На процессы взаимодействия колёс с рельсами и безопасность движения поездов существенно влияет профиль поверхности катания. Стандартный профиль поверхности обода колеса (рис. 1.1., а) распространяется на колёса для колёсных пар грузовых и пассажирских вагонов локомотивной тяги, немоторных вагонов электро - и дизель-поездов, а также путевых машин. Объединённый профиль поверхности обода колеса (рис. 1.1., б) применяется для обработки колёсных пар пассажирских вагонов, эксплуатируемых со скоростями движения свыше 160 км/ч, а колёса вагонов промышленного транспорта обрабатывают, используя специальный криволинейный профиль (рис. 1.1., в).

Профиль поверхности катания обода для колёсных пар пассажирских вагонов, эксплуатируемых со скоростями движения свыше 160 км/ч (см. рис. 1.1., б), имеет горизонтальную площадку между размерами от 60,7 до 70 мм, а далее конусности 1: 50; 1: 10; 1: 3,5 - и фаску 6 мм-Х 45°. Наружная грань гребня составляет 65° к горизонтали вместо 60°, как это предусмотрено в стандартном профиле (см. рис. 1.1., а), переходные радиусы закруглений также изменены. Цилиндрическая часть катания, обработанная в соответствие с горизонтальной частью профиля, исключает извилистое движение колёсной пары. Вместе с уменьшенной конусностью до 1: 50 рабочей части колеса она не допускает ухудшения плавности хода вагона. Увеличение угла наклона наружной грани гребня совместно с изменением профиля рабочей части поверхности катания колеса улучшает устойчивость движения колёсной пары, способствует уменьшению износа гребня, повышает безопасность движения вагонов скоростных поездов, который является одним из мер комплексных организационных и технических мероприятий направленных на защиту жизни и здоровья граждан, создание условий безаварийной работы организаций железнодорожного транспорта, содержание в исправном состоянии железнодорожных путей, подвижного состава.

Несоблюдение мер безопасности на железнодорожном транспорте могут привести следующим последствиям:

крушению, аварии, особому случаю брака в работе, затруднению в работе, к прочим нарушениям безопасности движения.

Кроме стандартных, разработаны два типа профилей вагонного колеса, один из которых (рис. 1.2., а) предназначен для колёсных пар вагонов российских дорог с выходом их на дороги западноевропейских стран, а другой (рис. 1.2., б) - для западноевропейских вагонов.

Рис. 1.1 Профили поверхности катания колёс:

а - для грузовых и пассажирских вагонов локомотивной тяги, немоторных вагонов электро- и дизель-поездов, а также путевых машин; 6 - для пассажирских вагонов, эксплуатируемых со скоростями движения свыше 160 км/ч; в - вагонов промышленного транспорта

Поверхность катания указанных профилей - круголинейная, а угол наклона наружной грани гребня увеличен до 70°. В результате на 25% улучшается устойчивость движения колёсной пары, снижаются контактные напряжения, на 25% уменьшается износ гребня и на 50% увеличивается срок службы колёс. Плавность хода вагонов с колёсами, имеющими профили поверхности катания (см. рис. 1.2.) при повышенных скоростях движения поездов, значительно выше по сравнению со стандартным (см. рис. 1.1., а).

Каждый из приведенных профилей поверхности катания колеса имеет гребень, служащий для направления движения и предохранения от схода колёсной пары. Он имеет высоту 28 мм, измеряемую от его вершины до горизонтальной линии, проходящей через точку пересечения круга катания с профилем. Угол наклона наружной грани гребня оказывает влияние на безопасность движения: его увеличение повышает устойчивость колёсной пары на рельсах и уменьшает износ.

Технология изготовления стальных колёс основана на штамповано-катанном способе, включающем в себя процессы подготовки заготовок, их нагрева, горячей деформации, противофлоксной, термической и механической обработки, контроля и испытания.

Поверхность профиля катания колеса с конусностью 1: 3,5 гораздо реже катится по рельсу, поэтому она меньше изнашивается. Благодаря наличию этой конусности и фаски 6 мм х 45° наружная грань б приподнимается над головкой рельса даже при наличии допускаемого проката, наплыва металла и др. дефектов поверхности катания колёс, обеспечивая безопасный проход стрелочных переводов.

Устойчивость колёсной пары в рельсовой колее оценивается коэффициентом устойчивости колеса против схода с рельса, учитывающим соотношение вертикальных и горизонтальных составляющих сил, возникающих при движении вагона. При неблагоприятном сочетании вертикальных и горизонтальных сил, а также при нарушении условий загрузки и отклонении в состоянии вагона могут возникнуть случаи вползания гребня колеса на головку рельса, что приводит к сходу вагона с рельсов. Для предупреждения схода вагона в эксплуатации производится проверка устойчивости движения колеса по рельсу, для чего подсчитывается коэффициент по формуле:

,

Рисунок 1.2 Профили поверхности катания колес вагонов, разработанные стандартами железных дорог западноевропейских стран

где - угол наклона образующей гребня конусообразной поверхности колеса с горизонталью: для стандартного профиля (см. рис. 1.1., а) = 60°, для объединённого профиля (см. рис. 1.1., б) = 65°, для профилей железных дорог западноевропейских стран (см. рис.1.2.) =70°;

- коэффициент трения взаимодействующих поверхностей колёс и рельсов, принимается = 0,25;

P_вl и Р_в2 - вертикальные составляющие силы реакции соответственно набегающего и ненабегающего колёс на головку рельса;

Р_б - горизонтальная составляющая силы реакции набегающего колеса на головку рельса, действующая одновременно с Р_в| и Р_в2. Составляющие силы Р_в1, P_s2 и Р_б определяются по формулам:

(1.2.)

(1.3.)

(1.4.)

где Р₀, Р_кп - соответственно осевая статическая нагрузка и собственная сила тяжести колёсной пары;

- среднее значение коэффициента вертикальной динамики, приближённо = 0,75-к_дв;

- среднее значение коэффициента динамики боковой качки, приближённо = 0,25*;

Н_р - среднее значение рамной силы;

b - половина расстояния между серединами шеек оси, для стандартных осей b = 1,018 м;

l - расстояние между точками контакта колёс с рельсами, l = 1,555 м;

а₁, а₂ - расстояния от точек контакта до середины шеек, а₁ = 0,217 м, а₂ = 0,264 м;

r - радиус колеса, м.

Допустимое значение коэффициента запаса устойчивости колёсной пары от схода с рельсов:

для пассажирских вагонов - [K_VK] = 1,8;

для изотермических вагонов - [к_ук] ⁼ 1>6;

для грузовых вагонов - [к_ук] = 1,4.

При к_ук < [к_ук] может произойти вползание гребня колеса на головку рельса и сход вагона с рельсов.

Заключение