transportszynowy.pl

najobszerniejsze centrum wiedzy o transporcie szynowym po polsku

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 produkji 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.

Kliknij aby powiększyć  
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.

Kliknij aby powiększyć  
Koła bose - przykładowe przekroje (schemat)



Kliknij aby powiększyć  Koło bose - ramienne

Kliknij aby powiększyć   Kliknij aby powiększyć  Koła bose - tarczowe

  Zestaw kołowy z kołami bosymi - przed obręczowanem

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.

Kliknij aby powiększyć  
Obręcz - przekrój (schemat)



Kliknij aby powiększyć  
Odkuwka obręczy


Kliknij aby powiększyć  
Zgrubny kształt odkuwki


Kliknij aby powiększyć  
Obróbka skrawaniem odkuwki obręczy


Kliknij aby powiększyć  
Gotowe obręcze


Przekrój obręczy


Kliknij aby powiększyć  
Zarys wewnętrzny obręczy (na fot. dwie obręcze)

Kliknij aby powiększyć  
Porównanie zarysu wewnętrznego gotowej obręczy i odkuwki (opis na pow.)



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.

Kliknij aby powiększyć  
Nagrzewnica indukcyjna od obręczy kół


Kliknij aby powiększyć  
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.

Kliknij aby powiększyć  
Obręczowanie - montaż koła bosego - przekrój (schemat)


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



Kliknij aby powiększyć  
Pierścień zaciskowy


Kliknij aby powiększyć  
Koło bose i koło zaobręczowane (opis na powiększeniu)


Kliknij aby powiększyć  
Pierścień zaciskowy w rowku obręczy (opis na powiększeniu)


Kliknij aby powiększyć  
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.

Kliknij aby powiększyć   Kliknij aby powiększyć
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 konstrolne w postacji czterech białych pasów o szerokości ok. 30 mm i rozstawie promienistym co 90°.

Kliknij aby powiększyć  Kliknij aby powiększyć 
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 wystepują ślady rdzy, 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. br> Jednak ze względów bezpieczeństwa i zwiększających się prędkości jazdy pociągów, w nowobudowanym taborze kolejowym powszechnie stosuje się koła monoblokowe.




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.

Kliknij aby powiększyć  
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.

Kliknij aby powiększyć  Kliknij aby powiększyć 
Przykładowe koła monoblokowe - na drugim zdjęciu z przykręconymi pierścieniami ciernymi tarczy hamucowej


Kliknij aby powiększyć  Koło monoblokowe (opis na pow.)

Kliknij aby powiększyć  Przekrój przykładowego koła monoblokowego


Kliknij aby powiększyć   Kliknij aby powiększyć  
Koło nowe / zużyte (widoczny rowek kontrolny dopuszczalnego zużycia)


Poniżej przedstawiony jest ogólny proces technologiczny wytwarzania kół monoblokowych.

Kliknij aby powiększyć  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.

Kliknij aby powiększyć  Rozgrzana wlewka pod prasą


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

Kliknij aby powiększyć  Spłaszczanie pod prasą

Kliknij aby powiększyć  Odkuwka koła


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

Kliknij aby powiększyć  Odkuwka koła podczas dlaszej 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.

Kliknij aby powiększyć  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.

Kliknij aby powiększyć  Gotowe koło monoblokowe na linii produkcyjnej

Kliknij aby powiększyć  Indywidualne oznaczenie koła na piaście


Podczas procesu produkcynego 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.

Kliknij aby powiększyć  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.

Kliknij aby powiększyć 
Profil koła kolejowego - schemat

A - obrzeże
B - powierzchnia toczna
CR - płaszczyzna okręgu tocznego (pomiar średnicy)

Składowe zarysu zewnętrznego profilu koła:
1 - płaszczyzna czołowa obreczy / 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


Kliknij aby powiększyć  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.

Kliknij aby powiększyć  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.

Kliknij aby powiększyć  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.