Спицевые железнодорожные колеса: возврат в будущее

Железнодорожные колеса

Колеса являются ключевым элементом любого железнодорожного транспортного средства. Они составляют значительную часть в стоимости, например, вагона в течение его срока эксплуатации. Главный вклад в стоимость колеса дает его масса, которая должна ускоряться в начале движения и замедляться при торможении. Поскольку масса колеса является не подпружиненной («не подрессоренной»), то силы, которые действуют между колесом и рельсом особенно зависят от массы колеса.

Рисунок 1 – Типичное стальное железнодорожное (вагонное) колесо [1]

Стальные колеса

Критическим фактором является износ между колесом и рельсом, который в дополнение к динамическому поведению транспортного средства, в значительной степени зависит от материала, из которого сделано колесо и качества поверхности катания колеса. Колеса также являются главной причиной шума, который излучают железнодорожные вагоны.

В настоящее время железнодорожные колеса почти на 100 % имеют стальные ободья. Эти ободья или являются частью составного колеса и надеваются на колесный центр, или являются элементом цельного колеса (рисунок 1).


Рисунок 2 – Различные типы железнодорожных колес:
а – составное (бандажное); б – цельное [2]

Все стали, которые применяются для изготовления железнодорожных колеса, имеют в основном аналогичный химический состав – это углеродистые стали с различными видами термической обработки. Сталь в качестве колесного материала преобладает за счет ее высокой твердости и высокой износостойкости. Кроме того, сталь имеет высокую усталостную прочность и высокую вязкость. Свойства стали в точке контакта колеса с рельсом повышают путем высококачественной термической обработки обода колеса.

Для изготовления колес применяют специальные технологии формовки и литья. Ковочная технология применяет специальные ковочные и прокатные инструменты, которые оптимизированы для колесного производства. Литейная технология применяет высококачественные многократные модели и оптимизированные технологии литья под давлением.

Однако, применение стали в качестве колесного материала и современные технологии их изготовления ограничивают свободу создания новых конструкций дисков колес. Обычно колесные диски являются осесимметричными и подвергаются сложной механической обработке.

Колеса из аустенитно-бейнитного чугуна с шаровидным графитом

Аустенитно-бейнитный чугун с шаровидным графитом (АБЧШГ) уже довольно широко применяется в машиностроении и энергетике. По-английски этот чугун называют austempered ductile iron (ADI) До недавнего времени его не применяли в качестве материала для железнодорожных колес. Главной причиной этого являются высокие требования, которые предъявляются к колесам в точке их контакта с рельсами.

Колесный материал для цельного колеса должен одновременно иметь высокую прочность и высокую износостойкость в точке контакта колеса с рельсом, а также высокую вязкость и усталостную прочность в диске колеса. Аустенитно-бейнитный шаровидный чугун имеет прочность в два раза выше, чем у обычного чугуна с шаровидным графитом, и с тем удлинением при разрыве. Он обладает комбинацией высокой усталостной прочности, высокой износостойкости, высокой вязкости, а также больше возможностей для разработки новых конструкций колес и хорошую механическую обрабатываемость.


Рисунок 3 – Колесная пара со спицевыми колесами из аустенитно-бейнитного чугуна с шаровидным бейнитом [2].

Прочностные свойства железнодорожных колес

Характеристики и свойства аустенитно-бейнитного чугуна с шаровидным графитом устанавливает EN 1564. Этот чугун имеет прочность при растяжении от 800 до 1400 Н/мм2, предел текучести от 500 до 1100 Н/мм2, удлинение при разрыве от 1 до 10% и твердость по Бринеллю 250-380 НВ.

Для сравнения, согласно EN 13262 европейская колесная сталь ER8 имеет прочность при растяжении в ободе от 860 до 980 Н/мм2, предел текучести не менее 540 Н/мм2, удлинение при разрыве не менее 13% и твердость по Бринеллю не менее 245 НВ. Механические свойства аустенитно-бейнитного чугуна с шаровидным графитом вполне сравнимы со свойствами применяемой колесной стали ER8.

Применение этого чугуна дает более широкие возможности для проектирования диска колеса. Вместо осесимметричного диска обод и ступица могут соединяться друг с другом с помощью диска, который имеет многочисленные отверстия с образованием спиц. Эти спицы могут размещаться таким образом, чтобы оптимально передавать нагрузку от обода к ступице.

Дополнительным преимуществом спицевого колеса является пониженное излучение шума. Это происходит потому, что диск обычного колеса излучает звук  по принципу мембраны, чего не происходит у спицевого колеса.

Пока этот новый колесный материал не регулируется европейскими стандартами. Вместе с тем, EN 13262 дает обширную программу испытаний, с помощью которой можно тщательно изучить свойства железнодорожных колес из любого материала.

Источники:

  1. Design Technologies for Railway Wheels and Future Prospects Yoshinori OKAGATA*NIPPON STEEL & SUMITOMO METAL TECHNICAL REPORT No. 105 DECEMBER 2013
  2. Application of Austempered Ductile Irons to structural components of railway vehicles / Gianluca Megna – PhD Thesis, Università degli Studi di Firenze, 2019
  3. Back to the future for spoked wheels / Franz-Josef Weber – 2019 – railjournal.com