Железнодорожное колесо: термические и остаточные напряжения

Когда торможение железнодорожного вагона происходит путем прижатия тормозных колодок к поверхности катания ободьев колес, то вследствие трения температура поверхности катания сильно возрастает.

Тормозные напряжения в железнодорожном колесе

При нормальном коротком торможении для обычной остановки поезда термические напряжения в диске совершенно незначительны потому, что тепловое расширение поверхностного слоя обода уравновешивается нижними, «холодными», слоями обода.

Однако при длительном торможении на длинном спуске или при аварийном длительном прижатии тормозной колодки к поверхности катания обода прогревается уже весь обод. В этом случае диаметр обода увеличивается и он «тянет» за собой диск, создавая в нем значительные растягивающие радиальные термические напряжения.

Напряжения в ободе колеса: сжимающие и растягивающие

Когда эти радиальные напряжения в диске превосходят  предел текучести материала, происходит пластическое необратимое деформирование диска вслед за расширяющимся, в основном упруго, ободом. После того как торможение прекратится, обод остынет и будет пытаться вернуться в прежнее положение, однако этому будет препятствовать необратимо расширившийся диск.  В результате диск «толкает» обод наружу, создавая в нем растягивающие напряжения в ободе. Эти напряжения являются остаточными и направлены в тангенциальном (круговом) направлении.

Свой вклад в образование растягивающих остаточных тангенциальных напряжений в ободе вносит и пластическое деформирование самого обода вблизи поверхности катания, которое возникает при перепаде температуры между поверхностью катания и внутренними слоями обода.

Остаточные напряжения в ободе нового колеса — сжимающие

При термическом упрочнении обода железнодорожного колеса в вблизи его поверхности катания создаются сжимающие остаточные тангенциальные напряжения. Однако после одного или нескольких упомянутых выше жестких нагревов обода эти исходные сжимающие остаточные напряжения меняются на растягивающие. Графическое изображение этого процесса показано на рисунке 1.

ostatochnye-napryazheniya-zheleznodorozhnyx-kolesaxРисунок 1 — Процесс смены исходных сжимающих остаточных напряжений в ободе на растягивающие остаточные напряжения

После того, как это случилось, малые термические трещины, которые всегда присутствуют на поверхности катания, начинают распространяться вглубь обода и в худшем случае могут привести к хрупкому разрушению колеса.

Влияние формы диска

Еще в 1970-е годы было установлено, что на эту смену остаточных напряжений можно влиять формой диска. Ключевым параметром является смещение обода относительно ступицы, как это показано на рисунке 2. Это смещение может быть как положительным (рисунок 2), так и отрицательным, то есть в другую сторону.

termicheskie-napryazheniya-zheleznodorozhnye-kolesaРисунок 2 – Термические напряжения в диске в зависимости от величины смещения обода относительно диска.

Как видно из графика на рисунке 2, когда это смещение увеличивается, температурные напряжения в диске, которые возникают при длительном нагреве обода, уменьшаются.

Это значит, что увеличение смещения обода повышает стойкость диска к возникновению необратимых пластических деформаций и предотвращает последующее сопротивление диска ободу при охлаждении колеса. В результате после нагрева обода смены знака остаточных напряжений не происходит, хотя снижение уровня сжимающих напряжений в ободе все же возможно. На рисунке 3 показано японское железнодорожное колесо с гофрированным диском, которое было разработано в соответствии с этой концепцией.

zheleznodorozhnoe-koleso-sumitomoРисунок 3 – Железнодорожное колесо с гофрированным диском
фирмы Sumitomo

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