Zestawy kołowe - budowa i eksploatacja > Koła jezdne

Rozróżnia się dwa rodzaje kół jezdnych stosowanych w transporcie kolejowym. Są to koła obręczowe i monoblokowe. Najczęściej wykorzystywanym materiałem do produkcji kół jest stal niestopowa i stopowa. Większość kół kolejowych jest wykonywana ze stali walcowanej, niewielka część również ze staliwa. Twardość kół zawiera się w znormalizowanym przedziale ER6-ER9.


1) Koła obręczowe składają się z trzech elementów:
A) obręczy, która jest montowana na kole bosym i odpowiada za bezpośredni styk z szynami toru poprzez odpowiednio wyprofilowany profil jezdny,
B) koła bosego zwanego również piastą koła,
C) pierścienia zaciskowego, który stanowi dodatkowe zabezpieczanie pomiędzy kołem bosym, a obręczą.

 
Koło obręczowe - przekrój (schemat)


Koło bose może być ramienne (starsze pojazdy) lub tarczowe. Koła ramienne wykonywane są jako odlewy staliwne. Koła tarczowe najczęściej wykonywane są jako kute. W obydwu przypadkach ostateczny kształt nadaje się poprzez obróbkę skrawaniem. Tarcze kół bosych mają różny kształt - spotyka się rozwiązania proste jak również takie zawierające krzywiznę. Pierwsze stosowane są głównie w pojazdach trakcyjnych, ze względu na ograniczoną ilość miejsca na koła, mechanizmy napędowe i układ hamulcowy. Tarcze kół bosych z krzywizną są zwykle montowane w wagonach. Kształt kół zależy od ich średnicy oraz sposobu i miejsca ich wykorzystania.

 
Koła bose - przykładowe przekroje (schemat)


 
Koło bose - ramienne

   
Koła bose - tarczowe

 
Zestawy kołowy z kołami bosymi - przed obręczowaniem


Koło bose ramienne na stanowisku obróbki skrawaniem

Obręcze wykonywane są jako kute i walcowane, a następnie dokładny kształt obręczy wykonywany jest z odkuwki metodą obróbki skrawaniem. Odkuwka to produkt końcowy uzyskiwany w procesie plastycznego kształtowania metali.

 
Obręcz - przekrój (schemat)


 
Odkuwka obręczy


 
Zgrubny kształt odkuwki


 
Obróbka skrawaniem odkuwki obręczy

 
Obręcze


Przekrój obręczy

 
Zarys wewnętrzny obręczy (na fot. dwie obręcze)

 
Porównanie zarysu wewnętrznego gotowej obręczy i odkuwki (opis na powiększeniu)



Obręczowanie czyli proces mocowania obręczy na kole bosym. Polega on na podgrzaniu obręczy z wykorzystaniem specjalnej nagrzewnicy indukcyjnej temperatury ponad 250 st. Celsjusza. Zgodnie z zasadą rozszerzalności termicznej stali na skutek zwiększenia temperatury materiału, obręcz zwiększa swoją średnicę.

 
Nagrzewnica indukcyjna od obręczy kół


 
Obręczowanie - nagrzewanie obręczy - przekrój (schemat)


Obręczowanie - nagrzewanie obręczy

W rozgrzanej obręczy osadza się następnie centrycznie koło bose i pozostawia do stygnięcia. Obręcz stygnąc, zmniejsza swoją średnicę i w efekcie zaciska się na kole bosym, doprowadzając do powstania trwałego połączenia skurczowego.
Dodatkowo, dla bezpieczeństwa, w specjalnie ukształtowany rowek obręczy zawalcowuje się walcarką lub wbija ręcznymi narzędziami pierścień zaciskowy, który stanowi dodatkowe zabezpieczenie omówionego połączenia skurczowego. Pierścień zaciskowy na długości co najmniej 2/3 obwodu koła powinien wystawać z rowka na wysokość ok. 7 mm. Analogiczny wymiar powinna mieć odległość między pierścieniem zaciskowym, a boczną zawalcowaną powierzchnią obręczy. Odstęp między końcami pierścienia zaciskowego nie może być większy niż 5 mm.

 
Obręczowanie - montaż koła bosego - przekrój (schemat)


 
Obręcz stygnie na kole bosym (różowe zabarwienie obręczy świadczy o jej wysokiej temperaturze)

 
Pierścień zaciskowy po wyprofilowaniu (1) i pręty przed profilowaniem (2)

 
Koło bose i koło zaobręczowane (opis na powiększeniu)

 
Pierścień zaciskowy w rowku obręczy (opis na powiększeniu)

 
Indywidualne oznaczenie koła

Zdejmowanie obręczy z koła bosego odbywa się przez wyjęcie pierścienia zaciskowego oraz rozcięcie obręczy palnikiem.
Obręcz po takim zabiegu nie nadaje się do ponownego użycia.

 
Rozcięte obręcze w celu wymiany

Ze względów bezpieczeństwa w celu ułatwienia kontroli stanu koła obręczowego przez rewidenta taboru, w miejscu łączenia obręczy z kołem bosym maluje się znaki kontrolne w postaci czterech białych pasów o szerokości ok. 30 mm i rozstawie promienistym co 90°.

   
Paski kontrolne na kołach obręczowych


W sytuacji gdy doszłoby do poluzowania obręczy względem koła bosego, rewident może wizualnie stwierdzić taki stan. Poluzowanie obręczy jest bardzo niebezpieczne i wymaga natychmiastowego wyłączenia pojazdu z ruchu.
Jedną z oznak obluzowania się obręczy są ślady wydostawania się opiłków metalu spod progu oporowego obręczy lub pierścienia zaciskowego.

Kontrola połączenia pomiędzy kołem bosym przeprowadza się według poniższych zasad.
1) Kontrola ustawienia znaków kontrolnych (pasków) - jeżeli przebiegi pasków nie przedłużają się, tylko występuje przesunięcie fragmentu paska na kole bosym w stosunku do drugiej części paska na obręczy, to znaczy, że doszło do poluzowania.
2) Kontrola dźwiękowa przez ostukanie koła na obwodzie obręczy młotkiem rewidenckim. Obręcz jest prawidłowo osadzona jeżeli dźwięk jest czysty, metaliczny. Na nieprawidłowe osadzenie obręczy wskazuje dźwięk głuchy i brzęczący. .
3) Kontrola osadzenia pierścienia zaciskowego - polega ona na sprawdzeniu prawidłowości jego ułożenia i zawalcowania.
Poza tym należy sprawdzić, czy na kole nie występują ślady korozji, opiłków lub ślady przegrzania.

Zaletą stosowania kół obręczowych są niższe koszty eksploatacyjne. W przypadku zużycia się obręczy, rozcina się ją i wymienia na nową, bez konieczności demontażu koła z osi. Jednak ze względów bezpieczeństwa i zwiększających się prędkości jazdy pociągów, w nowobudowanym taborze kolejowym powszechnie stosuje się koła monoblokowe.


Poluzowana i przegrzana obręcz


2) Koła monoblokowe różnią się od obręczowych tym, że stanowią jedną monolityczną całość. Tarcza koła (B) oraz obręcz, zwana w kołach monoblokowych wieńcem (A), są wykonane z jednego elementu stalowego (jako kute w matrycach prasami ciężkiego typu, walcowane na gorąco, ulepszane cieplnie, a następnie doprowadzane do wymiarów finalnych metodą obróbki skrawaniem).
W związku z powyższym w sytuacji granicznego zużycia wieńca koła konieczna jest wymiana całego koła. Takie rozwiązanie poprawia znacząco bezpieczeństwo jazdy, gdyż nie ma możliwości poluzowania się obręczy względem koła bosego.
Tarcze kół monoblokowych mają różny kształt - spotyka się rozwiązania proste jak również takie zawierające krzywiznę. Pierwsze stosowane są głównie w pojazdach trakcyjnych, ze względu na ograniczoną ilość miejsca na koła, mechanizmy napędowe i układ hamulcowy. Tarcze z krzywizną są zwykle montowane w wagonach. Kształt kół zależy od ich średnicy oraz sposobu i miejsca ich wykorzystania.

 
Koła monoblokowe - przykładowe przekroje (schemat)
A - wieniec
B - tarcza
X - rowek kontrolny

Z bocznej strony wieńca zestawu kołowego znajduje się rowek kontrolny (X) informujący o minimalnej średnicy eksploatacyjnej, jakie koło może osiągnąć i przy której osiągnięciu należy je wymienić.

   
Przykładowe koła monoblokowe - na drugim zdjęciu z przykręconymi pierścieniami ciernymi tarczy hamulcowej

 
Koło monoblokowe (opis na powiększniu)

 
Przekrój przykładowego koła monoblokowego

   
Koło nowe / zużyte (widoczny rowek kontrolny dopuszczalnego zużycia)


Poniżej przedstawiony jest ogólny proces technologiczny wytwarzania kół monoblokowych.

 
Wlewki stalowe ucięte na odpowiedni wymiar przygotowane do produkcji

Wlewki następnie rozgrzewa się w piecu do temperatury powyżej 1200 stopni Celsjusza, a następnie umieszcza pod prasą hydrauliczną typu ciężkiego o nacisku kilku tysięcy ton.

 
Rozgrzana wlewka pod prasą


Praca poprzez wywarty nacisk spłaszcza rozgrzaną wlewkę nadając jej wstępny kształt koła (kucie ze spłaszczaniem).

 
Spłaszczanie pod prasą

 
Odkuwka koła


W dalszej części procesu technologicznego następuje doprecyzowanie kształtu koła (kucie matrycowe), wybijanie otworu piasty, walcowanie na gorąco (nadanie odkuwce szczegółowych kształtów) oraz dogniatanie.

 
Odkuwka koła podczas dalszej obróbki (wybijanie otworu piasty)

Następnie wieniec koła jest poddawany hartowaniu. Czyli po nagrzaniu następuje intensywne jego chłodzenie wodą w celu zwiększenia twardości tej części koła.

 
Para wodna nad stanowiskiem hartowania kół

Kolejnym etapem produkcji jest obróbka skrawaniem, poprzez którą nadaje się kołu ostateczny, finalny kształt zgodnie z projektem. W końcowej fazie produkcji nanosi się się indywidualne oznaczenie seryjne wyrobu.

 
Gotowe koło monoblokowe na linii produkcyjnej

 
Indywidualne oznaczenie koła na piaście


Podczas procesu produkcyjnego oczywiście na bieżąco kontrolowane są kolejne etapy wytwarzania pod względem jakości wykonania. Wykonywane są odpowiednie testy mechaniczne oraz testy nieniszczące (np. badanie ultradźwiękowe - defektoskopowe - w celu wykrycia np. ewentualnych pęknięć).
Poniżej można obejrzeć filmy, prezentujące pełny proces produkcyjny kół monoblokowych:

Koła monoblokowe również kontroluje się przez uderzenia młotkiem rewidenckim. Nieodpowiedni, głuchy dźwięk informuje nieprawidłowości w strukturze materiałowej koła.

 
Koło z widocznym, znacznym pęknieciem


Przebieg jaki osiągają koła monoblokowe, po którym ich zużycie kwalifikuje je do wymiany (osiągnięta minimalna średnica koła) wynosi około 600-800 tys. km.



Profil koła (zarys zewnętrzny):

Profil koła koła to element bezpośrednio współpracujący z szyną. Lata eksploatacji i zdobytego doświadczenia pozwoliły opracować optymalny kształt powierzchni tocznej wyznaczony krzywą AOC. Krzywa ta powoduje zmniejszenie średnicy koła w kierunku zewnętrznej powierzchni bocznej, co zapewnia lepsze wpisywanie się zestawów kołowych podczas jazdy po łuku toru. Rozwiązanie to jest odpowiednikiem samochodowego mechanizmu różnicowego (dyferencjału).

Głównymi elementami powierzchni tocznej są: płaszczyzna toczna oraz obrzeże.

 
Profil koła kolejowego - schemat
A - obrzeże
B - powierzchnia toczna
CR - płaszczyzna okręgu tocznego (pomiar średnicy)

Składowe zarysu zewnętrznego profilu koła:
1 - płaszczyzna czołowa obręczy / wieńca
2 - bok wewnętrzny obrzeża
3 - wierzchołek obrzeża
4 - bok zewnętrzny obrzeża
5 - podstawa obrzeża (łuk przejściowy obrzeża)
6 - powierzchnia toczna - wewnętrzna
7 - powierzchnia toczna - zewnętrzna
8 - skos zewnętrzny profilu tocznego
9 - płaszczyzna czołowa zewnętrzna obręczy / wieńca

Poniższe oznaczenia pochodzą z TSI:
d - średnica koła
Sh - wysokość obrzeża
qR - stromość obrzeża
Sd - szerokość (grubość) obrzeża
BR - szerokość obręczy / wieńca

W starszych dokumentach można spotkać oznaczenia, gdzie:
Og = Sd
Ow = Sh
L = BR


 
Profil koła kolejowego

Płaszczyzna toczna odpowiada za przenoszenie obciążeń pionowych (toczenie się kół i naciski), a obrzeże służy do utrzymywania poprzecznego pojazdu względem toru – zabezpiecza przed zejściem zestawu kołowego z toru. Gdy obciążenia poprzeczne nie zostaną odpowiednio zrównoważone z obciążeniami pionowymi (zastosowanie odpowiedniej przechyłki toru i dopuszczalnej prędkości jazdy), może dojść do uniesienia koła nabiegającego obrzeżem na krawędź główki szyny. Spowoduje to przerwanie styku szyny z płaszczyzną toczną i może doprowadzić do wyjścia obrzeża z główki szyny co poskutkuje wykolejeniem.

 
Styk koła z szyną

Każda obręcz / wieniec może posiadać mikropęknięcia, które bada się metodą DEFEKTOSKOPOWĄ. Przekroczenie dopuszczalnych parametrów mikropęknięć powoduje konieczność wymiany lub napawania obręczy lub wieńca koła monoblokowego.



Napawanie to pokrywanie przedmiotów metalowych w miejscach ubytków warstwą roztopionego metalu techniką spawania przy jednoczesnym topieniu podłoża. Zabieg ten przedłuża trwałość zużytych kół i dotyczy zarówno kół monoblokowych jak i obręczowych.

Hartowanie to zabieg cieplny, któremu poddawana jest stal. Składa się on z dwóch następujących bezpośrednio po sobie faz. Pierwsza faza to nagrzewanie do temperatury powyżej przemiany austenitycznej (ponad 700°C) i wygrzewanie, tak długo jak to potrzebne, by nastąpiła ona w całej objętości hartowanego obiektu. Drugą fazą jest szybkie schładzanie.
Hartowanie przeprowadza się, by podnieść twardość i wytrzymałość stali, a więc przedłużyć trwałość powierzchni tocznej koła. Należy tu jednak zauważyć, że koła powinny być miększe od szyn, gdyż remont nawierzchni torowej jest znacznie bardziej skomplikowany i kosztowniejszy niż wymiana kół w taborze.

 
Stanowisko hartowania zestawów kołowych

Obręcze / wieńce podlegają również procesom obróbki skrawaniem. W celu przywrócenia prawidłowego profilu płaszczyzny tocznej kół przeprowadza się jej obtaczanie na specjalnych tokarkach.