Железнодорожное колесо
Железнодорожные колеса являются колесами из рельсовых транспортных средств и являются частью колесного и имеют различные конструкции. Первоначально это были спицевые колеса , позже - дисковые, а также шины и цельнолитые колеса с резиновыми рессорами, а в некоторых случаях и с пневматическими шинами. В зависимости от функции также различают ведущие ведущие колеса и только несущие ходовые колеса. Как правило, колесные диски колесной пары сидят на полуоси с защитой от кручения, но есть также незакрепленные колесные пары с колесами , которые независимо установлены на неподвижной оси, и индивидуально смонтированными полуосями или цапфами. В случае набора колес для смены колеи для стандартных автомобилей колесные диски на полуоси могут смещаться вбок и блокироваться от вращения.
Развитие системы колесо-рельс привело к тому, что протекторы колес имеют конический профиль. Это вызывает самоцентрирующееся синусоидальное движение в направляющей , закрепленное фланцем .
Колеса со спицами
Первые железнодорожные колеса возникли под влиянием традиций вагоностроения и часто проектировались как колеса со спицами из дерева. Следующая оригинальная версия ведущих колес известна от американского локомотива John Bull , построенного в 1830 году : ступицы колес были сделаны из чугуна , спицы и обода - из твердой древесины робинии , а колеса толщиной в три четверти дюйма. снова были сделаны из кованого железа .
Реплика ходовой оси локомотива Адлер с SpeI-chen-ra-country
(Оригинальная копия 1835 г., 1935 г.)
Колеса со спицами с изогнутыми спицами на реплике Saxonia
(оригинал 1838 г., реплика 1988 г.)
Спицы Pferdebahn -wa гена 167 из FTG в Франкфурте -на- Веры-Kehr му Сеум
(1872)
Большие ведущие колеса современных паровозов позже были полностью изготовлены из литой стали, но по-прежнему проектировались как колеса со спицами для экономии веса. Первые полноприводные электровозы также работали на колесах со спицами. В случае некоторых типов одноосных приводов с подпружиненными мощными двигателями колеса со спицами также были функциональной необходимостью. Здесь выносные опоры большого колеса на полом валу вели через спицы к внешней стороне колес, где они были соединены с центром колеса через пружинные элементы (стальные тарельчатые пружины / « пружинный привод чашки » или резиновые сегменты / « резиновый сегмент»). пружинный привод »).
Рисование
Колеса могут быть покрыты краской, но при этом не учитываются протекторы и боковые поверхности колесной шины (где гусеничные тормоза работают на грузовых вагонах ). В дополнение к защите от коррозии краска также выполняет функцию распознавания термических перегрузок и трещин.
В случае тепловой перегрузки из-за горячего бегунка или постоянно включенного тормоза краска горит со значительным выделением дыма. Когда краска остынет, можно увидеть видимое отслаивание краски.
Соответствующая окраска колеса может помочь своевременно выявить повреждения, вызванные трещинами. Для колес со спицами немецких паровозов был выбран красный цвет, при котором были четко видны микротрещины на спицах, а темные остатки смазки, собравшиеся в трещинах, были четко отделены от ярко-красного цвета. Даже более светлый цвет не подходил бы для распознавания блестящего свежего перерыва.
Для шин с шинами на каждую из них нанесено четыре цветных метки, указывающих, не перекручена ли шина по центру колеса. На Ретийской железной дороге, с другой стороны, черно-белое лакокрасочное покрытие отвечает за распознавание заблокированных колес. В этом поезде из-за относительно медленного срабатывания вакуумного тормоза без возможности обеспечения защиты от скольжения , в связи с перепадом высот на маршрутах и зимой со снегом и льдом, особенно высок риск блокировки колесных пар.
Лакокрасочные покрытия на колесных дисках сегодня вообще запрещены на американских железных дорогах.
Колеса Boxpok
Альтернатива запатентованной американской General Steel Castings Corporation (Гранит, Иллинойс) конструкции "Boxpok" (= англ. "Спица в коробке"), в которой полое колесо со спицами U-образного поперечного сечения с приблизительно овальной стороной углубления разного размера. При заданной нагрузке они легче, чем «настоящие» колеса со спицами.
Колесо Baldwin-диск был похож на Boxpok колесо Baldwin Locomotive Works (Eddystone, штат Пенсильвания) и в стиле ар - деко -Industriedesigner Генри Дрейфус разработан Хадсон - обтекаемых локомотивов на Нью - Йоркской Центральной - серии J-3a известно Скаллин-Doppelscheibenrad американской Scullin Steel Co. (Сент-Луис, Миссури). Колесо Bulleid Firth Brown (колесо BFB), разработанное в Великобритании Оливером Буллейдом и Фертом Брауном, не является полым, но диск колеса имеет трапециевидное гофрированное поперечное сечение.
Колеса Boxpok были особенно популярны в Европе после Второй мировой войны , например, в локомотивах советской серии П36 (П36) и универсальных локомотивах Mikado серии 141 R, которые в больших количествах поставлялись из США и Канады во Францию. как средство восстановления . В качестве единственных немецких паровозов восемь экспресс- тракторов серии DR 01.5 были временно оснащены колесами Boxpok, которые, однако, не зарекомендовали себя из-за производственных ошибок и были заменены новыми литыми колесными парами с усиленными спицами.
Колесные шины
Колеса с шинами состоят из корпуса колеса и окружающего его колеса . Каждый из этих компонентов состоит из различных стальных сплавов, которые больше подходят для их целей и которые можно обрабатывать отдельно перед сборкой (например, ковкой колесных шин). Этот принцип строительства предлагал и до сих пор имеет некоторые преимущества перед ним.
- однородный чугунный корпус (склонный к поломке по окружности),
- однородный стальной литой корпус (производство в 19 веке еще не было экономичным) или
- однородное вращающееся тело (еще не экономичное в производстве в 19 веке) или
- однородный кованый корпус (в 19 веке производство еще не было экономичным)
Ковка заготовки колесной шины пневмомолотом (2010 г.)
Газовая горелка для подогрева колесных шин перед их установкой
Снятие колесной шины: шина нагревается кольцевой горелкой до тех пор, пока она не отсоединится от крестовины колеса.
Установка колесной шины с резиновыми рессорами
В 1852/1853 году Альфред Крупп изобрел бесшовную колесную шину в Эссене : кованый, удлиненный кусок стали раскололся посередине, разделился на кольцо, растянулся и прокатился. Компания Krupp на протяжении десятилетий продавала свои колесные шины большинству железных дорог Северной Америки , что обеспечило успех более поздней промышленной империи Krupp . Об этом напоминают три кольца символа компании Krupp. В то же время Якобу Майеру из Бохума удалось изготовить колесные шины непосредственно из литой стали. Вплоть до начала 20 века оба процесса конкурировали друг с другом, но в конечном итоге колеса Krupp, изготовленные из блока, более экономичны в производстве и имеют лучшие свойства материала из-за большей деформации стали. До того, как Крупп и Майер изобрели неразъемные колесные шины, стержни изгибались круглыми и сваривались, что приводило к частым разрывам в местах сварки с необходимыми твердыми типами стали, или наматывались по спирали из более тонкого материала стержней, а затем ковались.
Одним из преимуществ колесных шин является то, что при износе колес не нужно заменять весь колесный диск . Поэтому нет необходимости ослаблять прессовое соединение между колесным диском и осью. Поскольку шины в среднем более 600 000 км по жестким рельсам из стальных валков, они должны быть сами прикреплены из высокопрочной стали и чрезвычайно устойчивы к корпусу колеса. Большая масса шин с шинами является недостатком, во-первых, из-за количества материала, необходимого для посадки центра колеса и шины колеса, для стабильности прессовой посадки и из-за минимальной толщины шины колеса.
Резиновая подвеска (колесная пара с резиновыми рессорами ) может быть установлена между колесной шиной и колесным диском . Это повышает комфорт вождения и зарекомендовало себя в трамваях и городских высокоскоростных рельсовых транспортных средствах. Однако авария с ДВС в Эшеде показала ограничения этой системы в высокоскоростном движении.
Сборка и разборка
Стальные колесные шины обычно прикрепляют к центру колеса путем их усадки . Для этого колеса изготавливают с диаметром чуть меньшего диаметра, чем требуется для условий эксплуатации. Затем колесная шина нагревается до такой степени, что ее внутренний диаметр немного превышает внешний диаметр корпуса колеса из-за теплового расширения . В этом состоянии используется колесная пара. Колесная шина снова сжимается, когда она остывает, и закрывает корпус колеса с помощью неположительного соединения.
С внешней стороны колесные шины имеют воротник на внутренней окружности, который служит стопором при надевании и предотвращает смещение внутрь. Во внутреннюю часть вкручивается паз, в который вставляется и накатывается стальное стопорное кольцо . Он служит резервным средством, если шина колеса расшатывается, в частности, из-за неподвижного тормоза или горячего бегунка. Существуют также конструкции, в которых отсутствует дополнительная канавка для стопорного кольца. Эти колесные шины также имеют стопорное кольцо на внутренней стороне, которое предотвращает смещение колесной шины вбок. Упорное кольцо внутри намного меньше, чем снаружи, так как оно должно иметь возможность натягиваться на корпус колеса, когда шина колеса стягивается после того, как она была нагрета.
Для демонтажа изношенная колесная шина разрезается, отделяется от корпуса колеса и утилизируется. Центр колеса будет продолжать использоваться после испытания.
Нагрузка на колесные шины
Колесные шины из-за их термоусадки постоянно находятся под напряжением. Помимо истирания, на протекторах колесных шин появляются небольшие поперечные трещины, на которые действуют блочные тормоза . При высоких контактных усилиях, составляющих десять тонн на колесо, прокатывающее движение медленно перемещает материал наружу и приводит к перекатыванию по внешнему краю. Эта работа качения по беговой поверхности также расслабляет поверхности, подверженные трещинам от торможения, так что нет риска поломки из-за небольших поперечных трещин. Иначе обстоит дело, когда тормозная колодка трется о внешние края шины и нагревает внешний край: эта область не расслабляется при качении, что приводит к образованию трещин от напряжения на внешней стороне. Колесные шины исследуются на наличие трещин с помощью ультразвука. Еще одна опасность возникает из-за эффекта выемки штампов.
Железнодорожные колеса нагружаются колесными нагрузками до 11 т преимущественно в зоне центральной взлетно-посадочной полосы. Помимо весовых сил, здесь должны передаваться в первую очередь движущие и тормозные силы. Фланцы становятся тоньше в средних и узких дугах на боковых сторонах из-за бокового износа. Гребни гребней колес обычно не забиваются.
Однако в случае трамваев нагрузка на колеса составляет менее 6 т. В отличие от железнодорожных колес, гребень колеса в первую очередь подвергается износу и пластической деформации на передней поверхности, а также на вершине. Поскольку в трамвайных сетях могут иметь место радиусы менее 20 м, боковой износ особенно заметен сильнее, чем у железнодорожных колес. Кроме того, особенно в сетях с большой долей участков дорожных транспортных средств, расположенных заподлицо с дорогой, в каналы рельсов с канавками попадает дорожная грязь или истирание, которые действуют как абразив, особенно в сочетании с влагой. Это выражается не в последнюю очередь в более коротких интервалах между заменами двух колесных пар с пробегом от 20 000 до 80 000 км.
мониторинг
В прошлом хозяин вагонов ударил по колесам неподвижных поездов длинным легким молотком - даже когда они останавливались на вокзалах. В зависимости от колесной пары он смог определить по звуку незакрепленные шины колеса или начало усталостных трещин на колесе.
Сегодня шины колес проверяются в мастерских на предмет последствий перегрева, таких как микротрещины и расшатывание сиденья. По цветовой маркировке можно проверить, не перекручена ли шина колеса по центру колеса. Волосные трещины можно обнаружить с помощью ультразвукового исследования и рентгеновских снимков тонкой структуры. Расшатавшуюся колесную шину можно отличить от застрявшей шины с помощью звукового теста: если звук такой яркий, как колокол, на 90% окружности и не приглушен, колесная шина может считаться натянутой. На колесе нанесена цветная маркировка, позволяющая убедиться, что оно плотно установлено и может использоваться снова, если металлическая стружка не выскользнула из седла и шина колеса больше не вращается.
Полное колесо
У полноприводных или моноблочных колес диск и протектор колеса сделаны из одной детали, что является правилом для современных автомобилей. Термическая обработка гарантирует, что мягкий колесный диск из прочной литой стали имеет твердую износостойкую рабочую поверхность. По сравнению с колесом, состоящим из двух частей, состоящего из колесного диска и колесной шины, сплошные колеса имеют экономию массы; с другой стороны, если протектор изношен, все сплошное колесо должно быть заменено. В отличие от двухэлементных колес, когда полное колесо с блочными тормозами перегревается , отсутствует риск ослабления колесных шин; вместо этого в окружном направлении протектора возникают высокие внутренние напряжения, которые могут привести к поломке диска колеса. Поэтому сплошные колеса необходимо регулярно проверять на наличие следов возможного перегрева во время работы и проверять на наличие трещин с помощью ультразвука во время технического обслуживания. В некоторых случаях перегретые колеса можно термически регенерировать, чтобы их не приходилось сдавать в металлолом. Велосипеды могут преодолевать расстояние от 1 до 2,5 миллионов километров. Колесо изношено до диаметра 80 мм (см .: DB серия 101 ). Канавка на лицевой стороне колеса показывает, что предел износа достигнут.
Сборка и разборка
Сплошное колесо прижимается к валу колесной пары прессом колесной пары . После сборки обоих колес измеряются расстояния между задними сторонами колес. Полноколесные пары сбалансированы. Для этого ось зажимается со смещением от центра и диск на внутреннем ободе обода зазубрен. Колесная пара демонтируется путем отжима колесных дисков.
Нагрузки и тесты
Полное колесо с блочными тормозами подвергается нагрузкам, аналогичным нагрузкам на шину с шинами. Полное стекло также проверяется на наличие трещин снаружи. Но есть дополнительная нагрузка: если полный байк перегревается, зона бега увеличивается. Он тянет за собой пружинящую среднюю часть колеса. После того, как велосипед остынет, растянутая центральная зона давит наружу на беговую площадку. Протектор снова расслабляется во время работы качения, но фланец - нет. Силы сосредоточены на гребне колеса и приводят к глубоким трещинам. По этой причине следует заменить перегретые цельные колеса и расслабить ремонт. Во время ремонта сплошные колеса подвергаются полному ультразвуковому испытанию, включая измерение остаточного напряжения.
В случае массивных колес с дисковым тормозом, которые достигают очень большого пробега без необходимости выключения, в редких случаях может быть дублирование материала в рабочей зоне. Эти случаи очень редки, и причины еще до конца не выяснены. Материал отслаивается на несколько миллиметров ниже беговой поверхности, поэтому погонные километры ограничены до следующего ремонта.
Закалка обода колеса / целенаправленная закалка поверхностей качения
Колесо движется по рельсу и в этой паре изнашивается сильнее. Это связано с тем, что структура беговой поверхности готового колеса перлитная . Для этого только протектор и фланец кованого колеса закаливают в закалочной ванне HEESS путем целенаправленного воздействия воды. Перегородка и ступица колеса не закалены. Термическая обработка в основном осуществляется следующим образом:
- Нагрев железнодорожного колеса в высокотемпературной печи примерно до 860 ° C (= аустенизация )
- Выдержать при 860 ° C (время выдержки зависит от материала и поперечного сечения)
- Закалка обода колеса водой или водовоздушной смесью в закалочной ванне HEESS
- Нагрев колеса поезда в низкотемпературной печи примерно до 550 ° C ( отпуск = релаксация)
- Выдержите при 550 ° C (время выдержки снова зависит от материала и поперечного сечения)
- Охлаждение на воздухе
В результате термообработки на краю протектора образуются следующие слои, если смотреть снаружи внутрь.
- Твердый слой чистого бейнита
- Смешанный слой бейнита и перлита
- Основная структура: слой, состоящий примерно из 95% перлита и 5% феррита.
Твердый слой и смешанный слой отключаются при последующей твердой механической обработке, так что основная структура, а именно перлит, остается. В Европе для производства железнодорожных колес используются кованые низколегированные конструкционные стали. Общие названия материалов - R7, R8 и R9. Стандарт UIC-812-3 Международного союза железных дорог определяет требуемые технические свойства до и после термообработки. Основные характеристики сделаны для:
- Твердость по Бринеллю на глубине 30 миллиметров
- Ударная вязкость с надрезом
- прочность на разрыв
- Структура точеной детали
- Уровень остаточных напряжений
Колесные пары с низким остаточным напряжением
Чтобы противодействовать дополнительному нагреву, возникающему при использовании композитных тормозных колодок, и возникающим в результате возможным трещинам от напряжений, колесные пары с низким остаточным напряжением использовались на экспериментальной основе с конца 1980-х годов и в большем масштабе с середины 1990-х годов. Композитные тормозные колодки менее способны рассеивать возникающее при торможении тепло, чем тормозные колодки из серого чугуна, поэтому колесный диск должен рассеивать больше тепловой энергии и, следовательно, подвергается большим колебаниям температуры.
Чтобы эффективно бороться с трещинами под напряжением, вызванными колебаниями температуры, был разработан колесный диск, который менее чувствителен к таким нагрузкам. Основное различие между ступицей колеса и протектором заключается в характерной S-образной форме этого колесного диска, которая обеспечивает лучшее снижение напряжения, чем у плоских колесных дисков. Как побочный эффект, большая поверхность также имеет улучшенный отвод тепла. Такие колесные пары маркируются на грузовых вагонах прерывистой вертикальной белой линией на корпусе подшипника.
Пневматические колеса
В некоторых сетях метро и отдельных транспортных средствах, например французском Micheline, используются колеса с пневматическими шинами. Преимущество этих колес в том, что резина протектора на стальных рельсах имеет значительно более высокий коэффициент статического трения, чем стальные колеса. Это обеспечивает более высокие ускорения и замедления, что обеспечивает соответственно более короткое время в пути, а также более плотный график циклов между ближайшими остановками. Более высокое статическое трение также выгодно для маршрутов с крутыми подъемами, таких как линия M2 метро Лозанна . Кроме того, резиновые колеса вызывают гораздо меньшую вибрацию, чем обычные стальные колеса, что особенно заметно на маршрутах в простых низинных участках в сочетании с твердым дорожным покрытием , например, в Métro Lyon . Недостатком колесных пар с пневматическими шинами является отсутствие самоцентрирования в гусенице, а более высокое статическое трение между колесом и рельсом в ведущих колесных парах требует установки дифференциальных передач.
В зависимости от рельсовой системы пневматические шины движутся по стандартным железнодорожным путям или по дорогам, специально разработанным для резиновых шин. При движении по стандартным стальным рельсам и через стрелочные переводы фланцы дополнительных классических железнодорожных колес, параллельные резиновым шинам, берут на себя инициативу; они также являются элементами аварийного хода в случае спуска шины. При нормальной работе дополнительные стальные колеса не касаются головок рельсов. В случае проезжей части, предназначенной исключительно для резиновых шин, требуются другие дополнительные направляющие элементы, такие как боковые направляющие и горизонтальные направляющие колеса.
Сравнительно сложная конструкция влечет за собой соответственно более высокие затраты на приобретение. Стоимость строительства гусеницы примерно вдвое выше, чем у обычной фрикционной гусеницы. И наоборот, затраты на поддержание колеи меньше, поскольку из-за разной твердости материалов износу подвержены только шины поезда, но не рельсы.
Особый случай - запатентованные колеса Howden-Meredith, которые использовались в рельсовых автобусах в Ирландии . Ричард Мередит и Джордж Хауден разработали железнодорожное колесо, в котором пневматическая шина, заполненная газом, была окружена стальной колесной шиной. Ирландская железнодорожная компания Great Northern Railway (GNR) построила в 1930-х годах для себя и других операторов ряд рельсовых транспортных средств на основе уличных автобусов, в которых использовалась эта система.
Экономические аспекты
Рельсовые транспортные средства получают большое экономическое преимущество из-за того, что они могут преобразовывать энергию привода намного эффективнее, чем многие другие транспортные средства. Низкое трение стальных колес о рельс , которое, с одной стороны, приводит к ухудшению торможения и ускорения рельсовых транспортных средств, с другой стороны, приводит к эффективному использованию энергии, необходимой даже для длительных поездок с тяжелыми грузами.
Однако для оптимального использования ходовых качеств рельсовых транспортных средств требуются единые стандарты геометрической конструкции колес и путей. Различные припадки колес и рельсов одна из причин , почему железнодорожные транспортные средства теряют часть своей технической эффективности , как только они ездят на шинопроводе , которые были построены в соответствии с различными стандартами ( в других странах, конструкций дорожек и железнодорожных наклонностей). Более низкая или другая средняя скорость приводит к повышенному потреблению энергии, нагрузка на фланец колеса (особенно на поворотах) может привести к более высоким затратам на техническое обслуживание. Однако в сетях европейского стандарта и в сетях широкой колеи размеры колесных пар и гусениц стандартизированы на международном уровне. Однако существуют отклонения в размерах в стандартной сети колеи Китая и Северной Америки, например, в важном расстоянии от задней поверхности колесных дисков, а также в наклоне рельсов и профилях протектора. Обмен автомобилями между Европой и Ближним Востоком и китайской или североамериканской сетью обычно требует, помимо дальнейших корректировок, замены колесных пар и в некоторых случаях редактирования схемы. Транспортным средствам, которые должны одинаково ездить по автомобильным и железнодорожным сетям, предоставляются колеса с компромиссными профилями. Их недостаток - более низкие допуски и поэтому необходимо более частое перепрофилирование.
литература
- Клаус Ноте, Себастьян Штихель: Динамика железнодорожного транспорта . Springer-Verlag, Берлин 2003 г., ISBN 3-540-43429-1 .
- Мориц Поллитцер: высшие железнодорожные знания: для использования практикующими железнодорожными инженерами и всеми, кто получил такое образование в технических университетах. Часть 1: Материалы железа и стали. Производство и использование в соответствии с положениями Ассоциации немецких железнодорожных администраций . Шпильхаген и Шурих, Вена, 1887 г.
Индивидуальные доказательства
- ↑ steamlocomotive.com: Steam Locomotive Driver Wheel Types , по состоянию на 25 апреля 2020 г.
- ↑ https://patents.google.com/patent/US1960039
- ↑ https://locoyard.files.wordpress.com/2012/08/2008-ropley-35005-canadian-pacific-bulleid-firth-brown-wheel.jpg?w=1200
- ↑ Фотография DR 01 0503-1 с колесами Boxpok
- ↑ Великая хроника всемирной истории. Том 13: Индустриализация и национальное пробуждение 1849–1871 гг. Wissen Media Verlag GmbH, Гютерсло / Мюнхен 2008, ISBN 978-3-577-09073-5 , стр. 72 онлайн .
- ^ Moritz Поллитцер
- ↑ BMVIT (Ред.): Отчет о расследовании крушения поезда Z54352 в туннеле Тауэрн . 2007, 9 августа 2006 г. Правила обслуживания, п. 31-38 ( pdf ).
- ^ Рене Вальдманн: La grande Traboule . Эд. Lyonnaises d'Art et d'Histoire, Lyon 1991, ISBN 2-905230-49-5 , стр. 197 .
- ↑ Ирландские инженеры-локомотивы на steamindex.com, доступ 19 декабря 1017 г.
- ^ Мартин Bairstow: Железные дороги в Ирландии. Часть первая . Мартин Бэрстоу, Лидс 2006, ISBN 1-871944-31-7 , стр. 68 .
- ↑ SLNCR Railcar 2A Enniskillen 08-06-1957 на rmweb.co.uk, просмотрено 19 декабря 1017 г.
- ↑ Том Феррис: Irish Railways in Color: From Steam to Diesel 1955-1967 . Midland Publishing, 1995, ISBN 1-85780-000-1 , стр. 44 и 68 (английский).
