ГОСТ 31373-2008 Колесные пары локомотивов и моторвагонного подвижного состава. Расчеты и испытания на прочность

Краткое наименование страны
по МК (ИСО 3166) 004-97

Код страны
по МК (ИСО 3166) 004-97

Сокращенное наименование национального органа по стандартизации

Азербайджан

АZ

Азстандарт

Армения

АМ

Минторгэкономразвития

Беларусь

BY

Госстандарт Республики Беларусь

Казахстан

КZ

Госстандарт Республики Казахстан

Киргизия

KG

Кыргызстандарт

Молдова

МD

Молдова-Стандарт

Российская Федерация

RU

Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии

Таджикистан

TJ

Таджикстандарт

Узбекистан

UZ

Узстандарт

Украина

UA

Госпотребстандарт Украины

колесная пара: Узел в сборе, состоящий из оси с установленными на ней неподвижно ходовыми колесами, а также одним или двумя зубчатыми колесами тягового привода (осевого редуктора) и другими деталями, включая осевые подшипники тягового двигателя или редуктора, тормозные диски, которые не могут быть демонтированы без расформирования колесной пары.

[ГОСТ 11018-2000, раздел 3]

сопротивление усталости: Свойство материала противостоять усталости.

[ГОСТ 23207-78, статья 2]

предел выносливости: Максимальное по абсолютному значению напряжение цикла, при котором еще не происходит усталостное разрушение при базе испытания.

Примечание - Пределы выносливости выражают в номинальных напряжениях.

[ГОСТ 23207-78, статья 47]

Наименование процесса*

Необходимость проведения процесса для элементов КП

Колесо

Ось

цельное

составное

1 Расчеты на прочность для выбора рациональной конструкции или предварительного анализа напряженно-деформированного состояния

+

+

+

2 Стендовые статические испытания:

2.1 Нагружение КП статическими вертикальными и боковыми горизонтальными нагрузками;

+

+

+

2.2 Нагружение КП касательными нагрузками с предельными по сцеплению значениями с учетом боксования;

-

+**

+**

2.3 Определение монтажных напряжений:

- от насадки бандажа;

-

+

-

- от установки колеса на ось;

+

+

-

- от запрессовки элементов тягового привода в диск колеса (при их наличии);

+

+

-

2.4 Определение остаточных напряжений от термической закалки обода цельного колеса или бандажа составного колеса

+

+

-

3 Стендовые испытания на усталость деталей КП при нагружении циклическим круговым изгибом

+

+

+

4 Испытания материала деталей КП

+

+

+

5 Оценка суммарного напряженного состояния и оценка прочности деталей КП

+

+

+

6 Оценка прочности соединения колеса (цельного, составного, зубчатого) и ступицы тормозного диска с осью и элементов тягового привода (если они имеются) с диском колеса

+

+

-

7 Оценка прочности соединения бандажа с ободом колесного центра

-

+

-

8 Оценка радиальной усадки колесного центра от насадки бандажа

-

+

-

9 Оценка осевых и радиальных перемещений обода цельного или бандажа составного колес вследствие нагрева от колодочного торможения и уменьшения их толщины из-за износа и ремонтных обточек

+**

+**

-

10 Оценка линейных и угловых деформаций оси КП

-

-

+

11 Оценка изгибной и радиальной жесткости КП под действием эксплуатационных вертикальных и боковых нагрузок

+**

+**

+**

12 Полигонные испытания КП на прочность:

12.1 На испытательном полигоне при челночных поездках;

+***

+***

+***

12.2 На испытательном полигоне протяженностью от 5 до 10 тыс. км в зависимости от параметров пути: технического состояния, конструктивных особенностей и продольного профиля и основания;

+**

+**

+**

12.3 При действии предельных по сцеплению касательных нагрузок с учетом боксования

-

+**

+**

13 Эксплуатационные испытания КП

+***

+***

+***

* Объем расчетов и испытаний на прочность может быть сокращен по согласованию с заказчиком, если имеются соответствующие данные по прототипам.

** По требованию заказчика.

*** По согласованию с заказчиком.

Примечания

1 Знак "+" проводят расчеты или испытания для указанного элемента КП.

2 Знак "-" не проводят расчеты или испытания для указанного элемента КП.

Наименование процесса

Необходимость проведения процесса для элементов КП

Колесо

Ось

цельное

составное

1 Стендовые испытания по определению остаточных напряжений

+

+*

-

2 Стендовые испытания на усталость деталей КП

+

+

+

3 Испытание материалов деталей КП

+

+

+

4 Испытания на термоциклическую усталость обода цельного или бандажа составного колеса

+**

+**

-

5 Оценка прочности деталей в составе КП с использованием данных по нагруженности прототипов

+

+

+

* Испытания для определения остаточных напряжений в бандаже.

** По требованию заказчика.

Примечания

1 Знак "+" проводят расчеты или испытания для указанного элемента КП.

2 Знак "-" не проводят расчеты или испытания для указанного элемента КП.

Наименование процесса

Необходимость проведения процесса для колеса КП

цельное

составное

1 Оценка прочности соединения колеса с осью

+

+

2 Оценка прочности соединения бандажа с колесным центром при торможении на затяжных спусках (крутых или длительных) и многократных повторных остановочных торможениях

-

+*

3 Эксплуатационные испытания КП

+*

+*

* По требованию заказчика.

Примечания

1 Знак "+" проводят расчеты или испытания для указанного элемента КП.

2 Знак "-" не проводят расчеты или испытания для указанного элемента КП.

Наименование процесса

Необходимость проведения процесса для колеса КП

цельное

составное

1 Испытания на термоциклическую усталость обода цельного и бандажа составного колеса на тормозном стенде

+*

+*

2 Оценка прочности соединения бандажа с колесным центром

-

+**

3 Эксплуатационные испытания КП

+**

+**

* По требованию заказчика.

** По согласованию с заказчиком.

Примечания

1 Знак "+" проводят расчеты или испытания для указанного элемента КП.

2 Знак "-" не проводят расчеты или испытания для указанного элемента КП.

Наименование процесса

Необходимость проведения процесса для элементов КП

Колесо

Ось

цельное

составное

1 Расчет прочности от действия вертикальных и боковых нагрузок

+

+

+

2 Стендовые испытания КП по определению напряженно-деформированного состояния от статического действия эксплуатационных механических нагрузок

+*

+*

+*

3 Полигонные испытания КП с тензометрированием

+*

+*

+*

4 Оценка прочности деталей КП

+

+

+

* По согласованию с заказчиком.

Примечание - Знак "+" проводят расчеты или испытания для указанного элемента КП.

Наименование метода расчета и испытания, обозначение нормативного документа

Таблица настоящего стандарта (пункты таблицы)

Аналитический метод технической теории оболочек, метод конечных элементов

1 (1)

Метод тензометрирования по [1] и национальным стандартам

1 (2, 3, 12.1, 12.2, 12.3),
2 (1, 2, 4),
4 (1),
5 (2, 3),
1 (11)

Химический состав - по ГОСТ 22536.1, ГОСТ 22536.2, ГОСТ 22536.3, ГОСТ 22536.4, ГОСТ 22536.5, ГОСТ 22536.7, ГОСТ 22536.8, ГОСТ 22536.9, ГОСТ 22536.12.

Твердость - метод Бриннеля по ГОСТ 9012, метод Виккерса по ГОСТ 2999.

Механические свойства - по ГОСТ 1497, ГОСТ 9454.

Макро- и микроструктура - по ГОСТ 1763, ГОСТ 1778, ГОСТ 5639, ГОСТ 8233, ГОСТ 10243

1 (4),
2 (3, 4),
4 (1)

Оценка прочности соединений по ГОСТ 11018 и национальным стандартам

1 (6, 7),
3 (1)

Расчеты численным методом, стендовые тормозные испытания, оценка прочности по [2], [3]

1 (8),
3 (2),
4 (2)

Метод прямых измерений

1 (8, 9, 10)

Расчеты на прочность и оценка прочности по [2], [4]

1 (1, 5),
2 (5),
5(1,4)

Наименование показателя

Критерии оценки КП по показателям прочности

1 Коэффициент запаса статической прочности диска колеса

, (А.1)

где - предел текучести материала;

- максимальные суммарные эквивалентные напряжения от монтажных, остаточных и внешних воздействий;

[] - допускаемый коэффициент запаса статической прочности диска колеса от 1,0 до 1,2.

Если суммарные напряжения в наиболее нагруженной зоне колеса являются сжимающими, то на длине колеса не более 15 мм, допускаемый коэффициент запаса статической прочности диска колеса может быть установлен не менее 0,9

2 Коэффициент запаса статической прочности оси КП

, (А.2)

где - максимальные напряжения, действующие при эксплуатации, в т. ч. возникающие от однократных или редко повторяющихся (менее 10 раз за срок службы) предельных (экстремальных) нагрузок;

[] - допускаемый коэффициент запаса статической прочности оси от 1,0 до 1,1

3 Коэффициент запаса сопротивления усталости колеса

, (А.3)

где - предел выносливости колеса, полученный по результатам его стендовых испытаний при аcимметричном цикле нагружения с учетом действия монтажных и остаточных напряжений;

- наибольшее значение амплитуды напряжений от динамических нагрузок в выбранной точке колеса;

- коэффициент, учитывающий зависимость сопротивления усталости от значения суммарного среднего напряжения цикла при эксплуатации;

- коэффициент, учитывающий зависимость сопротивления усталости от значения суммарного среднего напряжения циклов при стендовых испытаниях.

Коэффициенты , определяют по диаграмме, приведенной на рисунке А.1 (приложение А), или по формуле

, (А.4)

где - суммарное среднее напряжение цикла (монтажное, остаточное и эксплуатационное);

[] - допускаемый коэффициент запаса сопротивления усталости колеса:

1,31,5 - при наличии результатов расчетов и стендовых испытаний на усталость колес, результатов полигонных испытаний, а также опыта эксплуатации прототипов;

1,51,7 - при наличии результатов расчетов и стендовых испытаний колес на усталость, опыта эксплуатации прототипов;

1,72,0 - при наличии результатов расчетов, отсутствии полигонных и стендовых испытаний колес на усталость, опыта эксплуатации прототипов

4 Коэффициент запаса сопротивления усталости оси

, (А.5)

где - предел выносливости в расчетном сечении оси ();

- наибольшая амплитуда напряжения в расчетном сечении;

- допускаемый коэффициент запаса сопротивления усталости оси в расчетном сечении ():

2,0 - для буксовой шейки и предподступичной части оси;

1,3 - для подступичных частей оси под ходовым и зубчатым колесами и ступицей тормозного диска;

1,2 - для заподступичной и средней свободной частей оси

5 Остаточные напряжения сжатия на поверхности катания цельного чернового колеса

При радиальном разрезе цельного колеса от вершины гребня до отверстия ступицы сходимость базового расстояния должна быть не менее 1 и не более 5 мм (ГОСТ 10791)

6 Остаточные напряжения сжатия на поверхности катания чернового бандажа

При радиальном разрезе бандажа от вершины гребня до внутреннего диаметра бандажа базовое расстояние должно уменьшиться не менее чем на 3 мм. Значение показателя должно быть уточнено при изменении химического состава и режима закалки бандажа

7 Показатели испытаний материала колеса (колесного центра), оси

Соответствие:

- химического состава - ГОСТ 977, ГОСТ 4491, ГОСТ 4728, ГОСТ 10791;

- твердости - ГОСТ 10791, ГОСТ 31334;

- механических свойств - ГОСТ 4491, ГОСТ 10791, ГОСТ 31334;

- микро- и макроструктуры - ГОСТ 398, ГОСТ 4491, ГОСТ 10791, ГОСТ 31334

8 Прочность соединения колеса с осью (прессовый метод формирования)

Нормированная форма диаграммы запрессовки с регламентированным диапазоном конечных усилий - по ГОСТ 11018

9 Прочность соединения колеса с осью (тепловой метод формирования)

Отсутствие сдвига колеса на оси, проверяемое усилием на сдвиг - по ГОСТ 11018

10 Прочность посадки бандажа на обод колесного центра

1 Соблюдение натяга посадки бандажа - по ГОСТ 11018.

2 Соблюдение регламентированного значения усадки обода колесного центра от посадки бандажа - по ГОСТ 11018.

3 Плотность посадки бандажа и обжатия бандажного кольца - по ГОСТ 11018

11 Радиальная усадка (потеря натяга) колесного центра от посадки бандажа на обод колесного центра

Не более 20% максимального натяга - по ГОСТ 11018

12 Осевые деформации (перемещения) обода цельного и бандажа составного колеса

Изменение расстояния между внутренними торцами ободьев колес вследствие нагрева при колодочном торможении и уменьшения толщины обода колеса (бандажа) из-за износа и ремонтных обточек должны быть в пределах допусков, установленных ГОСТ 11018

13 Жесткость КП

По согласованию с заказчиком

14 Прогиб оси в местах посадочных поверхностей подшипников и зубчатых колес

Не должен превышать значений перекосов, радиальных и осевых перемещений, допускаемых радиальными и осевыми зазорами и углами поворотов подшипников соответствующих типов и условиями контакта зубчатых колес

15 Предел выносливости колеса

Определяют при испытаниях на усталость натурных колес. Ориентировочные значения указаны в таблице А.2

16 Предел выносливости оси

Должен быть не менее:

- 145 МПа - в сечениях буксовой шейки и предподступичной части оси;

- 140 МПа - в сечении подступичной части оси;

- 160 МПа - в сечениях заподступичной и средней частей оси

17 Вероятность безотказной работы (расчетная)

Должна быть не менее 0,999 для колес и оси по критерию появления трещин усталости

Тип колеса

Материал колесного центра, цельного колеса

Метод изготовления

Форма дисковой части

Предел выносливости, МПа

Составное

Сталь 20Л, 25Л ГОСТ 977

Литье без механической обработки поверхности диска

Коническая (тепловоз 2ТЭ116)

68-70

Изогнутая

70

Двухдисковая

65

Спицевая

125

Сталь 20Л, 25Л ГОСТ 977

Литье с механической обработкой поверхности диска

Плоская

95

Изогнутая

110

Сталь 40Х
ГОСТ 4543

Прокат

Коническая, офсет - плюс 12 мм

140

Сталь с массовой долей элементов, %:
С-(0,45-0,55)
Mn-(0,50-0,92)
Si-(0,20-0,42)

Прокат

Коническая, офсет - минус 55 мм

115

Сталь с массовой долей элементов, %:
С-(0,45-0,52)
Mn-(0,50-0,90)
Si-(0,22-0,45)

Прокат

Коническая, офсет - плюс 15 мм

130

Сталь 35ГС
ГОСТ 1050

Прокат

Коническая, офсет - плюс 48 мм

85

Цельное

Сталь марки 2 по ГОСТ 10791

Прокат с механической обработкой поверхности диска

Изогнутая, офсет - плюс 6 мм

125

Прокат

Коническая, офсет - плюс 53 мм

140

[1] ОСТ 32.167-2000

Колеса локомотивов и моторвагонного подвижного состава. Методика определения остаточных напряжений. Утверждена Министерством путей сообщения Российской Федерации и признана национальным органом железнодорожного транспорта

[2] ОСТ 32.83-97

Колеса с дисковыми центрами тягового подвижного состава. Расчеты и испытания на прочность. Методические указания. Утверждены Министерством путей сообщения Российской Федерации и признаны национальным органом железнодорожного транспорта

[3] ОСТ 32.166-2000

Установка бандажного кольца в соединении бандажа с колесным центром. Технические условия. Утверждены Министерством путей сообщения Российской Федерации и признаны национальным органом железнодорожного транспорта

[4] ОСТ 32.93-97

Тяговый подвижной состав. Оси колесных пар. Методика расчета на прочность. Утверждена Министерством путей сообщения Российской Федерации и признана национальным органом железнодорожного транспорта