Колесные стали — стали для железнодорожных колес

Износостойкость обода прямо влияет на срок службы железнодорожного колеса. Поэтому именно износостойкость является очень важной характеристикой колесной стали с экономической точки зрения, а именно — стоимости эксплуатации подвижного состава.

Углерод в колесных сталях

Главным фактором, который влияет на износостойкость стали, является содержание в ней углерода. Чем выше содержание углерода в стали, тем выше ее износостойкость. Однако увеличение содержания углерода повышает склонность ободьев колес к термическим повреждениям и поэтому стандарты на железнодорожные колеса обычно задают несколько марок сталей – от среднеуглеродистых до высокоуглеродистых.

В таблице ниже показаны содержание углерода и твердость стали в ободьях железнодорожных колес согласно:

  • Европейскому стандарту EN 13262,
  • американскому стандарту AAR M-107/M-208,
  • японскому стандарту JIS E 5402-1, а также
  • межгосударственному стандарту ГОСТ 10791-2011.

Таблица – Европейские, американские, японские и российские
марки колесной сталиkolesnye-stali

Японские колесные стали

Можно заметить в таблице, что японский стандарт задает для колесной стали только одну марку с содержанием углерода от 0,60 до 0,75 %. Это связано со следующими обстоятельствами. Около 90 лет тому назад в Японии были большие проблемы с чрезмерным износом железнодорожных колес. Поскольку железнодорожные технологии были заимствованы из Европы, то колесная сталь имела в то время низкое содержание стали (около 0,5 %), как это было тогда и в Европе.

Было понятно, что увеличение содержания углерода могло бы быть эффективным для увеличения срока службы железнодорожных колес. Однако это могло сократить срок службы рельсов. Поэтому в Японии были выполнены научные исследования по поиску оптимального соотношения содержания углерода в колесных и рельсовых сталях.

Выше углерод в колесах — меньше износ рельсов

Результат этих исследований был неожиданным. Было установлено, что увеличение углерода в колесной стали снижает не только износ колес, но и рельсов. На рисунке 1 показаны результаты модельных испытаний на износ для различных комбинаций марок колесных и рельсовых сталей: каждой из трех марок колесной стали с каждой из трех марок рельсовой стали.

iznos-kolesnoy-relsovoy-staleyРисунок 1 – Результаты модельных испытаний износа колес и рельсов

Объяснение этому результату было следующим. Мельчайшие стальные частицы стали, которые образовывались на поверхности контакта колесо-рельс действовали как абразивный материал между поверхностью катания и головкой рельса. Поэтому они способствовали износу как колеса, так и рельса. Это означает, что меньший износ колеса снижает количество этого абразивного материала и, следовательно, снижает и износ рельса. На основании этого был сделан революционный вывод, что при повышении содержания углерода в колесе срок службы рельса никоим образом не сокращается, а, может быть, наоборот увеличивается. Позднее на основании этих результатов исследований содержание углерода в японских колесах постепенно увеличивали, пока оно не достигло современного уровня в стандарте JIS E 5402-1 (0,60-0,75 %).

Японские колеса на немецкой железной дороге

Немецкая железная дорога (Deutsche Bahn) долгое время имела проблемы с некруглостью колес высокоскоростных поездов ICE. Поскольку таких проблем не было с колесами японских высокоскоростных поездов Shinkan-sen, было решено провести сравнительные испытания на действующих немецких поездах японских колес, изготовленных по японскому стандарту JIS E 5402-1 и стандартных европейских колес из стали марки ЕR7 (содержание углерода не более 0,52 %).

После шести лет испытаний, начиная с 2003 года, японская сталь показала значительно более высокую износостойкость – в 1,5 раза меньше, чем колесная сталь ER7.

Параллельно со сравнительными испытаниями колесных сталей при эксплуатации колес на действующей железной дороге были выполнены сравнительные испытания износа рельсов на полномасштабном испытательном оборудовании. В этом испытании полноразмерные колеса подвергались циклической нагрузке от прямолинейных рельсов. Особое внимание обращалось на то, чтобы упомянутые выше частицы износа оставались на поверхности контакта колеса и рельса и действовали как абразивный материал.

На рисунке 2 показаны результаты сравнительных испытаний с применением двух марок колесной стали, ER7 и JIS.

iznos-relsov

Условия испытаний:
1) Материал рельса:  R260  по EN 13674-1;
2) Три испытания каждого материала при одинаковых условиях

Рисунок 2 – Износ рельсов в зависимости от марки колесной стали

Эти результаты не показывают того, что износ рельса снижается при увеличении содержания углерода в колесной стали. В этом они отличаются от японских экспериментальных данных, приведенных на рисунке 1. Однако на основании их, по крайней мере, можно сделать вывод, что более высокое содержание углерода в колесной стали не оказывает никакого вредного влияния на износ рельсов.

Источник: Okagata Y., Nippon Steel & Sumitomo Metal Technical Report No. 105, 2013