§ 5. Требования, предъявляемые к цельнокатаным колесам и бандажам

К колесам подвижного состава железных дорог предъявля­ются требования, обусловленные характером их эксплуатации. Во время движения нагруженного вагона или паровоза колеса воспринимают следующие нагрузки:

а) давление рельса, соответствующее определенной части давления на ось колесной пары;

б) динамическую нагрузку от ударов о стыки рельсов и от других причин;

в) силы трения, возникающие при качении колес по прямому

у частку пути, а также поперечные силы трения при прохождении кривых и стрелок;

Рис. 21. Основные типы колес и бандажей:

а – цельнокатаное колесо; б – составное колесо; в – чугунное колесо

г) силы трения при торможении, возникающие на поверхности соприкосновения тормозной колодки с колесом;

д) силы трения, возникающие при движении заторможенного колеса юзом.

Все эти нагрузки не являются постоянными и изменяются и зависимости от типа подвижного состава, состояния пути и тор­мозной системы и режима вождения поездов.

Давление рельса на колесо создает сжимающую нагрузку в месте контакта, изменяющуюся в зависимости от того, находит­ся ли колесо на прямом участке пути, закруглении или стыке. По данным П. Г. Лузина, удельное давление в месте контакта колеблется в пределах от 10 до 50 кг/мм для четырехосного 60-т вагона.

Удары о стыки рельсов, а также удары, вызываемые нарушением верхнего строения пути или местным износом поверхно­сти катания колеса, обусловливают расстройство ходовой части и необходимость в более частом ремонте. Удары способствуют также более быстрому выходу из строя колес, имеющих поверхностные дефекты — сетку или выщербины.

Трение качения обусловливает возникновение касательных сил трения в контакте, повышающих напряжения в поверхностном слое колеса, а также износ поверхности катания.

В процессе торможения между колесом и тормозной колодкой возникают силы трения скольжения, вызывающие нагрев обода колеса. Напряжения, возникающие в процессе неравномерного нагрева, могут привести к образованию поперечных трещин на поверхности катания.

Силы трения скольжения при ходе колеса юзом достигают значительной величины и вызывают большой износ, приводя­щий к образованию ползунов. В контакте при этом выделяется очень большое количество тепла, что приводит к значительному повышению температуры поверхностного слоя обода в зоне кон­такта — вплоть до температуры выше точки . При выходе нагретого участка из зоны контакта происходит его мгновенное охлаждение, что приводит к образованию сетки третий и раз­рушению поверхности катания, называемому выщербливанием.

На рис. 22 схематически показаны силы, действующие на ко­лесо при его движении.

Некоторые из перечисленных нагрузок воспринимаются коле­сом на протяжении всего времени движения единицы подвиж­ного состава. К ним относятся: давление рельса; силы трения, но возникающие при качении колеса, и силы трения скольжения от поперечного перемещения колесной пары во время движения К периодически действующим нагрузкам относятся: силы трения, возникающие при торможении, при движении колеса юзом и при прохождении закруглений пути, а также ударные нагрузки.

Многообразие сил, действующих на колесо, заставляет предъ­являть к металлу колес требования по обеспечению: высокой ме­ханической прочности, гарантирующей безопасность движения; высокой эксплуатационной стойкости против износа, увеличива­ющей продолжительность пробега; высокой стойкости против образования в процессе эксплуатации дефектов на поверхности катания. Все это должно сочетаться с минимальным весом колеса и возможностью использования обода для многократных пере­точек.

Рис. 22. Силы, действующие на колесо при его движении

Удовлетворение этим требованиям обеспечивается технически­ми условиями действующих стандартов на бандажи и цельно­катаные колеса, которыми регламентируется химический состав бандажной и колесной стали, термическая обработка бандажей и колес, нормы механических свойств и копровых испытаний.

Механические свойства колес определяются путем испыта­ния на разрыв образца диаметром 15 мм с расчетной длиной 60 мм, вырезаемого из обода колеса на глубине 30 мм от поверх­ности катания (ГОСТ 6362—52). Аналогично вырезается обра­зец при испытании на разрыв бандажей, с учетом получения образца требуемого размера без нагревания и выпрямления (ГОСТ 398—41). Результаты испытаний должны удовлетворять нормам, приведенным в табл. 4.

Таблица 4