Оси

Описание устройства и основные принципы работы паровозов, фотографии паровозов

Оси колесных пар паровозов отковываются из твердой стали марки ст.-5 по-■вышенная. Оси должны соответствовать ОСТ 3954.

Рассмотрим устройство осей по фиг. 428, 429, 430 и 431. Прежде всего мы замечаем, что у современных мощных паровозов, а также и у паровозов сер. «Су» оси имеют в своем центре отверстие. Такие оси имеют и другие наши старые паровозы недавних выпусков-сер. «Л» и«М».

Сверление отверстий в осях осуществляется пушечным сверлом (сверло имеет лишь аксиальную подачу, изделие вращается).

Отверстие имеет обычно диаметр около х/з диаметра оси или несколько больше; уменьшение момента инерции оси совершенно ничтожно и измеряется 1-ь-1,5%, зато облегчение комплекта осей на паровоз значительно. Помимо облегчения оси отверстие позволяет с некоторой надежностью проверить качество материала оси, узнать о наличии раковин и других дефектов (оптическими приборами). Конечно, такая проверка относительна, так как иногда пустоты и раковины попадаются в непосредственной близости к периферийному, наиболее активно работающему слою материала и остаются невскрытыми при сверлении. Единственно надежными новыми способами узнать внутренние пороки металла является или «просвечивание» оси или другое исследование материала, основанное например на методе биений (сложение токов высокой частоты), когда самое незначительное изменение емкости (электрической) исследуемого материала изменяет частоту биений, регистрируемую на барабане прибора.

Приборы, называемые «дефектоскопами», получают большое распространение.

Со всей резкостью нужно подчеркнуть неправильность мнения некоторых железнодорожников о возможности использовать сверленые каналы для охлаждения греющихся шеек осей: набив в каналы снег (в зимнее время), машинист добивается охлаждения шейки, но чрезвычайно дорогой ценой-ослаблением :запрессовки колеса.

Отверстие делается во всех без исключения осях современных паровозов. Если движущие и бегунковые оси имеют длину не свыше 1 800 мм, то длина задних поддерживающих осей с наружными шейками доходит до 2 500 мм (паровозы сер. «ФД», «ИС», «ТА» и «ТБ»); при просверливании таких длинных отверстий вызывает наибольшие затруднения не столько центрирование сверла, ушедшего в глубь оси, сколько отведение стружки и охлаждение (принудительное) сверла.

Диаметр отверстий колеблется от 50-60 (бегунковые оси) до 70-100 мм (ведущие и сцепные оси крупных паровозов) и доходит до 100 мм (у мощных паровозов).

Рассматривая очертание осей старого типа (фиг. 428, 429 и 431), мы видим, что между шейкой оси и средней частью имеются бурты, удерживающие колесную пару в среднем положении (относительно средней продольной плоскости паровоза). В новых типах осей этих буртов не делают, а колесные пары удерживаются от поперечных перемещений торцевыми частями ступиц колес, касающимися бортов буксы. В этом случае опорная поверхность торца ступицы может быть значительно развита, износ-ничтожен. О центрах будет сказано ниже, здесь же мы отметим упрощение отковки и обработки оси без буртов: как видно из фиг. 432, а также и из фиг. 433, изображающей разрез колеса и часть оси ведущей колесной пары паровоза сер. «ФД», ось имеет крайне простое очертание: наибольший диаметр-подступичная часть; затем несколько меньший-шейка и еще несколько меньший-средняя часть оси; переходы между разными диаметрами описываются кривыми больших радуисов для избежания резких изменений сечения оси и для устранения образования трещин.

Если же ось имеет бурты, то помимо общего усложнения отковки и обработки наличие бурта, в зоне расположения которого диаметры оси резко изменяются, иногда обусловливает появление трещин, в особенности если остались хотя бы небольшие следы от резца. Роль «плавных» переходов от одного диаметра к другому здесь также чрезвычайно велика.

2. Оси

Наиболее опасным местом оси является шейка. Последняя в работе паровоза истирается и требует обточки, уменьшающей ее диаметр и повышающей еще больше ее напряжения.

При движении паровоза каждая его сцепная и в особенности ведущая ось подвергается действию целого комплекса отдельных нагрузок, значительно усложняющих расчет оси на прочность. Между тем этот расчет крайне ответственный, так как поломка оси паровоза почти всегда вызывает серьезную аварию. С другой стороны, нерационально делать оси и излишне тяжелыми.

Коленчатые оси наиболее надежны при наличии одного колена; в этом случае волокна стали при отковке только изгибаются. При двух коленах волокна перекручиваются, и ось становится менее надежной.

Все силы, действующие на ведущую прямую паровозную ось, могут быть разбиты на две больших группы: вертикальные и горизонтальные; последние могут быть, в свою очередь, подразделены на две подгруппы: продольные горизонтальные силы и поперечные горизонтальные.

Вертикальные силы составляют группу вертикальных нагрузок: статическая нагрузка буксы на шейку, вертикальная реакция рельса, вертикальная слагающая от влияния конечной длины шатуна, а также слагающие сил инерции дышел. Горизонтальные продольные нагрузки: сила пара на палец, горизонтальные составляющие сил инерции дышел; реакция силы тяги на ободе колеса, реакции спарников и нажатие тормозных колодок. Наконец, горизонтальные поперечные усилия составляются: поперечной силой трения колеса о рельс, реакцией бокового давления на реборду и обратной (противоположной по знаку) реакцией контр-рельса при проходе крестовин стрелочных переводов.

Все эти нагрузки действуют, конечно, не одновременно, но случайно может быть совпадение большинства из них. Ось должна безопасно выдержать и такие случайные перегрузки без вредных перенапряжений материала. Если величину многих сил и реакций мы можем подсчитать с достаточной степенью точности, то воздействия пути на шейку оси мы подсчитать не можем, так как никогда не может быть заранее известна величина удара, испытываемого шейкой, например, при неисправных или сильно изношенных рельсах, стыках, крестовинах и т. д.

Столь сложные условия работы шеек и крайне ответственное назначение осей колесных пар уже давно побуждали изыскивать пути для создания формулы, хотя бы полуэмпирической, но достаточно надежной для расчета шейки.

Одна из подобных формул пользуется большим распространением. Это формула проф. Раевского, дающая выражение для момента, изгибающего и скручивающего шейку ведущей и сцепной осей или изгибающего шейку бегунковой оси. Напишем формулы Раевского для всех трех шеек.

1. Для ведущей оси:

= |/~[5 ^+о,4(а+10оо)^]Ч[о^^+р.(/1-"^/а)]а +(0,Щ-йГ. (169)

2. Для сцепной оси:

= |/ /+0,4 (3+1 ООО) ^-]2 + [о^+рАу + (0,15(2-О)2. (170)

3. Для бегунковых осей:

Мбег = Я4 • Шш = Я • / + 0,4 + 1 ооо) -|- . (171 >

Здесь:

/?6 - напряжение на изгиб в кг/см2. V/ - момент сопротивления в см3:

для несверленой оси и

/74 _ И 4

п/~0,1--^-

(1

для сверленой;

(I и (|0 - наружный диаметр шейки и диаметр отверстия в см;

q-статическая нагрузка колеса на рельс (в кг), увеличенная на 3%;

т - число движущих осей, включая сюда и ведущую;

О - диаметр колеса по кругу катания в см;

р - я^цл-. рк - усилие на поршень

2. Оси

(в кг), принимаемое без поправок на наклонное расположение дышла.

Обозначения /, 1Х и /2 показаны на фиг. 433а:

I - расстояние от средины осевой шейки до круга колеса катания в см;

^-расстояние от средины осевой шейки до средины ведущего пальца в см;

/2 - расстояние от средины осевой шейки до средины сцепного пальца в см. Допускаемые напряжения: Для новых ведущих осей:

Я4=£=1200 кг\см2.

Для изношенных- (изнсс допускается в среднем до 12% по диаметру):

і?ь ^ 2 ООО кг/см2. Для сцепных и бегунковых осей, новых:

#4 £=:900 кг/см2.

Для изношенных:

Я4 1 600 кг/см2.

Формулы Раевского, достаточно точно охватывая комплекс основных главнейших нагрузок на ось, однако дают несколько преувеличенные диаметры шеек для небольших паровозов; кроме того недостатком формул является их громоздкость. Мы привели величины допускаемых напряжений в новых шейках на 20-35% большие по сравнению с рекомендовавшимися автором этих формул.

В отличие от этой формулы американцы (ARA) рассчитывают шейки ведущих осей по значительно более простой формуле, учитывающей лишь основные изгибающий и крутящий моменты. Эта формула дает напряжение в шейке:

" 2W '

где /,- расстояние от средины осевой шейки до средины поршневой шейки пальца кривошипа, как это показано на фиг. 433а;

b = j/" R2 + l2-гипотенуза прямоугольного треугольника, катетами которого являются расстояние 1Х и радиус кривошипа R (фиг. 433а). Напряжение на изгиб американцы допускают:

tf6=s=1620 кг!см2.

Имеется еще одна уже вполне эмпирическая, дающая только ориентировочные результаты формула, предложенная проф. Игелем. Для ведущих и сцепных осей:

dw=Qpr 2Q(D + 500). (173)

Для бегунковых и поддерживающих:

^ = 65/2^; (174)

где С} - статическая нагрузка на шейку в т, Г) - диаметр колеса в мм, - ъ мм.

После определения необходимого диаметра шейки выясняется ее ориентировочная длина, для шеек осей ведущих и сцепных колесных пар по формуле:

4=0,2-5-1,45) </и (175)

■и для бегунковых и поддерживающих по формуле:

/"„ = (1,9^-2,1)^. (176)

Относительно большая длина шеек бегунковых осей объясняется значительно большим числом оборотов бегунковых и поддерживающих колесных пар по сравнению с движущими осями; повышенное число оборотов и вызывает необходимость удлинения шеек бегунковых и поддерживающих колесных пар (для устранения грения).

Найденные по формуле размеры (диаметр и длина) шейки должны быть проверены на удельное напряжение и на нагревание.

Величина удельного напряжения (на износ) не должна превышать:

15_А;г/сл!2

для ведущих и сцепных шеек и

Я«н = ;13 кг [см2

для бегунковых и поддерживающих.

Наконец, отсутствие грения шейки проверяется по величине работы трения, развивающейся между шейкой и буксовым подшипником. Эта работа при проверке шеек на нагревание заменяется пропорциональной ей «характеристикой» грения, величина которой представляет собой не что иное, как произведение удель ыого давления RU3H на скорость, с которой перемещается одна трущаяся поверхность по другой.

Характеристика грения:

R = ■ у = -г-г ■ *dm{M) ■ п (177) аш-1ш см2-сек ■

Здесь v = ndM{M) ■ п - скорость на окружности шейки в м/сек, п - число оборотов колеса в секунду при конструкционной скорости паровоза.

Заметим, что в правой части формулы мы и в числителе и в знаменателе имеем диаметр шейки, правда, выраженный в числителе в метрах. Сокращая алгебраически d, мы можем сделать важное замечание: грение шейки не зависит от ее диаметра. Отсюда следует, что для устранения опасности нагревания шеек следует увеличивать исключительно длину шейки, а отнюдь не ее диаметр. Именно поэтому мы и оговорили ориентировочный характер формул (175) и (176).

Характеристика R кг 'м не. должна выходить за пределы: см2•сек

/?=70 для пассажирских паровозов,

Р=60 для мощных товарных (быстроходных) паровозов,

/?=50 для товарных паровозовс небольшими диаметрами колес (£><1 400 мм).

Увеличенные значения R для быстроходных паровозов объясняются наличием интенсивного «искусственного» охлаждения шеек встречным потоком воздуха. После того, как определены окончательно размеры шеек, находят диаметры подступичной части оси по формуле:

<f ^ + (0,5-^-1,5)0* (178)

и средней части

d"^du-{\.b-^2)CM. (179)

⇐ | Скат. Общие сведения || Конструкции паровозов || Колесные центры | ⇒