Повышение надёжности цельнокатаных колес

Д.П. Кононов  

 

ПОВЫШЕНИЕ НАДЁЖНОСТИ 
ЦЕЛЬНОКАТАНЫХ КОЛЁС 

монография 

 

 

 

 

Dmitry P. Kononov  

FORECASTING OF THE RELIABILITY 
OF SOLID WHEELS 
 (monograph) 

 

 

 

 

 

 
 

Москва 

БИБЛИО-ГЛОБУС 

2018  

УДК 629 
ББК 34.6 + 39.2 
К64 

Рецензенты: 
Тарапанов А.С. – доктор технических наук, профессор кафедры «Машиностроение» ФГОУ ВО Орловского государственного университета имени И.С. Тургенева. 

Иванов И.А. – доктор технических наук, профессор кафедры «Технология металлов» ФГБОУ ВО Петербургского государственного университета путей сообщения 
императора Александра I. 

К64 

 

Кононов Д.П. 

Повышение надёжности цельнокатаных колес: монография / Д.П. Кононов. – М.: БИБЛИО–ГЛОБУС, 2018. – 250 с. 

ISBN: 978-5-9500957-9-5 
DOI: 10.18334/9785950095795 

Монография посвящена повышению надёжности цельнокатаных колёс, 

применяющихся на железнодорожном подвижном составе. Внимание к проблеме повышения надёжности колёсных пар вызвано тем, что в эксплуатации 
наблюдаются случаи появления усталостных трещин, а также полного излома 
колёс при уменьшении толщины обода. Эти случаи, хотя и носят единичный 
характер, представляют реальную угрозу безопасности движения. Поэтому 
необходимо разработать методы, позволяющие повысить усталостную прочность колёс как при изготовлении новых, так и при ремонте существующих. 
Решение рассматриваемой проблемы включает в себя разработку, создание и 
внедрение новых технических и технологических методов совершенствования 
конструкции колеса. 

Книга предназначена для научных и инженерно-технических работников 

предприятий и научно-исследовательских организаций, работающих в области 
проектирования и эксплуатации подвижного состава, а также для преподавателей, аспирантов и студентов вузов железнодорожного транспорта. 

Ключевые слова: цельнокатаное колесо, колёсная пара, усталостная 

прочность, изломы, напряжения.  

ISBN: 978-5-9500957-9-5 
© Кононов Д.П., 2018 
© Оформление, дизайн обложки  

ООО Издательский дом «БИБЛИО-ГЛОБУС», 2018 

 
 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 

ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................ 9 
Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ 
ИССЛЕДОВАНИЯ .................................................................................................. 10 
1.1. Условия эксплуатации железнодорожного подвижного состава и 
цельнокатаных колёс ............................................................................................... 10 
1.2. Синергетическое описание роста усталостных трещин ............................... 14 
1.3. Факторы, вызывающие усталостные разрушения в железнодорожных 
колёсах ...................................................................................................................... 24 
1.4. Анализ основных направлений работ по повышению прочности и 
усталостной прочности цельнокатаных колёс при увеличении осевой  
нагрузки .................................................................................................................... 28 
1.4.1. Критерий надёжности цельнокатаных колёс.............................................. 28 
1.4.2. Конструкционные методы повышения усталостной прочности колёс ... 34 
1.4.3. Технологические методы повышения усталостной прочности колёс ..... 37 
Выводы по главе 1 ................................................................................................... 40 
Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА НАДЁЖНОСТЬ 
ЦЕЛЬНОКАТАНЫХ КОЛЁС ................................................................................ 42 
2.1. Влияние коррозии на прочность цельнокатаных колёс ............................... 42 
2.1.1. Коррозионные повреждения в изношенных железнодорожных колесах 42 
2.1.2. Влияние структурного состояния колесной стали на развитие  
коррозии ................................................................................................................... 54 
2.1.3. Влияние ванадия в колёсной стали и термической обработки 
на механизм и скорость коррозии .......................................................................... 59 
2.1.4. Влияние неметаллических включений на образование коррозионных 
повреждений ............................................................................................................ 62 
2.1.5. Влияние неметаллических включений на механические свойства 
колесной стали в активных средах ........................................................................ 75 
2.2.  Механические нагрузки, действующие на колёсную пару ......................... 79 
2.3. Термические нагрузки ...................................................................................... 97 
2.4. Оценка уровня остаточных напряжений ...................................................... 100 
2.5. Монтажные напряжения ................................................................................ 109 
Выводы по главе 2 ................................................................................................. 112 
Глава 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ 
ФРАКТАЛЬНО-КИНЕТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ УСТАЛОСТНОГО 
РАЗРУШЕНИЯ ЦЕЛЬНОКАТАНЫХ КОЛЕС .................................................. 114 
3.1. Общие сведения о геометрических фракталах и фрактальной размерности ... 114 
3.1.1. Фрактал и фрактальная размерность ......................................................... 114 
3.1.2. Мультифрактальные характеристики ....................................................... 117 
 

3.2. Фрактографические методы фрактального анализа 
статистически-самоподобных структур .............................................................. 122 
3.2.1. Метод островов среза .................................................................................. 123 
3.2.2. Фурье-анализ профилей .............................................................................. 124 
3.2.3. Метод вертикальных сечений .................................................................... 125 
3.2.4. Метод преобразования подобия ................................................................. 126 
3.2.5. Метод R/S-анализа ...................................................................................... 129 
3.3. Методика фрактальной параметризации рельефа излома ......................... 130 
3.4. Использование фрактальных характеристик для анализа развития 
разрушения ............................................................................................................. 136 
3.4.1. Связь между показателями трещиностойкости колесной стали и 
фрактальной размерностью .................................................................................. 138 
3.4.2. Определение зависимости фрактальной размерности от механических 
характеристик колёсной стали ............................................................................. 144 
Выводы по главе 3 ................................................................................................. 151 
Глава 4. ПОВЫШЕНИЕ НАДЁЖНОСТИ ЦЕЛЬНОКАТАНЫХ КОЛЁС 
ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ........................................................................................ 152 
4.1. Предпосылки к разработке методики расчётного определения параметров 
качества поверхностного слоя в зависимости от механической обработки ... 152 
4.2. Расчёт остаточных напряжений в обработанной поверхности элементов 
цельнокатаных колёс ............................................................................................. 155 
4.3. Расчёт высоты неровностей обработанной поверхности с учётом 
термомеханических явлений процесса резания ................................................. 170 
4.4. Определение глубины и степени наклёпа обработанной поверхности .... 174 
4.5. Влияние параметров качества обработанной поверхности диска на предел 
выносливости цельнокатаных колёс ................................................................... 175 
Выводы по главе 4 ................................................................................................. 182 
Глава 5. ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ЦЕЛЬНОКАТАНЫХ КОЛЁС 
ПРИ РЕМОНТЕ ..................................................................................................... 183 
5.1. Метод повышения надёжности цельнокатаных колес ........................................ 183 
5.2. Параметры процесса термообработки колёсной стали .............................. 185 
5.2.1. Нагрев стали с помощью ТВЧ .................................................................... 191 
5.2.2. Лазерная закалка .......................................................................................... 199 
5.2.3. Газопламенная термическая обработка .................................................... 203 
5.3. Моделирование локальной термообработки цельнокатаных колёс ......... 204 
5.3.1. Физическое моделирование........................................................................ 204 
5.3.2.  Математическое моделирование .............................................................. 208 
5.3.2.1. Определение модуля упругости при растяжении ................................. 208 
5.3.2.2. Определение модуля упругости и коэффициента Пуассона с помощью 
ультразвука ............................................................................................................. 210 
5.3.2.3. Результаты расчётов ................................................................................. 212 
 

5.4. Экспериментальные исследования ............................................................... 212 
5.5. Оценка остаточных напряжений после локальной термообработки ........ 215 
5.6. Методика и результаты натурных усталостных испытаний ...................... 220 
Выводы по главе 5 ................................................................................................. 225 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ...................................................................................................... 226 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК .................................................................. 226 
 
 

Dmitry P. Kononov  

Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University  

 

FORECASTING OF THE RELIABILITY OF SOLID WHEELS 
Content 

INTRODUCTION ....................................................................................................... 9 
Chapter 1. CURRENT STATE OF THE ISSUE. PURPOSE AND OBJECTIVES 
OF THE STUDY ....................................................................................................... 10 
1.1. Operating conditions of railway rolling stock and solid wheels ........................ 10 
1.2. Synergistic description of fatigue cracks growth  .............................................. 14 
1.3 Factors causing fatigue failure in railway wheels ............................................... 24 
1.4. Analysis of the main directions of works on improving the strength and fatigue 
strength of solid wheels with increasing axial load  .................................................. 28 
1.4.1. Criterion of reliability of solid wheels ............................................................ 28 
1.4.2. Structural methods for improving fatigue strength of wheels ......................... 34 
1.4.3. Technological methods for improving fatigue strength of wheels  ................ 37 
Conclusions on chapter 1 ........................................................................................... 40 
Chapter 2. STUDY OF FACTORS AFFECTING RELIABILITY OF SOLID 
WHEELS   ................................................................................................................. 42 
2.1. Corrosion attack on the strength of solid wheels ............................................... 42 
2.1.1. Corrosion damage of worn railway wheels  .................................................... 42 
2.1.2. Impact of the structural state of wheel steel on corrosion ............................... 54 
2.1.3. Impact of vanadium in wheel steel and heat treatment on mechanism and 
corrosion rate ............................................................................................................. 59 
2.1.4. Impact of nonmetallic inclusions on the formation of corrosion .................... 62 
2.1.5. Impact of nonmetallic inclusions on mechanical properties of wheel steel 
in active environments  .............................................................................................. 75 
2.2. Mechanical loads on wheel pair  ........................................................................ 79 
2.3. Thermal loads ..................................................................................................... 97 
2.4. Estimation of residual stress level .................................................................... 100 
2.5. Mounting stress  ............................................................................................... 109 
 Conclusions on chapter 2 ........................................................................................ 112 
Chapter 3. MATHEMATICAL MODELING OF FRACTAL-KINETIC 
PROCESSES OF FATIGUE DESTRUCTION OF SOLID WHEELS  ................. 114 
3.1. General information about geometric fractals and fractal dimension .............. 114 
3.1.1. Fractals and fractal dimension  ...................................................................... 114 
3.1.2. Multifractal characteristics ............................................................................ 117 
3.2. Fractographic methods for fractal analysis of statistically self-similar structures ..... 122 
3.2.1. Slit island method .......................................................................................... 123 
3.2.2. Fourier analysis of spectral line profiles ....................................................... 124 

3.2.3. Vertical Sections Method .............................................................................. 125 
3.2.4. Similarity transformation method ................................................................. 126 
3.2.5. Rescaled Range analysis................................................................................ 129 
3.3. Method of fractal parametrization of a fracture curve  .................................... 130 
3.4. Using fractal characteristics to analyze the development of fracture .............. 136 
3.4.1. Relationship between the indicators of crack resistance of wheel steel and 
fractal dimension ..................................................................................................... 138 
3.4.2. Determination of the dependence of fractal dimension on the mechanical 
characteristics of wheel steel ................................................................................... 144 
Conclusions on chapter 3 ......................................................................................... 151 
Chapter 4. IMPROVING RELIABILITY OF SOLID WHEELS DURING 
THE MANUFACTURE .........................................................................................  152 
4.1. Prerequisites for the development of a method for calculating surface layer 
quality parameters depending on the machining ..................................................... 152 
4.2. Calculating residual stresses in the machined surfaces of solid wheel elements  ..... 155 
4.3. Calculating the height of unevenness of the treated surface taking into account 
thermomechanical phenomena of the cutting process ............................................ 170 
4.4. Determination of the depth and degree of hardening  of theated surface  ....... 174 
4.5. Impact of quality parameters of the machined disc surface on the endurance 
limit of solid wheels  ............................................................................................... 175 
Conclusions on chapter 4 ......................................................................................... 182 
Chapter 5. IMPROVING RELIABILITY OF SOLID WHEELS DURING REPAIR .. 183 
5.1. Method for improving reliability of solid wheels  ........................................... 183 
5.2. Parameters of the process of heat treatment of wheel steel ............................. 185 
5.2.1. Heat treatment of steel by high-frequency currents ...................................... 191 
5.2.2. Laser hardening ............................................................................................. 199 
5.2.3. Flame Heat Treatment ................................................................................... 203 
5.3. Modeling of local heat treatment of solid wheels ............................................ 204 
5.3.1. Physical modeling ......................................................................................... 204 
5.3.2 Mathematical modelling ................................................................................. 208 
5.3.2.1. Determination of tensile modulus .............................................................. 208 
5.3.2.2. Determination of elastic modulus and Poisson's ratio by means of ultrasound  . 210 
5.3.2.3 Calculation results  ...................................................................................... 212 
5.4. Experimental research ...................................................................................... 212 
5.5. Estimation of residual stresses after local heat treatment ................................ 215 
5.6 Method and results of full fatigue testing  ......................................................... 220 
Conclusions on chapter 5 ......................................................................................... 225 
CONCLUSION ....................................................................................................... 226 
BIBLIOGRAPHY ................................................................................................... 226 
 

 

The monograph is devoted to the improvement of reliability of solid wheels 

which are used on railway rolling stock. We focus on the issue of improvement 
of reliability of wheel pairs because in use there are cases of fatigue cracking and the 
cases of complete fracture of the wheels with a rim thickness reduction. Although 
these cases were sporadic, they are still a real threat to traffic safety. That is why we 
need to develop methods for improving fatigue strength of wheels in the manufacture of new solid wheels and in the repair of existing ones. The solution involves 
development, creation and introduction of new technical and technological methods 
for improving the design of the wheel. 

The book is intended for scientific and engineering employees of enterprises 

and research organizations operating in the field of design and operation of rolling 
stock, and also for teachers, post-graduate students and students of high schools 
of railway transport.  

Keywords: solid wheel, wheel pair, fatigue strength, fractures, stress. 

 

 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Технический прогресс на железнодорожном транспорте неразрывно связан с ростом скоростей, повышением осевых нагрузок, внедрением новых конструкций верхнего строения пути, применением новых композиционных материалов. Это вызывает значительные изменения в условиях эксплуатации вагонного и локомотивного парка и, 
прежде всего, ходовых частей подвижного состава. При этом их эксплуатационная надёжность и прочность должны обеспечивать, в первую очередь, безопасность движения на железных дорогах. 

Эффективность работы на железнодорожном транспорте в значительной степени зависит от надёжной и безотказной работы колёс, 
являющихся одним из основных элементов подвижного состава. 

Особую актуальность в настоящее время приобретают вопросы 
повышения предела выносливости цельнокатаных колёс. Внимание 
к проблеме повышения надёжности колёсных пар вызвано тем, что, 
начиная с 1976 года в эксплуатации стали наблюдаться случаи появления усталостных трещин, а также полного излома колёс при 
уменьшении толщины обода. Эти случаи, хотя и носят единичный 
характер, представляют реальную угрозу безопасности движения. 
Поэтому необходимо разработать методы, позволяющие повысить 
усталостную прочность колёс как при изготовлении новых, так и при 
ремонте существующих. 

Решение рассматриваемой проблемы включает в себя разработку, создание и внедрение новых технических и технологических методов совершенствования конструкции колеса. 

Данная работа является одним из этапов решения задачи повышения усталостной прочности цельнокатаных колёс железнодорожного подвижного состава при ремонте и изготовлении, а также 
прогнозирования их надёжности. 

 
 

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ. ЦЕЛЬ И 
ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 

1.1. Условия эксплуатации железнодорожного подвижного 
состава и цельнокатаных колёс 

Безопасность движения подвижного состава в большой степени 
зависит от надежности колёсной пары, которая характеризуется безотказной работой в сложных условиях эксплуатации. Цельнокатаные 
колёса являются наиболее напряжёнными элементами подвижного 
состава. Они подвержены действию больших статических и динамических нагрузок, а также сильным температурным изменениям в металле колеса при торможении. 

Рост грузооборота, повышение скоростей движения поездов 
в значительной степени ужесточают условия работы цельнокатаных колёс [1, 2, 3, 4, 5]. В настоящее время максимально допустимая нагрузка 
для колёс грузовых вагонов составляет 25 тс. Согласно Транспортной 
стратегии Российской Федерации на период до 2030 года устанавливаются требования по повышению скоростей, безопасности и развитию 
железнодорожных перевозок (тяжеловесное движение) [1]. Стратегия 
развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации 
до 2030 года предусматривает разработку специализированных вагонов 
для маршрутных поездов с осевыми нагрузками до 30 тс, увеличение 
наработки грузового вагона на отказ на 30…40%, а также увеличение 
осевых нагрузок локомотивов до 27…30 тс [2]. 

Большое влияние на условия работы колёсных пар оказывают возрастающие скорости движения поездов. В данный момент, установлены 
следующие допустимые скорости движения поездов: грузовые – 
до 140 км/ч, пассажирские – до 200 км/ч (для железнодорожных линий 
первого класса) [3]. Увеличение скорости движения приводит к росту 
динамических нагрузок на колёсные пары и появлению высокочастотных колебаний на участках с большой жёсткостью пути.