Эксплуатационные характеристики и повреждаемость колес

Перспективные материалы для изготовления колес

В конце 2001 г. в Риме состоялся 13-й Международный конгресс по колесным парам. В числе рассматриваемых были вопросы, относящиеся к материаловедению в колесном хозяйстве. По мнению ряда специалистов, улучшение эксплуатационных характеристик и продление срока службы колес подвижного состава возможны за счет применения новых материалов.

Эксплуатационные характеристики и повреждаемость колес

На техническое обслуживание и ремонт колесных пар в настоящее время приходится порядка 30 % всех затрат служб подвижного состава железных дорог. Бóльшая их часть относится к затратам на восстановление профиля поверхности катания эксплуатируемых и замену изношенных или поврежденных колес. Хотя материаловедческие аспекты, определяющие срок службы колес, достаточно изучены, существенный прогресс во внедрении новых материалов, способствующих повышению качества колес, пока еще не наблюдается.

Обычно колеса изготавливают из углеродисто-марганцовистых сталей. Есть много марок таких сталей, и они стандартизированы для применения в каждой стране по-своему. При увеличении содержания углерода повышаются прочность и твердость, но в то же время снижаются пластичность и сопротивляемость ударным нагрузкам и развитию трещин.

При естественном изнашивании колеса изымаются из эксплуатации по достижении такой минимально допустимой толщины обода, при которой он не может больше противостоять эксплуатационным нагрузкам. На железных дорогах Великобритании предельная величина износа обода принята равной 35 мм. Для идентификации момента возникновения такой ситуации (что должно контролироваться при каждом очередном перепрофилировании) на наружной поверхности обода при изготовлении колеса протачивается контрольная окружность, диаметр которой соответствует минимально допустимому диаметру колеса по кругу катания.

При эксплуатации колес возникают разные проблемы. Основные из них связаны с накоплением тепловой и механической усталости, износом поверхности катания и гребня, пластической деформацией, возникновением ползунов и образованием мартенсита в подверженных интенсивным тепловым воздействиям зонах на поверхности катания, что в свою очередь способствует зарождению раковин, трещин и последующему их развитию и распространению.

Ползуны и мартенсит в зонах теплового воздействия возникают в результате боксования и проскальзывания колесных пар. В этих зонах при указанных явлениях температура зачастую превышает 800 °С, что вызывает аустенитные превращения в колесной стали с образованием относительно мягкой высокотемпературной фазы, которая не способна выдерживать высокие эксплуатационные нагрузки, а затем и ползунов. Ползуны, если они не удалены своевременно при обточке колес, обусловливают повышение динамических (вплоть до ударных) нагрузок на колеса и рельсы и увеличивают вероятность их повреждения.

Когда боксование или проскальзывание прекращается, образовавшийся аустенит быстро охлаждается и, если скорость охлаждения достаточно высока, преобразуется в мартенсит, структуру твердую и хрупкую.

При этом в металле трещины часто развиваются вследствие экстремально высоких напряжений, возникающих при мартенситном превращении. Трещины, если их не удалить при перепрофилировании колес, распространяются, вызывая возникновение раковин и, в крайних случаях, излом колеса.

Хотя применяющиеся системы противоюзной и противобоксовочной защиты могут в значительной степени уменьшить повреждаемость колес при проскальзывании и боксовании, они все же не всегда способны предотвратить появление дефектов на поверхности катания.

В течение многих лет предпринимались усилия по улучшению эксплуатационных характеристик колес путем оптимизации конструкции подвижного состава и пути. Однако незаслуженно мало внимания уделяется продлению срока службы колес за счет решения фундаментальных материаловедческих проблем, таких, например, как подверженность обычных колесных сталей повреждениям термического происхождения.

Есть мнение, что перспективными материалами для изготовления колес являются бейнитная сталь с низким содержанием углерода, в которой невозможны мартенситные превращения, и так называемые суперсплавы на основе никеля или никеля с железом, в которых мартенситные превращения также невозможны и которые обладают высокой термостойкостью. У колес из никелевых или никель-железных суперсплавов при боксовании или проскальзывании ползуны не образуются благодаря исключительной сопротивляемости воздействиям высокой температуры. Из материалов обоих указанных видов колеса можно изготавливать с использованием традиционных технологических процессов, хотя следует отметить, что суперсплавы труднее поддаются механической обработке, чем обычные колесные стали.