и пр.

Бесперегрузочные международные перевозки легче реализовать, если прийти к единому стандарту на ширину колеи, особенно в странах, находящихся на пути такого трафика, например, как между странами Юго-Восточной Азии и Европы. Уже есть Соглашение о намерении осуществить такой проект до Вены, используя российскую Транссибирскую железную дорогу. Можно использовать и другой путь, о котором мы уже говорили - применить вагоны с раздвижными колесными парами 20 [2]. Сейчас в вагонах используются колесные пары только внутри государственного стандарта, предназначенные на одну ширину колеи 19.

От надежной работы колесных пар во многом зависит безопасность движения. Поэтому они должны удовлетворять определенным требованиям:

- обладать высокими прочностными характеристиками, износостойкостью;

- быть упругими для демпфирования динамических сил;

- использовать достаточно пластичный, устойчивый к трещинообразованию материал;

- обладать минимальной массой для уменьшения динамического воздействия на вагоны и путь.

Типы, основные размеры и технические условия на колесные пары определяются Государственными стандартами (ГОСТ 4835-2006 «Колесные пары вагонов магистральных железных дорог колеи 1520 мм» и пр.), Правилами технической эксплуатации железных дорог (ПТЭ РФ), Инструкцией по осмотру, освидетельствованию, ремонту и формированию вагонных колесных пар (ЦВ-944), Инструкцией осмотрщику вагонов (ЦВ-ЦЛ-408) и другой нормативно- технической документацией (НТД).

В обобщенном виде наиболее распространенный, простейший и ответственный узел вагонов – колесная пара состоит из двух колес, укрепленных на общей оси (рис. 1.10).

Рис. 1.10. Составные части обобщенной колесной пары: 1 – консольная часть, шейка оси; 2 – средняя часть оси; 3 – колесо

1.3.1. Оси

Мы уже упоминали о неудачном названии этого элемента колесной пары, тем не менее, оно повсеместно используется, признано, как официальное и используется в стандартах.

Разнообразие колесных пар порождает такое же многообразие и осей. Классифицируем их по следующим признакам:

- назначению: валы-оси и оси;

- по применяемому подшипнику: качения и скольжения;

- по сплошности поперечного сечения: сплошные и полые оси;

- по технологии изготовления: ковкой, штамповкой, прокатом;

- по технологии эксплуатации: одноразовые, ремонтируемые.

Для наглядности результаты классификации сведем в таблицу 1.5 и рис. 1.12.

Таблица 1.5 . Оси колесных пар

№ пп	Классификационный признак	В а р и а н т ы
1 2 3 4 5	Назначение Подшипник Сплошность оси Технология изготовления Технология эксплуатации	Оси-валы (1) Оси (2) Качения (3) Скольжения (4) Сплошные (5) Полые Полые за счет Высадные из толсто- сверленные (6) ц/бежн. литья(7) стенных труб (8) Ковка (9) Литье (10) Штамповка (11) Одноразовые (12) Ремонтируемые (13)
Исполнение

Вагонные оси-валы колесных пар представляют собой сплошной стальной брус круглого, переменного по длине сечения 1 (табл. 1.5. рис. 1.11, 1.12).

Рис. 1.11. Ось колесной пары: 1-часть оси для размещения ограничителя перемещения подшипника; 2-шейка; 3-предпоступичная часть; 4-подступичная часть; 5-средняя часть оси; d_i – диаметр i-той части оси

Рис. 1.12. Схематическое изображение классификационных признаков табл. 1.4.

Обозначения: d_i – диаметр i-той части оси; Р – усилие штампа

Продольное закрепление внутренних колец подшипников качения может ограничиваться гайкой, которая накручивается на концевую часть шейки 1 (рис. 1.11) или шайбой, прикрепляемой к ней. На шейке 2 размещаются подшипники. Предподступичная часть 3 служит для закрепления на ней задних уплотняющих элементов буксы. Кроме того, она уменьшает напряженное состояние консольной части оси за счет более плавного перехода от меньшего диаметра шейки (d₂ = 130 мм) к большему - подступичной части (d₄=190 мм). На подступичную часть 4 напрессовывается ступица колеса. Средняя часть 5 оси имеет конический переход от подступичной части оси. На нее могут устанавливаются тормозные диски или другие детали, для этого предусматриваются специальные посадочные места.

Для уменьшения концентрации напряжений в местах резкого изменения диаметров оси предусмотрены плавные сопряжения, галтели (от нем. Hohikehle выемка, желобок – скругления внутренних и внешних углов на деталях машин повышающих прочность и снижающих напряжения в материале в местах резкого перехода одного размера к другому).

«Настоящие оси» 2 (табл.1.5, рис. 1. 12), то есть оси, относительно которых происходит вращение колес, в вагонах железных дорог практически не применяются. Их соединения с колесами усложняют конструкцию из-за необходимости выдерживать такой важный размер колесной пары, как расстояние между колесами.

Основное преимущество подшипников качения 3 над подшипниками скольжения 4 заключается в меньших затратах мощности для сдвигания вагона с места. Заметим, что это было важно тогда, когда на железной дороге использовались локомотивы с недостаточной мощностью, паровозы. Поэтому и была принята программа по замене подшипников скольжения на подшипники качения. Накопленный опыт показал, что полностью отказываться от подшипников скольжения пока еще рано, так как они лучше себя ведут при больших скоростях вращения, более 1700 об/мин.

Мы уже отмечали важность снижение масс необрессоренных частей вагонов. Это относится и к колесным парам, как наиболее массоемких. Как известно, напряженное состояние вращающегося вала таково, что более нагружены внешние слои металла, а внутренние – практически не работают (рис. 1.13). В результате появляется

Рис. 1.13. Распределение касательных напряжений в сечении вала.

возможность облегчить вал за счет создания внутренней полости или отверстия. Так, вал с отверстием диаметром 75 мм весит на 30% меньше, чем сплошной вал диаметром 120 мм. При этом оба вала имеют практически равные моменты сопротивления и в них возникают одинаковые напряжения. Это позволяет при прочих равных условиях снизить динамические нагрузки. На сегодня есть многочисленные конструкции колесных пар с полыми осями (рис. 1.14). Их получают высверливанием сквозного отверстия специальными пушечными сверлами 6, литьем ограниченного количества металла во вращающиеся формы, в результате чего в средней части оси образуется закрытая полость 7, а также путем обжимания толстостенных труб 8 для образования формы вагонной оси. Не смотря на многочисленные исследования, показывающие целесообразность использования полых осей (см. например [5]), их пока не применяют. Есть опасения за надежность прессового соединения колеса с осью. Поэтому в настоящее время практически все вагоны РЖД имеют оси со сплошным сечением 5 (табл.1.5, рис. 1.12).

Рис. 1.14. Пример полай оси для колесной пары с допускаемой нагрузкой 245 кН

Основой для изготовления осей являются блюмы (англ. bloom – полуфабрикат металлургического производства, который представляет собой заготовку квадратного сечения со стороной более 140 мм). Из них ковкой 9 с последующей механической обработкой создаются оси.

Для изготовления осей используют литье 10 в неподвижные и вращающиеся формы, штамповку 11.

Вагонные оси изготавливают также поперечно–винтовым и радиально–ротационным способом. Поперечно–винтовая прокатка производится на специальном прокатном стане, на котором из заготовки вытягиваются валы с формой вагонных осей. При радиально–ротационном способе черновая ось обжимается роликами до образования оси.

Для изготовления вагонных осей используются специальные стали ОсВ и ОсЛ по ГОСТ 4728-96 с ударной вязкостью более 0,6 – 0,8 МДж/м², с пределом прочности на растяжение σ_в = 580 – 630 МПа и с относительным удлинением более 19 – 21%.

Оси изготавливают с гарантийным сроком 8,5 лет при среднем сроке службы 15 лет. За это время они несколько раз подвергаются ремонту 13. Неремонтируемые, одноразовые 12 оси на вагонах РЖД пока не используются.