Железнодорожный состав перемещается по рельсам при помощи колёс. В процессе эксплуатации эти узлы воспринимают довольно существенные статические и динамические нагрузки. Именно поэтому колесо колёсной пары вагона относится к очень важным компонентам. При их изготовлении учитывается множество требований, а уже готовая продукция подвергается тщательному контролю.
Назначение
Поезда перемещаются по рельсовому пути в различных условиях окружающей среды. Поэтому на их ходовую часть воздействуют агрессивные среды и приходятся максимальные нагрузки, динамическая составляющая которых может достигать критических значений.
Колесо колёсной пары вагона является главной составляющей, которая напрямую взаимодействует с рельсами и позволяет поезду перемещаться по железнодорожным путям.
Воспринимаемые нагрузки
Кроме статических и динамических напряжений, которые передаются колесу от всего вагона, на него действуют силы трения. Они возникают при контакте с рельсом, а также от тормозных колодок в момент торможения. В результате возникает тенденция истирания поверхности катания. Периодический нагрев (особенно в моменты торможения) также оказывает отрицательное влияние на структуру металла.
В процессе движения колесо проходит огромное количество стыков между рельсами. В моменте возникают критические нагрузки, действующие циклическим образом. Это негативным образом сказывается на ободе, которое подвергается повышенному износу.
Все вышеуказанные процессы способствуют образованию на колесе колёсной пары вагона различных дефектов, трещин и сколов. Конечно, применение высококачественных сталей и современные технологии способны минимизировать ущерб, но полностью избавиться от вредного воздействия не получится.
Конструкция
Благодаря огромному опыту в эксплуатации подвижных составов, была выработана оптимальная конструкция колёс как пассажирских, так и грузовых вагонов. Она полностью учитывает распределение напряжений внутри изделия и способствует уменьшению негативных последствий.
По конструктивному исполнению колёса вагонов подразделяются:
- бандажные, состоящие из нескольких элементов;
- безбандажные, включающие только один узел;
- упругие, в которые внедрён соединительный упругий компонент;
- раздвижные.
Метод производства колёс бывает следующих типов:
- литьё;
- с помощью прокатки.
Наибольшее распространение получили катаные безбандажные колёса. Они способны воспринимать максимальные напряжения и обладают технологичной конструкцией.
Стальное цельнокатаное изделие
Разберём конструкцию колеса на примере самого распространённого примера – пассажирской колёсной пары.
Колесо колёсной пары вагона включает следующие элементы:
- Ступица. Основная часть, которая является основанием всего изделия. Именно эта часть напрессовывается на ось в процессе производства колёсной пары.
- Обод. Верхняя часть, которая непосредственно взаимодействует с железнодорожным полотном и тормозными колодками.
- Диск. Центральная часть колеса. Является связующим звеном между двумя другими. Для облегчения конструкции имеет небольшую толщину, достаточную для обеспечения прочностных характеристик.
Стандартная толщина обода колеса колёсной пары пассажирского вагона соответствует 13 см. Условная центральная ось катания находится на удалении в 7 см от внутренней плоскости. Верхняя и нижняя часть колеса соединены относительно тонким диском, который имеет наклонную форму. Этот угол задан специально, т. к. он позволяет снизить нагрузки и придать конструкции определённую «упругость». Кроме этого, динамические силы распределяются более равномерно.
Развитие вагонного колеса прошло долгую «эволюцию». На сегодняшний момент оно имеет оптимальную форму и конструкцию, поэтому глобально усовершенствовать их не получится.
Поверхность катания
Отдельно следует остановиться на наружной части колеса. Конструктивно она входит в обод и обладает специальной формой.
Учитывая неблагоприятные внешние условия и непосредственное взаимодействие с рельсами, поверхность катания должна удовлетворять следующим требованиям:
- повышенной износостойкостью;
- невосприимчивостью к постоянным ударным нагрузкам;
- обладать минимальной прочностью для подобного класса элементов.
Основная поверхность катания имеет небольшой уклон, который необходим для снижения нагрузок при перемещении по железнодорожному пути, а также для обеспечения более плавного хода особенно в кривых.
Другим, не менее важным элементом, является гребень. Он необходим для устойчивости колёсной пары на железнодорожных путях и препятствует её схода с рельсов. Гребень имеет небольшую конусность, которая требуется для выравнивания колёсной пары и уменьшения стачивания в области поверхности катания. Гребень имеет высоту в 28 мм.
Все вышеуказанные элементы колеса колёсной пары пассажирского вагона обладают общепринятой формой и обтачиваются на обрабатывающих станках согласно установленной технологии. При этом, хоть геометрия поверхности катания и стандартизирована, но не прекращаются конструкторские и технологические изыскания, которые могут способствовать повышению эксплуатационных характеристик.
Процесс изготовления
Колесо колёсной пары вагона относится к ответственным и очень важным узлам. В процессе производства повышенные требования предъявляются не только к качеству стали, но и к технологии изготовления. Кроме этого, каждое готовое изделие подвергается тщательному контролю на отсутствие каких-либо дефектов. Для попадания в производство у вагонного колеса брак должен полностью отсутствовать.
Цельнокатаное вагонное колесо должно соответствовать ГОСТ 10791-2011. В нём описываются абсолютно все типы изделий и какие технические условия необходимо соблюдать при их изготовлении.
Производство цельнокатаного колеса осуществляется на сталелитейных предприятиях. Полный цикл довольно длительный и включает в себя множество технологических операций.
Полный процесс изготовления цельнокатаного колеса приведён на следующем изображении:
Стоит отметить, что в самом завершении цикла изготовления, дополнительно упрочняют обода колёс. Для этого применяют специальную термическую обработку, сперва проводят закалку, а потом – отпуск. В результате механические свойства обода и его стойкость к износу значительно увеличиваются.
Заключение
Вагонные колёса представляют собой наиболее «консервативный» элемент тележек. За долгие годы использования их форма была максимальным образом оптимизирована, поэтому сильно модернизировать конструкцию уже не получится. Однако это не означает, что данный компонент нельзя улучшать.
На текущий момент исследовательскими отделами ведутся разработки в плане применения более универсальных марок стали. С их помощью предполагается повысить прочность конструкции и её устойчивость к повышенным динамическим напряжениям. Также изыскания ведутся и в области поверхности катания. Здесь пытаются улучшить её форму, чтобы повысить износостойкость.
Колесо колёсной пары вагона является важным элементом. Оно непосредственным образом влияет на безопасность движения и плавность хода пассажирского состава. Именно поэтому производство изделия должно осуществляться строго по технологии, а перед отправкой его на сборочный участок необходимо производить тщательный контроль.
Материал был подготовлен для портала о железнодорожной технике RelsOk.ru!
