Железнодорожные колеса: технические требования для проектирования

Железнодорожное колесо – критический элемент вагона

Железнодорожное колесо  является одним из критических элементов, которые обеспечивают безопасность эксплуатации железнодорожного подвижного состава. Колеса несут на себе весь вес вагона, однако их нельзя спроектировать как

систему, у которой в случае поломки одного из элементов есть резервные средства, которые предотвращают катастрофическое разрушение. Поэтому от прочности колеса требуют абсолютно высокой надежности. Поэтому наиболее важной и фундаментальной характеристикой при проектировании колес является прочность. Однако, хотя «быть неразрушаемым» является действительной главной характеристикой колеса, есть и другие важные характеристики, которые определяют эффективность колеса, такие как:

  • Сопротивление износу
  • Стойкость к образованию термических трещин
  • Характеристики шума и вибрации

В частности, так как колеса являются изнашиваемыми (расходными) элементами, их срок службы играет большую роль для экономии стоимости технического обслуживания подвижного состава.

Существует два основных подхода для улучшения уровня качества колес:

  • разработка материала колес (колесной стали) и
  • разработка оптимальной конструкции колеса.

Известны два типа железнодорожных колес – цельные и составные, которые состоят из колесного центра и бандажа. Наиболее широко применяются цельные колеса. Ниже будут рассматриваться только они.

 Конструкция колеса

Типичная конструкция цельного железнодорожного колеса состоит и трех основных элементов, как показано на рисунке 1. Основными элементами колеса являются:

  • ступица, в которую запрессовывается ось колесной пары
  • обод, который контактирует с рельсом и
  • диск, которые соединяет ступицу и обод.

Поверхность колеса, которая непосредственно контактирует с рельсом – это поверхностью катания и реборда (гребень).

Рисунок 1 – Конструкция цельного железнодорожного колеса

Параметры проектирования железнодорожных колес

Вес

Колеса являются неподпружиненными элементами вагона. Поэтому предпочтительно, чтобы они были легкими, чтобы как можно меньше влиять на плавность движения колесной тележки. Это особенно важно для высокоскоростных поездов.

Усталостная прочность диска

Диск должен иметь достаточную усталостную прочность, чтобы выдерживать циклические механические напряжения от веса вагона.

Усталостная прочность поверхности катания

Достаточная усталостная прочность, чтобы выдерживать контактные напряжения (напряжения Герца) между поверхностью катания и рельсом.

Стойкость к тепловым нагрузкам торможения

При колодочном торможении в обод поступает большое количество тепла. В результате этого в ободе и диске возникают значительные температурные напряжения. Иногда чрезмерный тепловой поток в обод способен изменить нормальное распределение остаточных напряжений (сжимающие окружные напряжения) на неблагоприятное распределение напряжений (растягивающие окружные напряжения) (рисунок 2).

Рисунок 2 – Возникновение растягивающих остаточных напряжений при тормозном нагреве колеса [1]

Термические трещины и стойкость к хрупкому разрушению

При колодочном торможении в результате трения взаимного колодки и поверхности катания обода в ободе возникают термические трещины, которые могут распространяться вглубь обода. В самом неблагоприятном случае возникает разрушение колеса (см. рисунок 2).

Стойкость к износу

Истирание (износ) происходит на поверхности катания, там, где она контактирует с рельсом. В случае колодочного торможения износ происходит также между тормозными колодками и поверхностью катания. От этой характеристики прямо зависит срок службы колеса. В некоторых случаях более проблемным, чем износ сам по себе, является неравномерный износ.

Характеристики движения по рельсам

На устойчивость движения по прямым участкам и на поворотах сильно влияет конструкция тележки. Однако профиль поверхности катания также играет свою роль.

Акустические характеристики

Снижение шума от движущегося железнодорожного колеса требуется с точки зрения требований охраны окружающей среды. Существует несколько подходов к этой проблеме, такие как: совершенствование конструкции тележки или смазка рельсов. Одним из решений является установка на колеса гасителей и поглотителей шума.

Вибрация

Вибрация, производимая колесом, происходит от повреждений поверхности катания и от его разбалансирования. Первый фактор зависит от усталостной прочности поверхности катания от контактных нагрузок при качении и стойкости поверхности катания к износу. Второй фактор  зависит от точности механической обработки при изготовлении и последующего технического обслуживания. Эта характеристика особенно важна для высокоскоростных поездов.

Усилие соединения с осью

Эта характеристика обеспечивает прочное соединение колеса с осью. Обычно проблем с этим не бывает, если усилие запрессовки должным образом контролируется согласно техническим инструкциям.

Виды механических нагрузок на колесо

Существует два вида механических нагрузок, которые воздействуют на железнодорожное колесо: вертикальная нагрузка и горизонтальная нагрузка. Как показано на рисунке 2, вертикальная нагрузка – это нагрузка от веса вагона в вертикальном направлении. Что касается горизонтальной нагрузки, то они бывают двух типов: боковая нагрузка и задняя нагрузка. Боковая нагрузка действует на реборду (фланец) в кривых участках пути. Задняя нагрузка действует в противоположном направлении по отношению к боковой нагрузке на заднюю поверхность фланца при прохождении направляющих рельсов, например, на стрелках.

Поскольку боковая нагрузка возникает постоянно при прохождении кривых участков пути, то она является наиболее важной при проектировании диска. С другой стороны,  задняя нагрузка возникает только при контакте задней стороны колеса и направляющего рельса, главным образом при прохождении стрелок. Это означает, что задняя нагрузка возникает намного реже, чем боковая нагрузка. Поэтому задняя нагрузка обычно не учитывается при проектировании диска.

Рисунок 3 – Основные механические нагрузки на колесо [1]

Проектирование колеса

Проектирование диска

Среди всех характеристик, указанных выше, особую важность имеют характеристики, которые относятся к диску  и ободу. Возможные изменения конструкции ступицы почти отсутствуют. Конструкция диск и обода может улучшать или ухудшать эти характеристики. Поэтому именно оптимизации конструкции, а также материала диска и обода обычно уделяется особое внимание.

При проектировании диска рассматривают следующие вопросы:

  • влияние конструкции диска на напряжения в нем от механических нагрузок
  • усталостная прочность материала диска
  • взаимосвязь между конфигурацией диска и распределением температурных напряжений, которое возникает при торможениях.

(см. статью по проектированию диска – в работе)

Проектирование обода

При проектировании обода рассматривают следующие характеристики:

  • параметры износа поверхности катания
  • термические трещины и сопротивление хрупкому разрушению
  • Усталостная прочность поверхности катания при контактных нагрузках качения.

(см. статью по проектированию обода – в работе)

Источник:

  1. Design Technologies for Railway Wheels and Future Prospects / NIPPON STEEL & SUMITOMO METAL TECHNICAL REPORT No. 105 DECEMBER 2013