RU2728028C1

RU2728028C1 - Railway wheel

Info

Publication number: RU2728028C1
Application number: RU2019125510A
Authority: RU
Inventors: Алексей Владиславович Кушнарев; Павел Анатольевич Зажигаев; Николай Васильевич Теляшов; Александр Юрьевич Беспамятных; Роман Александрович Ильиных; Андрей Владимирович Щербинин; Алексей Александрович Васильев; Григорий Иванович Брюнчуков; Андрей Сергеевич Разумов; Виталий Геннадьевич Флатов
Original assignee: Акционерное общество «ЕВРАЗ Нижнетагильский металлургический комбинат» (АО «ЕВРАЗ НТМК»)
Priority date: 2019-08-13
Filing date: 2019-08-13
Publication date: 2020-07-28

Abstract

FIELD: vehicle wheels.

SUBSTANCE: railway wheel is a solid-rolled part with a nominal outer diameter (D) and has an axis of rotation (Z), a conditional plane (P), perpendicular to the axis of rotation of the wheel (Z) and comprises rim 1 with ridge 2, hub 3 and disc 5 of curvilinear shape formed by outer 5 and inner 6 surfaces and has theoretical central axial line 7 of radial section, conjugated with rim 1 with transient radius sections 8 and with hub 3 transient radius sections 9. Theoretical central axial line 7 of radial section of disc 4 on section of interface of disc 4 with hub 3 is displaced along axis of rotation (Z) of wheel relative to theoretical central axial line 7 of radial section of disc 4 on section of interface of disc 4 with rim 1 in direction to ridge 2. Theoretical central axial line 7 of radial section of disc 4 and, accordingly, each of forming outer 5 and inner 6 surfaces of disc 4 consist of three main radius curves and rectilinear inclined section.

EFFECT: improved operational characteristics of railway wheel.

1 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к транспортному машиностроению, в частности к колесам железнодорожных транспортных средств.The invention relates to transport engineering, in particular to the wheels of railway vehicles.

Известна конструкция цельнокатаного железнодорожного колеса согласно патента на изобретение RU 2408469, МПК В60В 17/00; B60В 3/02, В61F 13/00; В21Н 1/04 опубликованного 10.01.2011, бюл. № 1 (Открытое акционерное общество ''ИНТЕРПАЙП НИЖНЕДНЕПРОВСКИЙ ТРУБОПРОКАТНЫЙ ЗАВОД'' (UA)) [1], содержащая обод и ступицу, сопряженные криволинейными переходными участками с диском, который образован наружной и внутренней криволинейными поверхностями, выполненными таким образом, что наружная криволинейная поверхность диска со стороны обода образована первой наружной радиусной кривой (R1), со стороны ступицы второй наружной радиусной кривой (R2) с кривизной, совпадающей по направлению с кривизной первой наружной радиусной кривой (R1), и сопряженных между собой третьей наружной радиусной кривой (R3) с кривизной, противоположной по направлению кривизне первой наружной кривой (R1) и второй наружной кривой (R2), а внутренняя криволинейная поверхность диска со стороны обода образована первой внутренней радиусной кривой (R4), со стороны ступицы второй внутренней радиусной кривой (R5) с кривизной, совпадающей по направлению с кривизной первой внутренней радиусной кривой (R4), и сопряженных между собой третьей внутренней радиусной кривой (R6) с кривизной, противоположной по направлению кривизне первой внутренней кривой (R4) и второй внутренней кривой (R5), отличающееся тем, что для наружной криволинейной поверхности радиус первой наружной радиусной кривой (R1) составляет от 0,09 до 0,14 диаметра круга катания, радиус второй наружной радиусной кривой (R2) составляет от 0,1 до 0,15 диаметра круга катания, радиус третей наружной радиусной кривой (R3) составляет от 0,12 до 0,18 диаметра круга катания, а для внутренней криволинейной поверхности (7) радиус первой внутренней радиусной кривой (R4) составляет от 0,12 до 0,18 диаметра круга катания, радиус второй внутренней радиусной кривой (R5) составляет от 0,1 до 0,15 диаметра круга катания, радиус третей внутренней радиусной кривой (R6) составляет от 0,12 до 0,17 диаметра круга катания.Known design of a solid-rolled railway wheel according to the patent for invention RU 2408469, IPC В60В 17/00; B60B 3/02, B61F 13/00; В21Н 1/04 published on 10.01.2011, bul. No. 1 (Open Joint Stock Company INTERPIPE NIZHNEDNEPROVSK PIPE ROLLING PLANT (UA)) [1], containing a rim and a hub, conjugated by curved transition sections with a disk, which is formed by the outer and inner curved surfaces made in such a way that the outer curved surface disk from the side of the rim is formed by the first outer radius curve (R1), from the hub side of the second outer radius curve (R2) with curvature coinciding in direction with the curvature of the first outer radius curve (R1), and conjugated to each other by the third outer radius curve (R3) with curvature opposite in the direction of curvature of the first outer curve (R1) and the second outer curve (R2), and the inner curved surface of the disc from the rim side is formed by the first inner radius curve (R4), from the hub side of the second inner radius curve (R5) with the curvature coinciding in direction with the curvature of the first inner radius curve (R4), and conjugate m between a third inner radius curve (R6) with curvature opposite in the direction of curvature of the first inner curve (R4) and the second inner curve (R5), characterized in that for the outer curved surface the radius of the first outer radius curve (R1) is from 0, 09 to 0.14 of the rolling circle diameter, the radius of the second outer radius curve (R2) is from 0.1 to 0.15 of the rolling circle diameter, the radius of the third outer radius curve (R3) is from 0.12 to 0.18 of the rolling circle diameter , and for the inner curved surface (7) the radius of the first inner radius curve (R4) is from 0.12 to 0.18 of the rolling circle diameter, the radius of the second inner radius curve (R5) is from 0.1 to 0.15 of the rolling circle diameter , the radius of the third inner radius curve (R6) is from 0.12 to 0.17 of the rolling circle diameter.

Недостатком изобретения является высокое напряжения в конструкции от действия бокового давления рельса на гребень и неравномерный нагрев обода колеса при колодочном торможении. Кроме того, в отличие от подобных европейских конструкций, рассматриваемая, с учетом принятых на российских железных дорогах типоразмеров диаметров колес и смещений ступицы относительно обода, имеет высокую жесткость в вертикальном направлении, а также увеличенную по сравнению с конструкцией по ГОСТ 10791 массу (до 410 кг). Перечисленные недостатки отрицательно сказываются как на прочности колеса, так и в целом на динамике подвижного состава.The disadvantage of the invention is the high stress in the structure from the action of the lateral pressure of the rail on the ridge and uneven heating of the wheel rim during block braking. In addition, in contrast to similar European designs, the considered, taking into account the standard sizes of wheel diameters and displacements of the hub relative to the rim adopted on Russian railways, has a high rigidity in the vertical direction, as well as an increased weight compared to the design according to GOST 10791 (up to 410 kg ). The aforementioned disadvantages negatively affect both the strength of the wheel and, in general, the dynamics of the rolling stock.

Известна конструкция цельнокатаного железнодорожного колеса, согласно патента на изобретение RU 2259279, МПК В60В 17/00; B60В 3/02; В21Н 1/04, опубликованного 27.08.2005, бюл. № 24 (Открытое акционерное общество ''Выксунский металлургический завод'') [2], содержащее обод и ступицу, сопряженные криволинейными переходными участками с диском, который образован наружной и внутренней криволинейными поверхностями, выполненными таким образом, что наружная криволинейная поверхность диска со стороны обода образована первой наружной радиусной кривой (R1), со стороны ступицы второй наружной радиусной кривой (R2) с кривизной, совпадающей по направлению с кривизной первой наружной радиусной кривой (R1), и сопряженных между собой третьей наружной радиусной кривой (R3) с кривизной, противоположной по направлению кривизне первой наружной кривой (R1) и второй наружной кривой (R2), а внутренняя криволинейная поверхность диска со стороны обода образована первой внутренней радиусной кривой (R4), со стороны ступицы второй внутренней радиусной кривой (R5) с кривизной, совпадающей по направлению с кривизной первой внутренней радиусной кривой (R4), и сопряженных между собой третьей внутренней радиусной кривой (R6) с кривизной, противоположной по направлению кривизне первой внутренней кривой (R4) и второй внутренней кривой (R5).Known design of a solid-rolled railway wheel, according to the patent for invention RU 2259279, IPC В60В 17/00; B60B 3/02; В21Н 1/04, published on August 27, 2005, bull. No. 24 (Open Joint Stock Company Vyksa Metallurgical Plant) [2], containing a rim and a hub, mated by curved transition sections with a disc, which is formed by the outer and inner curved surfaces, made in such a way that the outer curved surface of the disc from the side of the rim formed by the first outer radius curve (R1), from the side of the hub of the second outer radius curve (R2) with curvature coinciding in direction with the curvature of the first outer radius curve (R1), and conjugated to each other by the third outer radius curve (R3) with curvature opposite in the direction of curvature of the first outer curve (R1) and the second outer curve (R2), and the inner curved surface of the disc from the rim side is formed by the first inner radius curve (R4), from the hub side of the second inner radius curve (R5) with curvature coinciding in the direction with the curvature of the first inner radius curve (R4), and the third conjugate an inner radius curve (R6) with a curvature opposite in the direction of curvature of the first inner curve (R4) and the second inner curve (R5).

Смещение центральной линии осевого сечения диска в месте его сопряжения с ободом относительно центральной линии осевого сечения диска в месте его сопряжения со ступицей находится в интервале от 10 до 25 мм.The displacement of the center line of the axial section of the disc in the place of its conjugation with the rim relative to the center line of the axial section of the disc in the place of its conjugation with the hub is in the range from 10 to 25 mm.

Такое выполнение цельнокатаного железнодорожного колеса позволяет снизить значения напряжений на внутренней поверхности в центральной части диска, а также снизить значение осевого смещения обода колеса при нагреве в процессе торможения или при прохождении подвижным составом кривых участков рельсового пути по сравнению с предыдущей конструкцией.Such an embodiment of a solid-rolled railway wheel makes it possible to reduce the stress values on the inner surface in the central part of the disk, as well as to reduce the value of the axial displacement of the wheel rim when heated during braking or when the rolling stock passes curved sections of the rail track in comparison with the previous design.

Недостатком известного колеса является неравномерное распределение суммарных внутренних напряжений по объему колеса. Этот недостаток обусловлен большим значением выгиба центральной части диска колеса, что, в свою очередь, обуславливает значительные температурные напряжения на внутренней поверхности в центральной части диска колеса, что создает предпосылки для развития усталостных трещин и приводит, в свою очередь, к уменьшению срока службы колеса.The disadvantage of the known wheel is the uneven distribution of total internal stresses over the volume of the wheel. This disadvantage is due to the large deflection of the central part of the wheel disk, which, in turn, causes significant temperature stresses on the inner surface in the central part of the wheel disk, which creates preconditions for the development of fatigue cracks and leads, in turn, to a decrease in the service life of the wheel.

Наиболее близким (прототипом) по технической сущность к заявляемому железнодорожному колесу является патент RU № 2428319, МПК B60В 17/00, B60В 3/02, B61F 13/00, B21Н 1/04, опубликованного 10.09.2011, бюл. № 25 (Открытое акционерное общество ''Выксунский металлургический завод'' (RU)) [3], где железнодорожное колесо представляет собой сборочную единицу, состоящую из цельнокатаного колесного центра с бандажом и закрепляющим его бандажным кольцом, или цельнокатаную деталь, содержащее ступицу и обод, сопряженные переходными радиусными участками с диском криволинейной формы, образованным наружной и внутренней поверхностями. Центральная линия радиального сечения диска на участке его сопряжения со ступицей смещена вдоль оси вращения колеса относительно центральной линии радиального сечения диска на участке его сопряжения с ободом в сторону внутренней поверхности. Величина указанного смещения находится в интервале значений от 30 до 100 мм. При этом образующие наружной и внутренней поверхностей диска состоят из двух главных радиусных кривых с противоположенной по направлению кривизной, сопряженных в центральной части диска друг с другом, а со стороны ступицы и обода с переходными радиусными участками как с помощью дополнительных прямолинейных, либо радиусных участков, так и без них. Техническим результатом является повышение эксплуатационных характеристик железнодорожного колеса при одновременном снижении массы колеса по сравнению с известными конструкциями по ГОСТ 10791-2011.The closest (prototype) in technical essence to the claimed railway wheel is patent RU No. 2428319, IPC B60B 17/00, B60B 3/02, B61F 13/00, B21H 1/04, published 09/10/2011, bull. No. 25 (Open Joint Stock Company Vyksa Metallurgical Plant (RU)) [3], where the railway wheel is an assembly unit consisting of a solid-rolled wheel center with a tire and a retaining ring fixing it, or a solid-rolled part containing a hub and rim conjugated with transitional radius sections with a curved disk formed by the outer and inner surfaces. The center line of the radial section of the disc at the area of its mating with the hub is displaced along the axis of rotation of the wheel relative to the center line of the radial section of the disc at the area of its mating with the rim towards the inner surface. The specified displacement is in the range of values from 30 to 100 mm. In this case, the generatrices of the outer and inner surfaces of the disk consist of two main radius curves with opposite curvature in the direction, conjugated in the central part of the disk with each other, and from the side of the hub and rim with transition radius sections, both with the help of additional rectilinear or radius sections, so and without them. The technical result is to increase the operational characteristics of the railway wheel while reducing the weight of the wheel in comparison with the known designs according to GOST 10791-2011.

Недостатком прототипа является локальная концентрация высоких напряжений в диске колеса при комбинированном нагружении (механическое и термическое), что может приводить к образованию усталостных трещин в этих местах.The disadvantage of the prototype is the local concentration of high stresses in the wheel disk under combined loading (mechanical and thermal), which can lead to the formation of fatigue cracks in these places.

Техническим результатом, на достижение которого направлено данное изобретение является выбор оптимальной формы диска колеса, которая способна обеспечить повышенные эксплуатационные характеристики железнодорожного колеса, а именно:The technical result to be achieved by this invention is the choice of the optimal shape of the wheel disk, which is capable of providing increased operational characteristics of the railway wheel, namely:

- равномерное распределение напряжений в местах их концентрации, обеспечивающее снижение вероятности зарождения трещин;- uniform distribution of stresses in the places of their concentration, providing a decrease in the probability of crack initiation;

- низконапряженное состояние конструкции от действия наиболее характерных при эксплуатации видов нагружения (вертикальных, боковых сил и теплового воздействия при длительном торможении);- low-stress state of the structure from the action of the most typical types of loading during operation (vertical, lateral forces and thermal effects during prolonged braking);

- возможность использования с максимальной нагрузкой на ось до 30 тс наряду с обеспечением минимальной массы конструкции среди известных аналогов.- the possibility of using with a maximum axle load of up to 30 tf along with ensuring the minimum weight of the structure among the known analogues.

Технический результат достигается тем, что железнодорожное колесо, представляющее собой цельнокатаную деталь с номинальным наружным диаметром (D) и имеющее ось вращения (Z), условную плоскость (P), перпендикулярную оси вращение колеса (Z) и содержащее обод с гребнем, ступицу и диск криволинейной формы, образованный наружной и внутренней поверхностями и имеющий теоретическую центральную осевую линию радиального сечения, сопряженный с ободом переходными радиусными участками и со ступицей переходными радиусными участками, причем теоретическая центральная осевая линия радиального сечения диска на участке сопряжения диска со ступицей смещена вдоль оси вращения (Z) колеса относительно теоретической центральной осевой линии радиального сечения диска на участке сопряжения диска с ободом в направлении к гребню, при этом теоретическая центральная осевая линия радиального сечения диска и, соответственно, каждая из образующих наружной и внутренней поверхностей диска, состоят из трех главных радиусных кривых и прямолинейного наклонного участка, а именно:The technical result is achieved in that a railway wheel, which is a solid-rolled part with a nominal outer diameter (D) and having an axis of rotation (Z), a conventional plane (P), perpendicular to the axis of rotation of the wheel (Z) and containing a rim with a ridge, a hub and a disk curvilinear shape, formed by the outer and inner surfaces and having a theoretical central axial line of the radial section, conjugated with the rim with transition radius sections and with the hub with transition radius sections, and the theoretical central axial line of the radial section of the disc at the interface between the disc and the hub is displaced along the axis of rotation (Z ) of the wheel relative to the theoretical centerline of the radial section of the disc at the interface of the disc with the rim towards the ridge, while the theoretical centerline of the radial section of the disc and, accordingly, each of the generatrices of the outer and inner surfaces of the disc, consist of three main radii curves and rectilinear inclined section, namely:

- со стороны обода - первых радиусных кривых (R₁, R₁', R₁''), причем первая радиусная кривая (R₁') наружной поверхности и первая радиусная кривая (R₁'') внутренней поверхности диска сопряжены с переходными радиусными участками, а значение радиусов первых радиусных кривых (R₁, R₁', R₁'') составляет от 0,42 до 0,57 значения номинального наружного диаметра колеса (D), при этом первая радиусная кривая (R₁) теоретической центральной осевой линии расположена таким образом, что угол (γ) между условной плоскостью (Р) и прямой (Е), проведенной касательно к первой радиусной кривой (R₁) через точку (В) теоретической центральной осевой линии, находящейся в начале участка сопряжения диска с ободом, составляет от 2° до 7°;- from the side of the rim - the first radius curves (R ₁ , R ₁ ', R ₁ ''), and the first radius curve (R ₁ ') of the outer surface and the first radius curve (R ₁ '') of the inner surface of the disk are conjugated with transition radius sections, and the value of the radii of the first radius curves (R ₁ , R ₁ ', R ₁ '') is from 0.42 to 0.57 values of the nominal outer diameter of the wheel (D), while the first radius curve (R ₁ ) is the theoretical central the center line is located in such a way that the angle (γ) between the conventional plane (P) and the straight line (E) drawn tangentially to the first radius curve (R ₁ ) through the point (B) of the theoretical center line located at the beginning of the disc mating section with rim, ranges from 2 ° to 7 °;

- в средней части диска, со стороны обода - вторых радиусных кривых (R₂, R₂', R₂'') с кривизной, совпадающей по направлению с кривизной первых радиусных кривых (R₁, R₁', R₁'') и сопряженных с ними, причем значение радиусов вторых радиусных кривых (R₂, R₂', R₂'') меньше значения радиусов первых радиусных кривых (R₁, R₁', R₁'') и составляет от 0,07 до 0,3 значения номинального наружного диаметра колеса (D);- in the middle part of the disc, from the side of the rim - the second radius curves (R ₂ , R ₂ ', R ₂ '') with curvature coinciding in direction with the curvature of the first radius curves (R ₁ , R ₁ ', R ₁ '') and associated with them, and the value of the radii of the second radius curves (R ₂ , R ₂ ', R ₂ ") is less than the values of the radii of the first radius curves (R ₁ , R ₁ ', R ₁ ") and ranges from 0.07 to 0.3 times the nominal outer diameter of the wheel (D);

- в средней части диска, со стороны ступицы - прямолинейных участков (C, C', C''), расположенных с наклоном под углом (α) к условной плоскости (Р) и сопряженных со вторыми радиусными кривыми (R₂, R₂', R₂''), причем значение угла наклона (α) составляет от 27° до 47°;- in the middle part of the disc, from the side of the hub - straight sections (C, C ', C''), located with an inclination at an angle (α) to the conditional plane (P) and conjugate with the second radius curves (R ₂ , R ₂ ' , R ₂ ''), and the value of the angle of inclination (α) is from 27 ° to 47 °;

- со стороны ступицы - третьих радиусных кривых (R₃, R₃', R₃'') с кривизной, противоположной по направлению кривизне первых (R₁, R₁', R₁'') и вторых (R₂, R₂', R₂'') радиусных кривых и сопряженных с одной стороны с прямолинейными участками (C, C', C''), а с другой стороны - третья радиусная кривая (R₃') наружной поверхности и третья радиусная кривая (R₃'') внутренней поверхности диска сопряжены с переходными радиусными участками, а значение радиусов третьих радиусных кривых (R₃, R₃', R₃'') составляет от 0,07 до 0,3 значения номинального наружного диаметра колеса (D), при этом третья радиусная кривая (R₃) теоретической центральной осевой линии расположена таким образом, что угол (β) между условной плоскостью (Р) и прямой (F), проведенной касательно к третьей радиусной кривой (R₃) через точку (А) теоретической центральной осевой линии, находящейся в начале участка сопряжения диска со ступицей, составляет от 7° до 25°.- from the side of the hub - third radius curves (R ₃ , R ₃ ', R ₃ ") with curvature opposite in the direction of curvature of the first (R ₁ , R ₁ ', R ₁ ") and the second (R ₂ , R ₂ ', R ₂ '') of radius curves and conjugate on one side with straight sections (C, C', C ''), and on the other hand - the third radius curve (R ₃ ') of the outer surface and the third radius curve (R ₃ '') of the inner surface of the disc are conjugated with transitional radius sections, and the value of the radii of the third radius curves (R ₃ , R ₃ ', R ₃ '') is from 0.07 to 0.3 values of the nominal outer diameter of the wheel (D), at the third radius curve (R ₃ ) of the theoretical centerline is located such that the angle (β) between the conventional plane (P) and the straight line (F) drawn tangentially to the third radius curve (R ₃ ) through point (A) of the theoretical centerline the centerline at the beginning of the disc-hub interface is 7 ° to 25 °.

Выбор иных значений радиусных кривых, образующих наружную и внутреннюю поверхности диска колеса и прямолинейного участка, указанной конфигурации, интервалов и значений номинального наружного диаметра колеса, значений угла наклона α прямолинейных участков (С, С', С'') к условной плоскости (Р); значений угла наклона β между условной плоскости (Р) и касательной линией (F), значений угла наклона γ -между условной плоскостью Р и касательной линией (Е) не позволяет добиться оптимального сочетания низконапряженного состояния конструкции колеса от действия различных видов эксплуатационных нагрузок и удовлетворительной степени боковой деформации обода при тепловом нагружении.Selection of other values of the radius curves forming the outer and inner surfaces of the wheel disk and the straight section, the specified configuration, intervals and values of the nominal outer diameter of the wheel, the values of the angle of inclination α of the straight sections (C, C ', C' ') to the conditional plane (P) ; the values of the angle of inclination β between the conditional plane (P) and the tangent line (F), the values of the angle of inclination γ between the conditional plane P and the tangent line (E) do not allow achieving an optimal combination of the low-stress state of the wheel structure from the action of various types of operational loads and a satisfactory degree lateral deformation of the rim under thermal loading.

Сущность изобретения поясняются следующими чертежами:The essence of the invention is illustrated by the following drawings:

на ФИГ. 1 представлено радиальное сечение железнодорожного колеса с указанием характерных точек (А), (В) с обозначением элементов колеса, соответствующее изобретению;in FIG. 1 shows a radial section of a railway wheel with the indication of the characteristic points (A), (B) with the designation of the wheel elements according to the invention;

на ФИГ. 2 представлено радиальное сечение железнодорожного колеса с указанием радиусных кривых центральной осевой линии, наружной и внутренней поверхностей диска с указанием углов между линиями, касательными к осевым радиусным кривым центральной осевой линии, соответствующее изобретению;in FIG. 2 is a radial sectional view of a railroad wheel showing the radial curves of the centerline, the outer and inner surfaces of the disc, showing the angles between lines tangent to the axial radius curves of the centerline, in accordance with the invention;

на ФИГ. 3 представлена диаграмма результатов расчетов НДС при механическом нагружении колеса в расчете для осевой нагрузки 30 тс для различных конструкций;in FIG. 3 shows a diagram of the results of calculations of stress-strain state under mechanical loading of a wheel in the calculation for an axial load of 30 tf for various structures;

на ФИГ. 4 представлена диаграмма результатов расчетов НДС при тепловом и комбинированном нагружении колеса в расчете для осевой нагрузки 30 тс для различных конструкций;in FIG. 4 shows a diagram of the results of SSS calculations for thermal and combined loading of a wheel calculated for an axial load of 30 tf for various structures;

на ФИГ. 5 представлена диаграмма размаха напряжений Δσ в расчете для осевой нагрузки 30 тс для различных конструкций;in FIG. 5 shows a diagram of the stress range Δσ calculated for an axial load of 30 tf for various structures;

на ФИГ. 6 представлена диаграмма массы колеса.in FIG. 6 is a diagram of the wheel mass.

Железнодорожное колесо, изображенное на ФИГ. 1, представляет цельнокатаную деталь с номинальным наружным диаметром D, имеет условную плоскость (Р), перпендикулярную оси вращения (Z), которое включает в себя обод 1 с гребнем 2, ступицу 3 и диск 4 криволинейной формы, образованный наружной 5 и внутренней 6 поверхностями, имеющий теоретическую центральную осевую линию 7 радиального сечения диска, сопряженный с ободом 1 переходными радиусными участками 8 и со ступицей 3 переходными радиусными участками 9. Теоретическая центральная осевая линия 7 радиального сечения диска 4 на участке сопряжения диска 4 со ступицей 3 смещена вдоль оси вращения (Z) колеса, относительно теоретической центральной осевой линии 7 радиального сечения диска 4 на участке сопряжения диска 4 с ободом 1 в направлении к гребню 2. Точка А теоретической центральной осевой линии 7 расположена в начале участка сопряжения диска 4 со ступицей 3, а точка В теоретической центральной осевой линии 7 расположена в начале участка сопряжения диска 4 с ободом 1.The railroad wheel shown in FIG. 1, represents a solid-rolled part with a nominal outer diameter D, has a conditional plane (P) perpendicular to the axis of rotation (Z), which includes a rim 1 with a ridge 2, a hub 3 and a curved disc 4 formed by the outer 5 and inner 6 surfaces , having a theoretical central axial line 7 of the radial section of the disc, mated with the rim 1 transitional radius sections 8 and with the hub 3 transitional radius sections 9. The theoretical central axial line 7 of the radial section of the disc 4 at the interface of the disc 4 with the hub 3 is displaced along the axis of rotation ( Z) of the wheel, relative to the theoretical centerline 7 of the radial section of the disc 4 at the interface of the disc 4 with the rim 1 towards the ridge 2. Point A of the theoretical centerline 7 is located at the beginning of the interface of the disc 4 with the hub 3, and point B of the theoretical The central axial line 7 is located at the beginning of the mating section of the disc 4 with the rim 1.

Теоретическая центральная осевая линия 7 радиального сечения диска 4 на ФИГ. 1 и ФИГ. 2 и каждая из образующих наружной 5 и внутренней 6 поверхностей диска 4 состоят из трех главных радиусных кривых и прямолинейного наклонного участка.The theoretical center line 7 of the radial section of the disc 4 in FIG. 1 and FIG. 2 and each of the generatrices of the outer 5 and inner 6 surfaces of the disc 4 consists of three main radius curves and a rectilinear inclined section.

На ФИГ. 2 представлено железнодорожное колесо на котором, (R1) - радиус первой радиусной кривой теоретической центральной осевой линии 7; (R2) - радиус второй радиусной кривой теоретической центральной осевой линии 7; (R3) - радиус третьей радиусной кривой теоретической центральной осевой линии 7; (R₁') - радиус первой радиусной кривой наружной поверхности 5 диска 4; (R₂') - радиус второй радиусной кривой наружной поверхности 5 диска 4; (R₃') - радиус третьей радиусной кривой наружной поверхности 5 диска 4; (R₁'') - радиус первой радиусной кривой внутренней поверхности 6 диска 4; (R₂'') - радиус второй радиусной кривой внутренней поверхности 6 диска 4; (R₃'') - радиус третьей радиусной кривой внутренней поверхности 6 диска 4; C - прямолинейный участок теоретической центральной осевой линии 7, сопряженный со второй (R2) и третьей (R3) радиусными кривыми теоретической центральной осевой линии 7; C' - прямолинейный участок наружной поверхности 5 диска 4, сопряженный со второй (R₂') и третьей (R₃') радиусными кривыми наружной поверхности 5 диска 4; C''- прямолинейный участок внутренней поверхности 6 диска 4, сопряженный со второй (R₂'') и третьей (R₃'') радиусными кривыми внутренней поверхности 6 диска 4; прямая Е - касательная линия к первой радиусной кривой (R1) теоретической центральной осевой линии 7; прямая F - касательная линия к третьей радиусной кривой (R3) теоретической центральной осевой линии 7; α - угол наклона прямолинейных участков (C, C', C'') к условной плоскости (Р); β - угол наклона между условной плоскостью (Р) и касательной линией (F); γ - угол наклона между условной плоскостью (Р) и касательной линией (E).FIG. 2 shows a railway wheel on which, (R1) is the radius of the first radius curve of the theoretical centerline 7; (R2) is the radius of the second radius curve of the theoretical centerline 7; (R3) is the radius of the third radius curve of the theoretical centerline 7; (R ₁ ') - the radius of the first radius curve of the outer surface 5 of the disc 4; (R ₂ ') is the radius of the second radius curve of the outer surface 5 of the disc 4; (R ₃ ') - the radius of the third radius curve of the outer surface 5 of the disc 4; (R ₁ '') - the radius of the first radius curve of the inner surface 6 of the disc 4; (R ₂ '') - the radius of the second radius curve of the inner surface 6 of the disc 4; (R ₃ '') - radius of the third radius curve of the inner surface 6 of the disc 4; C - a straight section of the theoretical centerline 7, conjugate with the second (R2) and third (R3) radius curves of the theoretical centerline 7; C '- a straight section of the outer surface 5 of the disc 4, conjugated with the second (R ₂ ') and third (R ₃ ') radius curves of the outer surface 5 of the disc 4; C "- a straight section of the inner surface 6 of the disc 4, conjugated with the second (R ₂ ") and third (R ₃ ") radius curves of the inner surface 6 of the disc 4; straight line E - a tangent line to the first radius curve (R1) of the theoretical centerline 7; straight line F - tangent line to the third radius curve (R3) of the theoretical centerline 7; α is the angle of inclination of straight sections (C, C ', C'') to the conditional plane (P); β is the angle of inclination between the conventional plane (P) and the tangent line (F); γ is the angle of inclination between the conventional plane (P) and the tangent line (E).

Со стороны обода 1 первая радиусная кривая R₁' (ФИГ. 2) наружной поверхности 5 и первая радиусная кривая R₁'' внутренней поверхности 6 диска 4 сопряжены с переходными радиусными участками 8 (ФИГ. 1).From the side of the rim 1, the first radius curve R ₁ '(FIG. 2) of the outer surface 5 and the first radius curve R ₁ "of the inner surface 6 of the disc 4 are conjugated with the transition radius sections 8 (FIG. 1).

Значение радиусов R₁, R₁', R₁'' главных радиусных кривых составляет от 0,42 до 0,57 значения номинального наружного диаметра колеса (D).The value of the radii R ₁ , R ₁ ', R ₁ ''of the main radius curves is from 0.42 to 0.57 of the value of the nominal outer diameter of the wheel (D).

Первая радиусная кивая R₁ (ФИГ. 2) теоретической центральной осевой линии 7 расположена таким образом, что угол наклона γ между условной плоскостью (Р) и прямой (Е), проведенной касательно к первой радиусной кривой R₁ через точку (В) теоретической центральной осевой линии 7, находящейся в начале участка сопряжения диска 4 с ободом 1, составляет от 2° до 7° (ФИГ. 1).The first radius nod R ₁ (FIG. 2) of the theoretical centerline 7 is located such that the angle of inclination γ between the conventional plane (P) and the straight line (E) drawn tangentially to the first radius curve R ₁ through point (B) of the theoretical centerline the axial line 7, located at the beginning of the mating portion of the disc 4 with the rim 1, is from 2 ° to 7 ° (FIG. 1).

В средней части диска 4, со стороны обода 1 главные радиусные кривые (R₁, R₁', R₁'') (ФИГ. 1 и ФИГ. 2) сопряжены со вторыми радиусными кривыми (R₂, R₂', R₂'') с кривизной, совпадающей по направлению с кривизной первых радиусных кривых (R₁, R₁', R₁'').In the middle part of the disc 4, from the side of the rim 1, the main radius curves (R ₁ , R ₁ ', R ₁ '') (FIG. 1 and FIG. 2) are conjugated with the second radius curves (R ₂ , R ₂ ', R ₂ '') with curvature coinciding in direction with the curvature of the first radius curves (R ₁ , R ₁ ', R ₁ '').

Значение радиусов вторых радиусных кривых R₂, R₂', R₂'' меньше значения радиусов первых радиусных кривых R₁, R₁', R₁'' и составляет от 0,07 до 0,3 значения номинального наружного диаметра колеса (D).The value of the radii of the second radius curves R ₂ , R ₂ ', R ₂ ''is less than the value of the radii of the first radius curves R ₁ , R ₁ ', R ₁ '' and ranges from 0.07 to 0.3 values of the nominal outer diameter of the wheel (D ).

В средней части диска 4, со стороны ступицы 3 (ФИГ. 1) вторые радиусные кривые (R₂, R₂', R₂'') и (ФИГ. 2) сопряжены с прямолинейными участками (C, C', C'') (ФИГ. 2), которые расположены под углом наклона α к условной плоскости (Р).In the middle part of the disc 4, from the side of the hub 3 (FIG. 1), the second radius curves (R ₂ , R ₂ ', R ₂ ") and (FIG. 2) are conjugated with straight sections (C, C', C" ) (FIG. 2), which are located at an angle of inclination α to the conventional plane (P).

Значение угла наклона прямолинейных участков (C, C', C'') к условной плоскости (Р) - α составляет от 27° до 47°.The angle of inclination of straight sections (C, C ', C' ') to the conventional plane (P) - α is from 27 ° to 47 °.

Со стороны ступицы 3 третьи радиусные кривые (R₃, R₃', R₃'') с кривизной, противоположной по направлению кривизне первых (R₁, R₁', R₁'') и вторых (R₂, R₂', R₂'') радиусных кривых сопряжены с одной стороны с прямолинейными участками (C, C', C'') (ФИГ. 2), а с другой стороны - третья радиусная кривая R₃' наружной поверхности 5 и третья радиусная кривая R₃'' внутренней поверхности 6 диска 4 сопряжены с переходными радиусными участками 9 (ФИГ. 1).From the side of the hub 3, the third radius curves (R ₃ , R ₃ ', R ₃ '') with a curvature opposite in the direction of the curvature of the first (R ₁ , R ₁ ', R ₁ '') and the second (R ₂ , R ₂ ' , R ₂ '') of the radius curves are conjugated on the one hand with straight sections (C, C ', C'') (FIG. 2), and on the other hand - the third radius curve R ₃ ' of the outer surface 5 and the third radius curve R ₃ '' of the inner surface 6 of the disc 4 are mated with transition radius sections 9 (FIG. 1).

Значение радиусов третьих радиусных кривых R₃, R₃', R₃'' составляет от 0,07 до 0,3 значения номинального наружного диаметра колеса (D).The value of the radii of the third radius curves R ₃ , R ₃ ', R ₃ ''is from 0.07 to 0.3 times the nominal outer diameter of the wheel (D).

Третья радиусная кривая R₃ теоретической центральной осевой линии 7 расположена таким образом (ФИГ. 1), что угол наклона β между условной плоскостью (Р) и прямой (F) (ФИГ. 2), проведенной касательно к третьей радиусной кривой R₃ через точку (А) теоретической центральной осевой линии 7 (ФИГ. 2), находящейся в начале участка сопряжения диска 4 со ступицей 3, составляет от 7° до 25°.The third radius curve R _{3 of the} theoretical centerline 7 is located in such a way (FIG. 1) that the angle of inclination β between the conventional plane (P) and the straight line (F) (FIG. 2) drawn tangent to the third radius curve R ₃ through the point (A) the theoretical centerline 7 (FIG. 2) located at the beginning of the mating portion of the disc 4 with the hub 3 is 7 ° to 25 °.

Выбор оптимальной формы диска колеса согласно изобретению, осуществлен с использованием конечно-элементного моделирования различных вариантов конструкций по методикам с учетом схем нагружения применительно к российским железным дорогам, описанным в стандарте AAR S-660 (Ассоциации Американских железных дорог) и европейском EN 13979-1:2003+А2:2011, которые позволяет определять напряженно-деформированное состояние колеса от действия механических (взаимодействие колесо-рельс), тепловых нагрузок (нагрев обода при длительном торможении), наиболее критичных при эксплуатации, а также размах напряжений, являющийся критерием усталостной прочности.The choice of the optimal shape of the wheel disc according to the invention was carried out using finite element modeling of various design options according to the methods taking into account the loading schemes as applied to the Russian railways, described in the AAR S-660 (Association of American Railways) standard and European EN 13979-1: 2003 + A2: 2011, which make it possible to determine the stress-strain state of a wheel from the action of mechanical (wheel-rail interaction), thermal loads (heating of the rim during prolonged braking), which are the most critical during operation, as well as the stress range, which is a criterion for fatigue strength.

На ФИГ. 3 приведены результаты расчетов НДС в зависимости от случаев механического нагружения колеса в расчете для осевой нагрузки 30 тс для различных конструкций.FIG. 3 shows the results of SSS calculations depending on the cases of mechanical loading of the wheel in the calculation for an axial load of 30 tf for various structures.

В случае 1 - рассчитано НДС при движении колесной пары по прямому участку пути, когда на колеса, в основном, действует вертикальная сила по кругу катания;In case 1, the VAT was calculated for the movement of a wheelset along a straight section of the track, when the wheels are mainly acted upon by a vertical force along the rolling circle;

В случае 2 - рассчитано НДС при движении колесной пары по кривому участку пути, когда на гребень одного из колес действует горизонтальная боковая сила, а на обод - вертикальная, смещенная в сторону гребня;In case 2, the SSS was calculated when a wheelset moves along a curved section of the track, when a horizontal lateral force acts on the ridge of one of the wheels, and a vertical force acts on the rim, shifted towards the ridge;

В случае 3 - рассчитано НДС при движении колесной пары по кривому участку пути, когда вертикальная сила действует на внешнюю (полевую) часть поверхности катания обода.In case 3, the SSS was calculated for the movement of a wheelset along a curved section of the track, when the vertical force acts on the outer (field) part of the rolling surface of the rim.

На ФИГ. 4 приведены результаты расчетов НДС при тепловом и комбинированном нагружении колеса для осевой нагрузки 30 тс для различных конструкций.FIG. 4 shows the results of SSS calculations for thermal and combined loading of a wheel for an axial load of 30 tf for various designs.

В случае 4 - рассчитано НДС при длительном торможении колесной пары тормозными колодками (100 % тепла - в колесо) в течении 20 минут;In case 4 - VAT was calculated for long-term braking of a wheel pair with brake pads (100% heat - into the wheel) for 20 minutes;

В случае 5 - рассчитано НДС при движении колесной пары по прямому участку пути, когда на колеса, в основном, действует вертикальная сила по кругу катания в сочетании с длительным торможением;In case 5, the VAT was calculated for the movement of a wheelset along a straight section of the track, when the wheels are mainly acted upon by a vertical force along the rolling circle in combination with prolonged braking;

В случае 6 - рассчитано НДС при движении колесной пары по кривому участку пути, когда на гребень одного из колес действует горизонтальная боковая сила, а на обод - вертикальная, смещенная в сторону гребня в сочетании с длительным торможением;In case 6, the SSS was calculated when a wheelset moves along a curved section of the track, when a horizontal lateral force acts on the ridge of one of the wheels, and a vertical force acts on the rim, shifted towards the ridge in combination with prolonged braking;

В случае 7 - рассчитано НДС при движении колесной пары по кривому участку пути, когда вертикальная сила действует на внешнюю (полевую) часть поверхности катания обода в сочетании с длительным торможением.In case 7, the SSS was calculated when a wheelset moves along a curved section of the track, when a vertical force acts on the outer (field) part of the rim rolling surface in combination with prolonged braking.

По результатам проведенных согласно требованиям AAR S-660, EN 13979-1 расчетов заявляемая конструкция, как показано на ФИГ. 3, 4, 5 имеет лучшие в сравнении с аналогичными по назначению конструкциями колес по ГОСТ 10791-2011 характеристики уровня напряженного состояния, усталостной прочности диска, возможность использования с максимальной нагрузкой на ось до 30 тс наряду с обеспечением при прочих равных условиях минимальной массы конструкции среди известных аналогов (ФИГ. 6).Based on the results of calculations carried out in accordance with the requirements of AAR S-660, EN 13979-1, the declared design, as shown in FIG. 3, 4, 5 has the best characteristics of the stress state level, the fatigue strength of the disc, the possibility of using it with a maximum axle load of up to 30 tf, in comparison with similar wheel designs in accordance with GOST 10791-2011, along with ensuring, other things being equal, the minimum weight of the structure among known analogues (FIG. 6).

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, позволили установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными (идентичными) всем существенным признакам заявляемого изобретения.The applicant's analysis of the state of the art, including a search for patent and scientific and technical sources of information, and the identification of sources containing information about analogues of the claimed invention, made it possible to establish that the applicant did not find an analogue characterized by features identical (identical) to all essential features of the claimed invention.

Определение из перечня выявленных аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому техническому результату отличительных признаков в заявляемом ''Железнодорожном колесе'', изложенных в формуле изобретения.Determination from the list of identified prototype analogues made it possible to identify a set of distinctive features significant in relation to the perceived technical result in the claimed `` Railway wheel '' set forth in the claims.

Результаты поиска показали, что заявляемое изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявляемого изобретения преобразований на достижение технического результата.The search results showed that the claimed invention does not follow explicitly for a specialist from the prior art defined by the applicant, the influence of the transformations envisaged by the essential features of the claimed invention on the achievement of the technical result has not been revealed.

Теоретические исследования железнодорожных колес с конфигурацией диска, согласно заявленной формуле, применительно к грузовым вагонам для сети российских железных дорог показали соответствие всем требованиям безопасности и способность обеспечения оптимального уровня эксплуатационных характеристик колес. Этим доказывается достижение усматриваемого заявителем технического результата.Theoretical studies of railway wheels with a disk configuration, according to the stated formula, applied to freight cars for the Russian railways network, have shown compliance with all safety requirements and the ability to ensure the optimal level of operational characteristics of the wheels. This proves the achievement of the technical result seen by the applicant.

Источники информации:Sources of information:

[1] патент RU № 2408469, МПК В60В 17/00; B60В3/02, В 61F 13/00; В21Н 1/04 опубликованного 10.01.2011, бюл. № 1(Открытое акционерное общество ''ИНТЕРПАЙП НИЖНЕДНЕПРОВСКИЙ ТРУБОПРОКАТНЫЙ ЗАВОД'' (UA));[1] patent RU No. 2408469, IPC В60В 17/00; B60B3 / 02, B 61F 13/00; В21Н 1/04 published on 10.01.2011, bul. No. 1 (Open Joint Stock Company INTERPIPE NIZHNEDNEPROVSK PIPE ROLLING PLANT (UA));

[2] патент RU № 2259279, МПК В60В 17/00; B60В 3/02; В21Н 1/04, опубликованного 27.08.2005, бюл. № 24 (Открытое акционерное общество ''Выксунский металлургический завод'');[2] patent RU No. 2259279, IPC В60В 17/00; B60B 3/02; В21Н 1/04, published on August 27, 2005, bull. No. 24 (Open Joint Stock Company Vyksa Metallurgical Plant);

[3] патент RU 2428319, МПК B60В 17/00, B60В 3/02, B61F 13/00, B21Н 1/04, опубликованного 10.09.2011, бюл. (Открытое акционерное общество ''Выксунский металлургический завод'' (RU)) № 25.[3] patent RU 2428319, IPC B60B 17/00, B60B 3/02, B61F 13/00, B21H 1/04, published 09/10/2011, bull. (Open Joint Stock Company Vyksa Metallurgical Plant (RU)) No. 25.

Claims

Railway wheel, which is a solid-rolled part with a nominal outer diameter (D), having an axis of rotation (Z), a conventional plane (P) perpendicular to the axis of rotation of the wheel (Z), and containing a rim 1 with a ridge 2, a hub 3 and a disc 4 curved a shape formed by the outer 5 and inner 6 surfaces and having a theoretical central axial line 7 of a radial section, conjugated with the rim 1 with transition radius sections 8 and with a hub 3 with transition radius sections 9, and the theoretical central axial line 7 of the radial section of the disc 4 at the interface of the disc 4 with the hub 3 is displaced along the axis of rotation (Z) of the wheel relative to the central axial line 7 of the radial section of the disc 4 at the interface of the disc 4 with the rim 1 towards the ridge 2, characterized in that the theoretical central axial line 7 of the radial section of the disc 4 and, accordingly each of the generatrices of the outer 5 and inner 6 surfaces of the disc 4 consists of three main rad curved curves and rectilinear inclined section, namely:

- from the side of the rim 1 - the first radius curves (R ₁ , R ₁ ', R ₁ "), and the first radius curve R ₁ ' of the outer surface 5 and the first radius curve R ₁ " of the inner surface 6 of the disc 4 are conjugated with the transition radius sections 8 , and the value of the radii of the first radius curves (R ₁ , R ₁ ', R ₁ ") is from 0.42 to 0.57 values of the nominal outer diameter of the wheel D, while the first radius curve R _{1 of the} theoretical centerline 7 is located in such a way that the angle of inclination (γ) between the conditional plane (P) and the straight line (E) drawn tangentially to the first radius curve R ₁ through the point (B) of the theoretical center line 7 located at the beginning of the mating section of the disc 4 with the rim 1 is from 2 to 7 °;

- in the middle part of the disk 4, from the side of the rim 1 - the second radius curves (R ₂ , R ₂ ', R ₂ ") with curvature coinciding in the direction with the curvature of the first radius curves (R ₁ , R ₁ ', R ₁ ") and associated with them, and the value of the radii of the second radius curves (R ₂ , R ₂ ', R ₂ ") is less than the values of the radii of the first radius curves (R ₁ , R ₁ ', R ₁ ") and ranges from 0.07 to 0, 3 values of the nominal outer diameter of the wheel (D);

- in the middle part of the disc 4, from the side of the hub 3 - rectilinear sections (C, C ', C ”), located with an inclination at an angle of inclination (α) to the conditional plane (P) and conjugate with the second radius curves (R ₂ , R ₂ ', R ₂ "), and the value of the angle of inclination α is from 27 to 47 °;

- from the side of the hub 3 - third radius curves (R ₃ , R ₃ ', R ₃ ") with curvature opposite in the direction of curvature of the first (R ₁ , R ₁ ', R ₁ ") and the second (R ₂ , R ₂ ' , R ₂ ") radius curves and conjugate on the one hand with rectilinear sections (C, C ', C"), and on the other hand - the third radius curve R ₃ ' of the outer surface 5 and the third radius curve R ₃ "of the inner surface 6 of the disc 4 are coupled with transitional radius sections 9, and the value of the radii of the third radius curves (R ₃ , R ₃ ', R ₃ ”) is from 0.07 to 0.3 of the nominal outer diameter of the wheel (D), while the third radius curve R _{3 of the} theoretical centerline 7 is located so that the angle of inclination (β) between the conventional plane and a straight line (F) drawn tangentially to the third radius curve R ₃ through the point (A) of the theoretical centerline 7 located at the beginning of the disc mating section 4 with hub 3 is 7 to 25 °.