При качении колес по рельсам они испытывают сложные виды нагружения: контактные и ударные нагрузки, трение от соприкосновения с рельсами и тормозными колодками.
Соприкасаясь с рельсом малой поверхностью, колесо передает ему значительные статические и динамические нагрузки. В результате этого в зонах соприкосновения колес с рельсами возникают болыдие контактные напряжения.
В процессе торможения между колесами и колодками создаются большие силы трения, вызывающие нагрев обода, что способствует образованию в нем ряда дефектов. Удары колес на стыках рельсов могут вызвать появление трещин в ободе.
В СНГ на протяжении последних десятилетий колеса грузовых и пассажирских вагонов изготавливались из одной марки стали следующего химического состава: углерода 0,50—0,65, марганца 0,50—0,90, кремния 0,20— 0,42, серы не более 0,04 и фосфора не более 0,035%.
Содержание хрома, никеля и меди в колесной стали предусматривалось не более 0,25% каждого.
Новым стандартом введено дифференцирование марок стали колес для грузовых и пассажирских вагонов. Обоснование этого изменения выполнено с учетом реальных условий эксплуатации колес.
Условия эксплуатации пассажирских вагонов характеризуется частыми и интенсивными торможениями, в результате чего на поверхности катания колес появляются участки с измененной структурой. Для таких колес предусмотрена низколегированная сталь 45ГСФ (марка 1 по ГОСТ 10791—81), обладающая более высоким сопротивлением хрупкому разрушению.
Колеса грузовых вагонов работают в условиях более высоких напряжений в контакте колеса и рельса, поэтому сталь для таких колес должна обладать повышенной износостойкостью и контактной прочностью, что достигается увеличением содержания углерода до 0,55—0,65% (марка 2 по ГОСТ 10791—81).
Механические свойства термически обработанной стали вагонных кож имеют следующие значения: предел прочности 900—1100 МПа, относительное удлинение не менее 10%, относительное сужение не менее 16%, твердость по Бринеллю не менее НВ 248, ударная вязкость 0,2 МДж/м2. Стандарт предусматривает новые правила приемки и маркировки колес.
При проверке твердости по периметру обода разница показаний не должна быть более НВ 20. Введена проверка твердо-сти на глубине 30 мм от поверхности катания, контроль микроструктуры методом глубокого травления, применение ультразвука.
Колеса моторных тележек электроподвижного состава имеют бандажи. Центры этих колес отливают из стали 25ЛП1 повышенного качества, а бандажи из стали 60 с содержанием углерода 0,57—0,65%. Изготовление бандажных колес для таких тележек связано с особенностями конструкции — наличием зубчатого колеса редуктора, а также со сложностью их производства колеса диаметром 1050 мм изготавливаются в незначительном количестве только для замены неисправных колесных пар типа РУ-1050 в вагонах ста рой постройки.
Цельнокатаное колесо имеет обод 1, диск 2 и ступицу 3. Ширина обода—130 мм. На расстоянии 70 мм от внутренней базовой грани а поверхности обода находится так называемый круг катания, по которому измеряют прокат, диаметр колеса и толщину обода.
Ступица колеса в холодном состоянии прочно запрессована ни ось. Переход от ступицы к ободу выполнен в форме диска, расположенного под некоторым углом к этим частям, что придает колесу упругость и снижает воздействия динамических сил.
Для рационального взаимодействия колес: рельсами важное значение имеет профиль поверхности катания колес. Стандартный профиль колеса имеет гребень, коническую поверхность 1:10, 1 :3,5 и фаску 6 мм х 45°. Гребень колеса направляет движение и предохраняет колесную пару от схода с рельсов. Он имеет высоту 28 мм и! толщину 33 мм, измеренную на высоте 18 мм.
Конусность 1 : 10 обеспечивает центрирование колесной пары при движении ее на прямом участке пути, предотвращая образование неравномерного проката по ширине обода, и улучшает прохождение кривых участков пути. Вместе с этим конусность 1 : 10 создает условия для извилистого движения колесной пары, что неблагоприятно сказывается на плавности хода вагона. Конусность 1 : 3,5 и фаска б мм х 45° приподнимают наружную грань б колеса над головкой рельса, что улучшает прохождение стрелочных переводов, особенно при наличии проката и других дефектов поверхности катания колес.
Кроме стандартного профиля вагонного колеса разработаны два типа профилей по стандарту СЭВ.
Они отличаются от стандартного как контуром, так и размерами. Поверхность катания колеса у новых профилей выполнена криволинейной, а угол наклона гребня увеличен с 60 до 70°.
В результате таких изменений на 25% повышается устойчивость движения колесной пары, снижаются контактные напряжения, уменьшается износ гребня (на 25%) и на 50% повышается срок службы колес. Плавность хода вагонов с колесами, имеющими профили по стандарту СЭВ, особенно при высоких скоростях движения значительно выше, чем вагонов с колесными парами, имеющими обычный стандартный профиль.
Современное производство штамповано-катаных колес включает в себя процессы подготовки заготовок, их нагрева, горячей деформации, против о флоксной, термической и механической обработки, контроля и испытания колес.
Для изготовления колес используют стальные слитки массой 3,4—4 т, которые раскраивают на шесть-семь заготовок, используя слитко разрезные станки с последующей ломкой на прессах усилием 1960—4067 кН. Нарезанные заготовки 1 подают в кольцевые газовые печи для нагрева в течение 5,6—6,0 ч.
После нагрева производится предварительная осадка 2 (усилием 19 600 кН), затем осадка в кольце 3, разгонка металла пуансоном 4 (усилием 4960 кН), формовка ступицы и прилегающей к ней части диска, обода и другой части диска — предварительно 5 (усилием 9800 кН) прокатка 6 обода и прилегающей к нему части диска, выгибка диска 7 и калибровка геометрической формы колеса (усилием 34 300 кН), прошивка 8 отверстия в ступице.
Все процессы изготовления колес выполняются на прессопрокатной линии.
После этого колеса подают на против о флоксную обработку, которая ведется в конвейерных печах путем нагрева до 400—650 °С, выдержка при I этой температуре не менее 4,5 ч. Все колеса подвергают прерывистой закалке и отпуску на специальных установках. Перед закалкой колеса нагревают в кольцевых печах до температуры 800—850 °С в течение 80 до 110 мин.
Затем колесо укладывают на специальный стол, который поворачивается в вертикальное положение. С помощью приводного ролика колесо вращается и одновременно его обод охлаждается водой, имеющей температуру 20—35°С в течение 100—200 с.
После закалки колесо возвращается в горизонтальное положение. Колеса складывают в стопы для остывания в течение 30— 40 мин, а затем их передают для отпуска в кольцевые электропечи.
Отпуск производится в течение 2,5— 3,0 ч при температуре 470—520 °С. После термообработки колеса поступают на механическую обработку, которая выполняется на специальных станках.
Механической обработке подлежат: поверхность катания, гребень, торцовая поверхность обода с внутренней стороны, торцы и отверстие ступицы; Колеса подвергают ударным испытаниям на копровых установках. Для этого колесо подается на копер, где ни него падает груз массой 1—3 т с высоты 11 м.
В процессе изготовления колес на наружной грани обода в горячем со стоянии наносят клейма.
