Железнодорожные колеса

Железнодорожные колеса является важнейшими элементами конструкции любого железнодорожного транспортного средства – вагонов (грузовых и пассажирских) и тягового подвижного состава (локомотивов и электровозов). Все железнодорожные колеса изготавливают из специальных низколегированных углеродистых сталей. Их так и называют – колесные стали.

Железнодорожные колеса для вагонов называют вагонными колесами, для локомотивов и электровозов – локомотивными и электровозными колесами.

Вагонные колеса

Вагонные колеса несут весь вес вагона. Особенность вагонных колес в том, что в случае их поломки даже одного из них, у вагона нет никакого резерва, который мог бы хотя бы временно взять на себя  несущую функцию поломавшегося колеса. Поэтому от железнодорожных колес требуют почти абсолютной надежности в отношении их общей конструкционной прочности.

Никогда не ломаться – вот главное требование к железнодорожному колесу. Поэтому для него прочностные свойства являются самыми важными характеристики. Однако на срок службы железнодорожного колеса влияют и такие его характеристики как износостойкость, стойкость к образованию термических трещин и даже уровень шума, который они издают при движении.

Для того, чтобы повысить качество колес есть два основных пути – совершенствование колесной стали, за счет повышения ее качества и  эффективности термической обработки колесной стали, а также совершенствование конструкции колеса.

Железнодорожные колеса: цельные и бандажные

Применяют два основных типа железнодорожных колес: цельные и бандажные. Цельное колесо представляет собой цельную деталь, которую изготавливают из одного «куска» стали – стальной колесной заготовки. Бандажное колесо состоит из двух деталей — колесного центра и надеваемого на него бандажа. Большинство цельных колес являются цельнокатаными, однако применяются и цельные литые колеса. Бандажи изготавливают методами горячей обработки давлением с применением ковки, штамповки и прокатки, а также упрочняющей термической обработки. Колесные центры обычно изготавливают литьем.

Цельное железнодорожное колесо

Цельное железнодорожное колесо имеет три основных конструкционных элемента  (рисунок ): ступицу, диски и обод.

zheleznodorozhnoe-kolesoРисунок 1 – Конструкционные элементы цельного железнодорожного колеса

Роль ступицы – обеспечить прочное соединение колеса с осью. Обод колеса непосредственно контактирует с рельсом, а диск соединяет ступицу и обод между собой. Наружная поверхность обода, которая непосредственно контактирует со стальным рельсом, называется поверхностью катания, а выступающая ее часть – гребнем или ребордой. В России и ближайшем зарубежье применяют только цельнокатаные колеса: колесо изготавливают из одной стальной заготовки на большом колесопрокатном стане. В Северной Америке широко применяют цельнолитые колеса.

Требования к железнодорожным колесам

При совершенствовании конструкции, химического состава стали и режимов ее термической обработки принимают во внимание следующие, наиболее важные, факторы, которые влияют на эффективность выполнения колесом своей функции в работе вагона, срок службы колеса и его эксплуатационную надежность:

  • масса колеса;
  • усталостная прочность диска;
  • контактная прочность обода;
  • остаточные напряжения в ободе;
  • термические трещины в ободе;
  • износостойкость обода;
  • форму поверхности катания;
  • излучение шума;
  • вибрация;
  • прочность соединения с осью.

1) Масса железнодорожного колеса

Колеса являются неподрессоренной частью вагона (или другого железнодорожного транспортного  средства). Поэтому их масса должна быть по возможности как можно меньше, чтобы свести к минимуму их динамическое воздействие на тележку и равномерность движения по рельсам. Это особенно важно для высокоскоростных поездов.

2) Усталостная прочность диска колеса

Диск должен иметь достаточную усталостную прочность для того, чтобы выдерживать циклические механические напряжения, вызываемые весом вагона.

3) Контактная прочность поверхности катания

Сталь поверхности катания должна иметь достаточную прочность при контакте качения при взаимодействии с рельсом (напряжения Герца), в том числе, высокую контактную усталостную прочность.

4) Остаточные напряжения в ободе

Когда обод пытается расшириться под воздействием нагрева от тормозных колодок  при торможении вагона, то в диске и ободе возникают значительные температурные напряжения. Часто они бывают настолько велики, что способны привести к перераспределению системы остаточных напряжений в колесе. Это приводит к тому, что в ободе вблизи поверхности катания возникают  неблагоприятные растягивающие остаточные напряжения вместо нужных сжимающих. Эти сжимающие напряжения создаются в ободе в ходе термической обработки колес.

 5) Стойкость к термическим трещинам и вязкость разрушения

Это относится к термическим трещинам, которые возникают в ободе в результате его нагрева при трении о тормозные колодки. Эти первоначально очень маленькие трещины могут распространяться вглубь обода и приводить в конечном счете к  катастрофическому разрушению колеса.

6) Износостойкость обода

Износ возникает на поверхности катания обода при контакте с рельсом, а также при трении обода об тормозную колодку, если применяется торможение по ободу колеса. От износостойкости обода прямо зависит срок службы колеса. Иногда проблемой является неравномерный износ обода.

7) Устойчивость качения колеса по рельсу

Устойчивость движения вагона, как по прямому, так и криволинейному участкам, оценивают в основном по поведению в целом вагонной тележки. Однако форма поверхности катания колеса является при этом одним из важных факторов.

8) Шум от движущегося колеса

Снижения уровня шума, который излучаемого колесом, требуется с точки зрения снижения экологического воздействия поезда на окружающую среду. Для этого применяют несколько подходов, таких как совершенствование конструкции тележки или смазку рельсов. По отношению к колесам применяют специальные системы поглощения шума.

9) Вибрация колеса

Вибрации, вызываемые железнодорожными колесами, в основном классифицируют как те, которые возникают от повреждений поверхности катания и те, которые происходят от разбалансировки колес. На первую причину влияет контактная прочность стали обода, на вторую  — точности механической обработки колес при их изготовлении. Последнее особенно важно для высокоскоростных поездов.

10) Прочность соединения колеса с осью

Прочность соединения железнодорожного колеса с осью обеспечивается большой толщиной ступицы.