Колёса подвижного состава железных дорог наглухо насажены на оси и имеют гребни с внутренней стороны. Глухая насадка колёс на оси обеспечивает неизменность расстояния между колёсами и, следовательно, не допускает их проваливания внутрь колеи или схода наружу. Колёса железнодорожных вагонов бывают цельнокатаные и сборные (бандажные); последние состоят из центра, бандажа и заводного кольца. Основным типом вагонных колёс являются цельнокатаные, локомотивных — бандажные.

Расстояние между внутренними гранями колёс называется насадкой Т. В период зарождения и развития железных дорог в России единственным единым нормативом по рельсовой колее было номинальное значение ширины колеи. Каждая железная дорога допуски по ширине колеи и размеры колёсных пар экипажей устанавливала по своему усмотрению.

В 1896 г. отмечалось, что насадка колёс на отдельных дорогах доходила до 1450 мм, а ширина зазора в колее составляла всего около 4 мм.

К концу 70-х годов прошлого века было достигнуто соглашение о прямом бесперегрузочном сообщении и обмене вагонами между железными дорогами. Это решение потребовало унифицировать размеры колёсных пар.

Министерство путей сообщения в 1888 г. предприняло попытку установить насадку колёс 1440±3. Однако на сети дорог продолжал обращаться подвижной состав с насадкой колёс, изменявшейся в широком диапазоне от 1434 до 1449 мм.

Большой разнобой был в размерах жестких баз и поперечных разбегов осей пассажирских трехосных вагонов.

С 1 января 1894 г. в России утверждена обязательная для всех железных дорог насадка колёс 1440±3 мм.

У ненагруженной колёсной пары насадка должна быть 1440 мм. У локомотивов и вагонов, обращающихся со скоростями до 120 км/ч. отклонения от нормы допускаются в сторону увеличения и уменьшения не более 3 мм; при скоростях от 120 до 140 км/ч отклонения от нормы допускаются в сторону увеличения не более 3 мм (максимальная насадка 1443 мм), а в сторону уменьшения не более 1 мм (минимальная насадка 1439 мм).
Два колеса, глухонасаженных на одну ось, называют колёсной парой (рис. 1).

Рис. 1
Рис. 1 Колесная пара
1 — центр; 2 — бандаж; 3 — заводное колесо; 4 — гребень.

Колёсные пары с подшипниками на шейках осей закрепляют в раме тележки или вагона таким образом, чтобы они не могли поворачиваться в плане под углом друг к другу и оставались поэтому всегда параллельными. Тележки соединены с рамой вагона или локомотива шкворнем и могут в определенных пределах поворачиваться относительно этой рамы.

Расстояние между крайними осями экипажа, которые сохраняют параллельность при движении в прямых и кривых участках пути, называют жёсткой базой экипажа. Чем длиннее жёсткая база экипажа, тем труднее он вписывается в кривую, особенно малого радиуса. Если в одной единице подвижного состава имеется несколько тележек с различными жёсткими базами, то наибольшая из них является одновременно жёсткой базой данной единицы.

Расстояние между крайними осями подвижного состава независимо от того, закреплены они в основной раме или в рамах тележек, называют полной колёсной базой данной единицы.
Колёса железнодорожных экипажей имеют коническую форму поверхности катания (рис. 2).

Рис. 2
Рис. 2 Очертания и основные размеры колес:
а — локомотивного; б — вагонного (штриховой линией показаны предельные износы колес)

Коническая обточка колёс нужна по двум причинам: чтобы обеспечить плавность движения колёс и не допустить образования седлообразного (желобчатого) их износа. При движении на прямом участке пути колёсная пара гребнем одного колёса может приблизиться к рабочей грани головки рельса. Между гребнем второго колеса этой колёсной пары и рабочей гранью головки второго рельса остается зазор.

Из-за коничности поверхностей катания первое колесо будет катиться по кругу, средний диаметр которого d1 больше, чем средний диаметр d2 круга катания второго колеса. Вследствие этого прижатое к рельсу (первое) колесо станет опережать второе. Возникает виляющее движение колёсной пары. Чем больше при виляющем движении колёсная пара отклоняется от среднего положения в колее и чем больше разница в диаметрах фактических кругов катания обоих колёс одной колёсной пары, тем сильнее стремление колёсной пары вернуться в среднее положение. Поэтому при конической поверхности катания колёс возрастает плавность движения колёсных пар. Однако из-за коничности колёс приходится ставить рельсы с подуклонкой.

В процессе эксплуатации поверхность катания и гребень колёсной пары изнашиваются: наибольший износ (т. н. прокат) наблюдается вблизи гребня, где поверхность катания колеса постепенно превращается из конической в цилиндрическую, а затем превращается в криволинейновогнутую.

Особенно важна коничность поверхности катания колёс для плавного прохода их через стрелочные переводы. Если бы колёса были цилиндрическими на всей ширине поверхности катания, то даже при небольшом износе их (прокате) создавался бы жёлоб, из-за которого колесо «подскакивало» бы при переходе с рамного рельса на прижатый остряк и обратно, а также при проходе колеса через сердечник и усовик крестовины. При таких «скачках» значительно увеличивались бы силы воздействия колеса на стрелочный перевод.

Гребень колеса сопрягается с поверхностью катания по кривой радиусом 15 мм вагонов и 13,5 мм у локомотивов. Этот радиус близок к радиусу сопряжения поверхности и боковой грани головки рельсов. Это сделано для того, чтобы не допустить вкатывания колёс на рельсы. Далее идет коническая поверхность с уклоном 1/20, затем 1/7. Переход коничности колёс от 1/20 к 1/7 сделан для облегчения их перекатывания с остряка на рамный рельс и с сердечника на усовик и обратно. У края колеса имеется фаска шириной и высотой 6 мм необходимая для обеспечения свободного перекатывания колёс с одного элемента стрелки и крестовины на другой (рис. 2).

Колёса опираются на головку рельса небольшой площадкой, по форме напоминающей эллипс. При прочих равных условиях площадь контакта колеса зависит от его диаметра. Чем меньше диаметр колеса, тем меньше будет контактный эллипс и тем больше контактные напряжения возникают в металле головки рельсов.

Установлен стандарт на размеры колёс: диаметр колёс вагонов равен 950…1050 мм, электровозов и тепловозов — 1050…1220 мм, а паровозов — 1200 и даже 1850 мм (пассажирских). Намечено увеличить диаметр колёс электровозов и тепловозов.

При определении взаимного положения колёсных пар и рельсовой колеи устанавливается расчётный уровень, на котором измеряются необходимые размеры колёсных пар. Расчётный уровень принят на расстоянии 10 мм ниже поверхности катания, так как на этом уровне неизношенный гребень локомотивного колеса упирается в боковую грань головки рельса. По мере износа фактическое положение поверхности контакта меняется незначительно, так как величина радиусов закругления головки рельса и сопряжения гребня с поверхностью катания колеса при износе мало меняется. Толщину гребней определяют также на расчётном уровне. От вершины гребня (как это принято в шаблонах для проверки гребней) уровень, на котором измеряют толщину гребня, отстоит на 18 мм для моторвагонного подвижного состава и пассажирских вагонов и на 20 мм для локомотивов.

При скоростях движения поездов до 120 км/ч толщина гребней не допускается более 33 мм и менее 25 мм, а при скоростях от 121 дс 140 км/ч более 33 мм и менее 28 мм.