Работа фрикционной пары «колесо-рельс» основана на двух взаимоувязанных принципах. Первый из них определяется силой тяги локомотива в сцеплении колеса с рельсом, второй — износ колес и рельсов. Оба принципа связаны между собой коэффициентом трения, с ростом которого тяга возрастет, а износ в паре трения «колесо-рельс» увеличивается, и наоборот.
Колесные пары являются основными элементами ходовой части и наиболее ответственными узлами подвижного состава. Железнодорожные колеса реализуют следующие функции:
• обеспечение качения колеса с продольным и поперечным проскальзыванием относительно поверхности рельса в условиях контактных давлений, превосходящих предел текучести колесной стали;
• выполнение поверхностью качения роли «тормозного барабана», воспринимающего нагрев и охлаждение с высокой скоростью, а также высокие напряжения сдвига и сжатия при значительном разогреве металла обода колеса.
Качение колеса по рельсу с проскальзыванием (от 0 до 100 %) вызывает в основном два процесса разрушения: объемную пластическую деформацию (снятие) и абразивный износ. Объемная пластическая деформация неравномерна по глубине от поверхности качения, достигает наибольших величин непосредственно у поверхности и уменьшается по мере удаления от нее.
Согласно работе Пашолока И.Л., Харитонова В.Б. [3], давление в контакте «колесо-рельс» в реальных условиях эксплуатации изменяется от 1,7 до 3 s и более, где s — предел текучести колесной и рельсовой стали. Результатом пластической деформации является течение металла из зоны основания гребня на поверхность качения и на вершину гребня, рис. 1.
В ходе пластической деформации начинают протекать процессы истирания, включающие микросрез, схватывание, образование усталостных трещин и т. д. Уменьшение влияния пластической деформации на процессы истирания в условиях эксплуатации возможно за счет регулирования свойств микроструктуры колесной и рельсовой стали, которое достигается за счет термической обработки стали. Благодаря этому удается выйти на важнейшую механическую характеристику колесных и рельсовых сталей, отвечающую не только за прочностные, но и за фрикционные свойства — соотношение значений твердости в системе «колесо-рельс».