Бунькова Тамара Геннадьевна повышение ресурса пары «колесо – рельс» за счет рационального подбора свойств материалов

Рисунок 1 – Линии равного отклика по некомпозиционному
ротатабельному (а) и симплекс-решетчатому (б) планам 
В целях конкретизации полученных результатов были поставлены 
уточняющие эмпирические исследования, состоящие из нескольких экспе-
риментов, с эксплуатационной нагрузкой, равной константе (в прямых 
участках железнодорожного пути). 
Зависимости износостойкости рельса и колеса от различных значений 
твердости сталей представлены на рисунке 2. 
а) 

---

10 
б) 
Рисунок 2 – Зависимость износостойкости рельса и колеса от
значений твердости их сталей:
а) граничное значение твердости стали рельса 4010 МПа;
б) среднее значение твердости стали рельса 3630 МПа 
В третей главе оценивалось влияние твердости сталей колес марок Л, 
Т, 2 и твердости рельса на значения контактного напряжения. 
Выполнен сравнительный анализ методик расчета размера пятна кон-
такта колеса и рeльcа. Проведено исследование влияния соотношения твер-
дости сталей колеса и рeльcа при действии oсeвой нагрузки на размеры 
пятна контакта и контактные напряжения, которые вызывают в эксплуата-
ции появление дефектов контактно-усталостного происхождения выкраши-
вание и выщербины на поверхности катания колес. 
Наличие на поверхности катания выщербин изменяет геометрию па-
раметров пятна контакта системы взаимодействия «колесо – рельс» из-за 
появления «П-образной» выработки. В соответствии с этим актуальным ста-
новится вопрос оценки влияния контактно-усталостных дефектов – выщер-
бин на напряженное состояние в зоне взаимодействия колеса и рельса при 
разной толщине обода колеса. 
Так как колесо симметрично, рассматривалась только ¼ его части, что 
позволило за счет использования меньшего числа конечных элементов 
упростить решение задачи. 
Смоделированы четыре проекции колеса: с номинальной толщиной 
обода без дефекта; с номинальной толщиной обода с дефектом – выщер-

---

11 
бина; с толщиной обода 22 мм без дефекта; с толщиной обода 22 мм с де-
фектом – выщербина. 
Данная модель представляет собой колесо с геометрическим плоским 
диском и рельс Р65 (радиус головки рельса 500 мм), размеры колеса и рельса 
принимались в соответствии с нормативными документами, глубина вы-
щербины принята равной 6 мм. Анализ результатов расчетов показал, что:
– у колес без дефекта (без выщербины на поверхности контакта) мак-
симальные эквивалентные напряжения расположены на глубине 4–5 мм от 
поверхности, максимальное напряжение – 0,71 от наибольшего контактного 
давления; 
– у колес, имеющих выщербину на глубине 4–5 мм от поверхности 
катания в зоне «П-образной» выемки, максимальное эквивалентное напря-
жение – 1,71 от наибольшего контактного давления. 
С уменьшением значения толщины обода колеса с дефектом – выщер-
бина контактное давление возрастает с 1346 до 1617 МПа, но максимальные 
эквивалентные напряжения при этом практически не увеличиваются (при 
номинальной толщине обода – 1754 МПа, при толщине обода 22 мм – 1762 
МПа) 
В соответствии с полученными результатами можно предположить о 
необоснованной выбраковке колесных пар с тонким ободом и имеющими 
дефект на поверхности катания колеса – выщербина глубиной до 6 мм. 
Например, при наличии на поверхности катания колеса выщербины 
глубиной 5 мм колесная пара должна браковаться при толщине обода
26 мм и гребня 29 мм. При этом толщина обода в месте образования дефекта 
составит 21 мм. Исходя из минимально допустимой толщины гребня в экс-
плуатации 24 мм остаточный ресурс такого колеса по износу гребня (1 мм 
толщины гребня, соответствует 10–12 тыс. км пробега) достигнет через 50–
60 тыс. км пробега. И так общий ресурс колеса сокращается на 10 – 12,5 % 
от общего ресурса 400–500 тыс. км пробега. 
Для увеличения ресурса колеса целесообразно рекомендовать допуск 
дефекта – выщербина глубиной до 6 мм у колес с наименьшей толщиной 
обода, даже при снижении толщины обода в месте выщербины менее 22 мм. 

---

12 
Эквивалентные напряжения в месте дефекта у такого колеса будут практи-
чески такие же, как у нового колеса с аналогичным дефектом. 
В соответствии с полученными результатами исследования можно 
сделать вывод, что образец из стали марки Т (твердость 320 НВ) незначи-
тельно уступает образцу из стали марки 2 (твердость 255 НВ) по контактной 
усталости и отличается меньшим значением коэффициента массового из-
носа. Сталь марки Л (твердость 280 – 320 НВ) показала наилучший резуль-
тат сопротивления контактной усталости, и так же превосходит сталь марки 
2 по параметрам износа гребня. На стадии слабого износа наименьшие зна-
чение коэффициента массового износа у стали Л. 
Результаты испытания на контактную усталость представлены на ри-
сунке 3.