Железнодорожное колесо: вязкость разрушения

Все железнодорожные грузовые вагоны — и большинство пассажирских — тормозят путем прижатия тормозных колодок к поверхности катания колес. Если вы когда-нибудь видели, как в вагоне срывают стоп-кран, то в этот момент из системы торможения выпускается весь сжатый там воздух и сильные пружины прижимают тормозные колодки к ободьям колес.

Термические трещины в ободьях железнодорожных колес

Даже при нормальном торможении колодкой по ободу колеса на поверхности катания возникают мельчайшие термические трещины. Они возникают в результате циклических нагревов и охлаждений обода при полном торможении или при притормаживаниях для снижения скорости.

Обычно, чем выше способность колесной стали к термическому упрочнению, тем больше возникает термических трещин. Поэтому с точки зрения предотвращения термических трещин более предпочтительной является сталь с пониженным содержанием углерода.

Термические трещины и остаточные напряжения

Более того, известно, что применение жесткого торможения, например,  в течение часа на продолжительном горном спуске, может приводить к образованию в ободе железнодорожного колеса опасных растягивающих остаточных напряжений. Эти растягивающие напряжения способствуют росту имеющихся на поверхности термических трещин вглубь обода, что может привести — и иногда приводит — к хрупкому разрушению обода и всего колеса. Чем больше трещина в ободе и чем выше в нем остаточные растягивающие напряжения, тем более легко происходит хрупкое разрушение стали.

Вязкость разрушения колесной стали

При одних и тех же условиях факт возникновения хрупкого разрушения зависит от свойств материала, в случае железнодорожного колеса – колесной стали. Это свойство материала сопротивляться хрупкому разрушению называют вязкостью разрушения. Поведением материалов при хрупком разрушении занимается отдельный раздел механики материалов – механика разрушения.

zheleznodorozhnoe-koleso-vyazkost-razrusheniyaРисунок 1 – Вид образца для испытаний на вязкость разрушение и место его вырезки из обода железнодорожного колеса по EN 13262.  Из одного колеса вырезается шесть образцов. Результатом испытаний является осредненная величина вязкости разрушения по шести образцам.

В общем случае сталь с более низким содержанием углерода имеет более высокое сопротивление хрупкому разрушению. На рисунке ниже показана зависимость вязкости разрушения обода колеса от содержания углерода в колесной стали.

vyazkost-razrusheniya-uglerod-kolesnoy-staliРисунок 2 – Зависимость вязкости разрушения стали от содержания углерода. Стрелкой указан интервал содержания углерода в колесной стали SSW по японскому стандарту JIS E 5402-1

Сталь с низким содержанием углерода имеет более высокую стойкость к образованию термических трещин и более высокую вязкость разрушения, но более низкую износостойкость. Поэтому выбор колесной стали для колес конкретного поезда на конкретной железной дороге – это выбор подходящего содержания углерода с учетом:

  • осевых нагрузок;
  • скоростей движения;
  • условий торможения и
  • уровня технического обслуживания колес в эксплуатации.

Вязкость разрушения колесных сталей по EN 13262

Новая редакция Европейского стандарта EN 13262 от 2011 года вводит минимальное значение вязкости разрушения в колесах, которые подвергаются торможению тормозными колодками по поверхности катания. Такое техническое требование по вязкости разрушения обода в стандарте на железнодорожные колеса выставлено в мире впервые.

На рисунке выше показана допустимая область величины вязкости разрушения для колесной стали ER7 по EN 13262 по тому же стандарту. Получается, что по этому стандарту колеса из стали с содержанием углерода более 0,50 % нельзя применять для колес с торможением по ободу.

С другой стороны, в Японии большое количество колес из стали с содержанием углерода более 0,60 % подвергаются торможению по ободу без каких-либо проблем. Это объясняется тем, что в Японии уделяют большое внимание техническому обслуживанию тормозной системы для предотвращения нештатных (абнормальных) условий торможения, которые могут привести к смене остаточных напряжений в ободе с исходных сжимающих на растягивающие. Некоторые считают, что в основе этого лежит чисто японская система мышления, которой нет у европейцев и уж, конечно, у нас с вами. 🙂

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