Как сделать колёсную пару

Колёсная пара — элемент ходовой части рельсовых транспортных средств, представляющий собой пару колёс, жёстко посаженных на ось и всегда вращающихся вместе с осью как единое целое. [1] Такая конструкция фактически из одной детали отличается высокой надёжностью. Пробег колёсных пар локомотивов с колёсами бандажного типа может достигать нескольких сотен тысяч км при нагрузке 20-25 тс (затем потребуется сменить бандажи).

Содержание

Общее описание [ править | править код ]

Вписывание в кривые больших радиусов (порядка 500 м и более) осуществляется за счёт разности диаметров колёс по окружностям катания, возникающей при смещении колёсной пары поперёк пути. Эта разность обусловлена тем, что поверхность катания колёс (профиль колеса) — не цилиндрическая, а коническая: радиус обода колеса с внешней стороны меньше, чем с внутренней, что, учитывая профиль головки рельса, позволяет колёсной паре сдвигаться от центра рельсового пути наружу поворота тем самым переходя на разные радиусы круга катания для правого и левого колёс. Движение колёсной пары по дуге малого радиуса (например, на стрелочных переводах) обеспечивается наличием гребней (реборд) на колёсах. Колёсная пара при этом направляется силами, возникающими в результате контакта внутренней боковой поверхности рельса и гребнем наружного колеса. При движении по прямой гребни колёс несут скорее страховочную функцию, чем функцию поддержания стабильного прямолинейного движения.

Силы, действующие в контакте колеса и рельса и направляющие движение подвижного состава, называются силами крипа (от англ. creep — ползти). Они обусловлены тем, что материалы колеса и рельса не абсолютно твёрдые. В контакте наблюдаются микродеформации рельса и колеса, это определяет постепенное нарастание силы крипа с ростом относительного проскальзывания колеса по рельсу.

В случае, если на рельсовом транспортном средстве применена система из пары колёс, способных вращаться с разными угловыми скоростями, то это колёсной парой не является. Подобная система не обеспечивает стабилизацию, но может применяться на относительно тихоходных рельсовых транспортных средствах.

Конструкция [ править | править код ]

Любая колёсная пара как сборочная единица теоретически состоит как минимум из трёх деталей: двух колёс и оси. Фактическое реальное исполнение обычно предполагает сложносоставное колесо, имеющее как минимум бандаж. Другой конструктивной особенностью колёсной пары является то, что она зачастую соединяется с тележкой рельсового подвижного состава через наружные буксы, так как только при такой схеме контроль износа подшипников и их замена относительно просты и доступны.

Для поддержания профиля железнодорожных колёс, обеспечивающих нормальное движение, применяется обточка колёс, а в случае бандажных колёс — и смена бандажей

Основной геометрический параметр колёсной пары — это расстояние между внутренними гранями колёс колёсной пары. Для российских дорог это расстояние равно 1440 мм с допусками ±3 мм (для колеи шириной 1520 и 1524 мм) и 990 мм с допусками ±3 мм (для колеи шириной 1067 мм).

Ввиду высоких требований по прочности и надёжности, предъявляемых к колёсным парам, разработаны и существуют правила формирования и ремонта колёсных пар, строго нормирующие весь технологический процесс: токарную и фрезерную обработку заготовок (в частности, даже радиусы галтелей, класс чистоты обработанной поверхности), температурные режимы при формировании колёсных пар, допуски, посадки и т. д.

Вагонная колёсная пара [ править | править код ]

Колёсная пара вагонной тележки воспринимает нагрузку от вагона и служит для направления движения вагона по рельсам. Колёсная пара состоит из цельнокатаных колёс, напрессованных на ось. На наружные концы оси через буксы и рессоры опирается рама тележки.

Цельнокатаное вагонное колесо состоит из ступицы, диска и обода. У обода, обращённого внутрь колеи, имеется выступ, называемый гребнем или ребо́рдой. Гребень предохраняет колёсную пару от выхода из пределов колеи.

Некоторые типы вагонов используют дисковые тормоза + магниторельсовый тормоз. Колёсные пары таких вагонов оборудованы тормозными дисками. На ось между колёсами напрессовываются два (четыре поверхности трения) или три (шесть поверхностей трения) тормозных диска.

В 1868-1878 гг. в российском вагоностроении существовали определённые проблемы с обеспечением качественными материалами. В связи с этим появились вагонные колёсные пары имевшие деревянные сплошные центра системы Манзеля и стальные бандажи. При условии добросовестного изготовления из качественного твёрдого дерева (дуб, тик) и после проварки в масле колёсные пары с центрами системы Манзеля служили долго, имели мягкий бесшумный ход, меньший износ бандажей. В этот период все вагоностроительные заводы в Москве выпускали товарные вагоны с колёсами системы Манзеля, также часть пассажирских вагонов имели такие колёсные пары. Впоследствии эти колёса были переформированы и получили железные и чугунные центра [2] .

Локомотивная колёсная пара [ править | править код ]

Локомотивная колёсная пара, кроме функций, выполняемых колёсной парой вагона, должна обеспечивать реализацию силы тяги локомотива. Для этого колёсная пара локомотивов (кроме паровоза) имеет зубчатое колесо, через которое передаётся крутящий момент от тягового электродвигателя или гидропередачи. На паровозах с внешней стороны колесной пары выполнялись кривошипные буксы, с помощью которых ведущие колесные пары соединялись между собой и с крейцкопфами цилиндров паровой машины специальными тягами. Встречались паровозы и с коленчатой осью колесной пары. Такая схема применялась в случае одноцилиндровой (на узкоколейных паровозах) и трёхцилиндровой паровой машины [1] .

Колёсные пары локомотивов, как правило, выполняются с бандажом. При износе профиля колеса по кругу катания и по выкружке гребня производится обточка колеса в большинстве случаев на специальном токарном или токарно-фрезерном станке без снятия колёсной пары с локомотива. Рельсы под колёсной парой опускаются, а в смотровой яме находится специальный токарный станок. Колёсная пара получает вращение от тягового электродвигателя тепловоза или электровоза. После проведения нескольких обточек (от 3 до 5) бандаж колеса достигает минимальной величины, нормируемой по условиям прочности. Бандаж срезается и заменяется новым. Тем самым продлевается срок службы колёсной пары.

Колёсная пара моторвагонного подвижного состава [ править | править код ]

На моторвагонном подвижном составе (электросекции, электропоезда, дизель-поезда, автомотрисы) колёсные пары прицепных вагонов имеют необмоторенные оси — по конструкции они аналогичны вагонной колёсной паре; обмоторенные оси имеют колёсные пары аналогичные по конструкции локомотивным.

Некоторые типы вагонов используют дисковые тормоза. Колёсные пары таких вагонов оборудованы тормозными дисками. У обмоторенных колёсных пар тормозные диски не напрессовываются на ось между колёсами (поскольку место между колёсами, как правило, занимает двигатель или другие части ходовой системы), диски прикрепляются болтами на колёса со внешней и внутренней сторон (таким образом получается четыре тормозные поверхности). У необмоторенных пар тормозные диски напрессовываются на ось, как на колёсных парах несамоходных вагонов.

Колёсная пара специального самоходного подвижного состава [ править | править код ]

Различают ведущие и бегунковые колёсные пары. Ведущие по конструкции подобны локомотивным, бегунковые — вагонным. Отличаются от них размерами и конструкцией осевых редукторов.

Колёсная пара трамвая [ править | править код ]

На старых типах трамваев применялись колёсные пары с жёсткими колёсами, наружными буксами и опорно-осевым подвешиванием тягового двигателя. Конструкция таких колёсных пар аналогична локомотивным, но размер их меньше. На современных трамвайных вагонах применяют колёсные пары с подрезиненными колёсами и внутренними буксами.

Устройство и принцип действия. Колесные пары служат для преобразования вращательного движения валов тяговых двигателей в поступательное движение вагона. Они являются наиболее ответственными узлами тележки, так как воспринимают всю нагрузку от веса кузова со всем его оборудованием и пассажирами, тяговые и тормозные усилия, а также направляют вагон по рельсовому пути. От правильного содержания и эксплуатации колесных пар зависит безопасность движения, поэтому к конструкции, изготовлению, содержанию и ремонту колесных пар Правилами технической эксплуатации (ПТЭ) метрополитенов предъявляются особые требования.

Колесная пара (рис. 7) состоит из оси 4 с роликовыми буксами 7, колеса с удлиненной ступицей 2, на которой монтируют редуктор 3, и колеса с нормальной ступицей 5 Расстояние между внутренними гранями бандажей или ободьев колес составляет 1440 мм.

Ось (рис. 8) представляет собой брус круглого сечения. Диаметр оси по ее длине неодинаков. На подступйчные части 4 напрессовывают колеса, поэтому, кроме напряжений изгиба и кручения, они испытывают еще напряжение сжатия от напрессованных на них колесных центров. Диаметр подступичных частей на 10 мм больше диаметра средней (межступичной) части 5.

На предподстуличные части 3 насаживают в горячем состоянии лабиринтные кольца (воротники) для уплотнения корпусов букс.

Концевые части оси — шейки 2 воспринимают вертикальную нагрузку от веса вагона. На шейки в горячем состоянии напрессовывают внутренние кольца буксовых подшипников. Резьбовые части 1 на концах оси предназначены для завинчивания осевых гаек, которыми закрепляют подшипники букс.

Для предотвращения концентрации напряжений все сопряжения участков одного диаметра с участками другого диаметра выполняют плавными. Их называют галтелями.

Оси колесных пар работают в тяжелых условиях, поэтому их изготовляют ковкой из специальной углеродистой стали с высокими механическими параметрами. Для увеличения срока службы осей буксовые шейки и подступичные части подвергают поверхностному упрочнению путем накатки роликами.

После обработки, проверки и приемки оси на торце ее первой шейки (со стороны зубчатого колеса) ставят клеймо с обозначением завода-изготовителя, номера оси, номера плавки металла, года изготовления и приемки оси инспекторами ОТК завода и службы подвижного состава метрополитена. При обнаружении на одной из осей дефектов металла под контроль берут все другие оси данной плавки (по шифру клейма).

Колеса. На вагонах метрополитена эксплуатируют подрези-ненные цельнометаллические и цельнокатаные колеса.

Подрезиненное колесо (рис. 9) обеспечивает снижение шума при движении и уменьшение силы динамических ударов, приходящихся на ходовые части и на путь. Оно состоит из колесного центра 1 с нормальной, как показано на рисунке, или удлиненной ступицей (в этом случае колесный центр называют первым), центрального диска 5 с насаженным на его обод бандажом 6, нажимной шайбы 4 и шестнадцати резиновых вкладышей 3, расположенных по обе стороны центрального диска по восемь штук в каждом ряду.

Бандаж 6 представляет собой съемное стальное кольцо специаль ного профиля, надеваемое на обод центрального диска. Съемными бандажи делают для того, чтобы при износе поверхности катания бандажи можно было сменить, не меняя другие детали колеса, которые практически не изнашиваются и подвергаются повреждениям гораздо реже. Поверхность катания бандажа имеет коническую форму; бандаж снабжен гребнем, расположенным с внутренней стороны рельса. Гребень препятствует сходу колеса с рельса.

Для плотного прилегания бандажа к ободу центрального диска его внутренний диаметр должен быть меньше наружного диаметра обода. Бандаж надевают на центральный диск в нагретом состоянии. При нагревании внутренний диаметр увеличивается, и бандаж свободно надевается на диск. При остывании бандаж сжимает диск, сам несколько растягивается и остается на центральном диске в напряженном состоянии. Для удержания бандажа на диске при его ослаблении служат крепительное кольцо 7, которое изготовляют цельным без шва из высококачественной углеродистой стали, и бурт на другой стороне бандажа.

На наружные торцовые грани бандажа и колесного центра наносят контрольные риски, смещение которых указывает на проворот бандажа. В эксплуатации допускается проворот не более чем на 200 мм. С повторным проворотом колесная пара в эксплуатацию не допускается.

При сборке колеса на дисковую часть 10 колесного центра 1, установленного в горизонтальное положение, ставят восемь шпи лек, которые снизу закрепляют гайками 9, скрепляемыми попарно дугообразными пластинчатыми шайбами 12, и укладывают восемь вкладышей первого ряда так, чтобы их нижние выступы попадали в углубления дисковой части. Затем устанавливают центральный диск 5 вместе с насаженным на него бандажом 6 таким образом, чтобы диск своими отверстиями попал на верхние выступы вкладышей.

Уложенный на верхнюю сторону центрального диска второй ряд резиновых вкладышей накрывают нажимной шайбой 4, расположенной в торце ступицы колесного центра 1. Штифты 11 служат для предотвращения проворота нажимной шайбы относительно колесного центра и среза болтов 2, крепящих нажимную шайбу. После равномерной затяжки гайками на шпильках и болтами на ступице (что обеспечивает равномерное сжатие резиновых вкладышей по всей плоскости колеса) гайки и болты закрепляют пластинчатыми шайбами. Колесный центр не соприкасается с бандажом и центральным диском и как бы «висит» на резиновых вкладышах.

Чтобы не нарушать электрическую цепь для отвода тока от колеса на ходовой рельс, каждое подрезиненное колесо имеет два гибких медных шунта 8 площадью сечения 50 мм 2 , соединяющих колесный центр с центральным диском.

Для обеспечения равномерного прогиба при качении по рельсу в колеса устанавливают вкладыши примерно одной жесткости. Толщина вкладыша, измеренная по наружным поверхностям арматуры, должна быть в пределах 24,1-25 мм. В зависимости от прогиба под нагрузкой вкладыши делят на шесть групп твердости. В оба колеса каждой колесной пары устанавливают вкладыши одной и той же группы.

Недостатками существующей конструкции подрезиненных колес являются большое число резьбовых соединений, что требует повседневного ухода и осмотра, отсутствие резины нужного качества, необходимость точного подбора вкладышей по их твердости.

Наряду с бандажными колесами на вагонах применяют безбандажные цельнокатаные колеса, у которых ступица, диск и обод с гребнем составляют одно целое.

По сравнению с бандажными цельнокатаные колеса имеют следующие преимущества: увеличенную прочность колеса; отсутствие насадного бандажа, что исключает работы по подбору натягов, нагреву, посадке, установке кольца и его завальцовке; облегчение наблюдения и ухода за колесами в эксплуатации; повышение безопасности движения, поскольку нет опасного проворота бандажа, ослабления посадки или разрыва бандажа и др.

По мере износа (образования проката) цельнокатаные колеса обтачивают по специальному профилю, а после предельного износа перетачивают под посадку на них бандажей.

В процессе эксплуатации вагонов на поверхности катания могут появиться следующие дефекты:

прокат — желобок глубиной а (рис. 10), образующийся по всей длине рабочей поверхности катания вследствие естественного износа бандажа при движении колеса по рельсам, а также смятия металла бандажа. Прокат сопровождается образованием характерного наплыва (наката) у наружного края колеса. Глубина и скорость нарастания проката зависят от пробега, качества ремонта и ухода за вагонами, от профиля и состояния пути. По мере нарастания проката свобода поперечного перемещения колесных пар уменьшается, особенно при прохождении кривых, ход подвижного состава становится менее спокойным, усиленно изнашиваются головки рельсов. По нормам допускается прокат глубиной до 5 мм;

выбоина — местный прокат бандажа, более интенсивный по сравнению с прокатом на остальной длине поверхности катания бандажа. Выбоина обычно образуется при заклинивании колесной пары. Причиной заклинивания могут быть неисправность тормозных приборов или рычажно-тормозной передачи, разрушение подшипников, излом зубчатой передачи. Выбоины создают большую опасность в эксплуатации, так как в момент их прохождения над головкой рельса колеса опускаются с высоты, равной глубине выбоин, и бьют по рельсам, как молот. Допускаются местные выбоины глубиной не более 0,3 мм. Приблизительно глубину выбоины можно определить на глаз, точно же ее определяют специальным шаблоном; при глубине 0,3 мм выбоина может иметь протяженность по кругу катания около 50 мм;

подрез гребня — сильное истирание рельсом внутренней наклонной поверхности гребня бандажа, вызывающее образование острого гребня, что может быть причиной схода вагона с рельсов на стрелках, в кривых участках пути. Вертикальный подрез гребня высотой более 18 мм недопустим. Подрез гребня происходит вследствие ряда причин: неправильного формирования колесной пары, неодинакового диаметра бандажей колесной пары и перекоса ее относительно рамы тележки. В результате подреза гребня угол перехода поверхности катания к гребню вместо 60° начинает приближаться к прямому, толщина гребня уменьшается. Нормами допускается толщина гребня не менее 25 мм (у новых гребней она равна 33 мм) и угловой подрез гребня не более 80°;

выкрашивание — выпадание кусочков металла из поверхности катания в результате сильно развитой сетки трещин, возникающей в поверхностном слое бандажа при сильном нагреве, вызванном длительным торможением колодками с последующим резким охлаждением колес на рельсах. Интенсивность сетки трещин на поверхности катания допускают в соответствии с фотоснимками в альбоме эталонов. Отдельные выкрашивания допускаются на площади не более 200 мм 2 глубиной не более 1,0 мм.

Освидетельствование колесных пар. Все колесные пары периодически проходят различные виды освидетельствования в электродепо и на заводах по ремонту вагонов с целью обеспечения безаварийной работы вагонов на линии. Существуют следующие виды освидетельствования:

осмотр колесных пар под вагоном для определения пригодности их к дальнейшей эксплуатации с проведением замеров основных параметров;

обыкновенное освидетельствование колесных пар; его выполняют при выкатке колесных пар для ремонта;

полное освидетельствование (с постановкой клейм); его выполняют периодически на заводе, а также при смене элементов колесных пар. При полном освидетельствовании проверяют соответствие размеров и износов элементов колесной пары установленным нормам; шейки оси, среднюю и предподступичные части проверяют дефектоскопом.

Уход за осями и колесами. Выявляют перечисленные выше неисправности и при их наличии принимают меры по устранению.

При осмотре осей убеждаются в отсутствии трещин, забоин, потертых мест и других видимых пороков на открытых участках. Подступичные части осей осмотру недоступны, однако трещины в них моїут быть обнаружены по вздутию или нарушению слоя краски в месте соединения оси со ступицей колесного центра, а также по появлению ржавчины в этом месте.

При осмотре колес проверяют состояние поверхности катания и гребней бандажей, убеждаются в отсутствии выбоин, трещин, выкрашивания, подреза гребней и других дефектов. Проверяют плотность посадки бандажа на ободе центрального диска обстукиванием бандажа молотком с удлиненной ручкой. Проверку выполняют при отпущенных тормозах, когда тормозные колодки не касаются поверхности катания.

Глухой дребезжащий звук служит одним из признаков ослабления посадки бандажа. Другим признаком ослабления посадки является проворот бандажа относительно колесного центра, определяемый по контрольным меткам, нанесенным на бандаже и колесном центре.

На подрезиненных колесах проверяют состояние резиновых вкладышей, убеждаются в отсутствии их сдвига и проворота, расслоения, выкрашивания, отслоения резины от арматуры в видимой зоне между ободом центрального диска и колесным центром или нажимной шайбой.

Осматривают нажимные диски, шпильки, гайки, стопорные пластинчатые шайбы. Убеждаются в отсутствии трещин, ослабления креплений и других повреждений, в наличии нормированного зазора между колесными центрами и центральными дисками. Контролируют состояние и крепление гибких медных шунтов на центральном диске и колесном центре.

Контрольные вопросы 1. Из каких элементов состоит колесная пара?

2. На какие части условно делится ось и каково их назначение?

3. В чем преимущество цельнокатаных колес?

4. Каковы особенности подрезиненного колеса, в чем преимущества и недостатки его конструкции?

5. Какие дефекты могут возникнуть на поверхности катания колеса?

6. Для чего на подрезиненном колесе устанавливают медные шунты?

7. По каким признакам определяют ослабление посадки бандажа колеса?

8. В чем состоит уход за осями и колесами в эксплуатации?

Город Выкса расположен в Нижегородской области, примерно в 200 км от областного центра, и при всей своей относительной малочисленности (54 000 человек населения) вполне годится на роль своего рода слепка всей нашей российской жизни. Здесь и более чем двухвековая славная история развития металлургической промышленности, и памятники архитектуры, и внушительный список выходцев, оставивших заметный след в истории страны. Но здесь же и упадок индустрии в 1990-х, от последствий которого город все еще не оправился, убыль населения, наконец, новые надежды на подъем. Выкса — это маленькая, но важная точка экономического роста на карте России. Развивающаяся вокруг модернизированного Выксунского металлургического завода современная инфраструктура все еще соседствует с коммунальной неустроенностью российской глубинки, а невдалеке от люксового отеля «Баташев», где в ресторане итальянский шеф, а цены — как в элитном московском общепите, можно найти улицы с грунтовыми «тротуарами» или долго обходить гигантскую лужу.

Инопланетный грунт

Выксунский металлургический завод на самом деле состоит из нескольких, разнесенных в пространстве цехов, каждый из которых являет собой вполне самостоятельное предприятие. В цехах делают металлопрокат, трубы малого, среднего и большого диаметра (в частности, для проекта «Северный поток») и железнодорожные колеса, которые прежде всего и стали объектом нашего интереса. Производители резиновых шин для автомобилей обычно гордятся высокой сложностью своих изделий (шина буквально лепится из нескольких деталей) и оригинальным рисунком протектора с волшебными свойствами. Естественно, при взгляде на цельнометаллическое железнодорожное колесо никаких мыслей о сложности не возникает — стальной круг, и никакого тебе протектора. Но знакомство с производством этих могучих дисков — каждый весом в несколько сотен килограммов — заставляет понять: ничего простого в индустрии не бывает, да и сами колеса далеко не одинаковы, как могло бы показаться на первый взгляд.

Процесс изготовления железнодорожного колеса не включает в себя никаких высоких технологий, но предъявляет высокие требования к точности всех параметров изделия — как по составу и структуре металла, так и по геометрическим формам. На линии новое оборудование работает рядом с проверенными временем агрегататами советских времен. 1. Для получения заготовок для железнодорожных колес слитки распиливаются с помощью циркулярной пилы или резцом на станке.

Все начинается с площадки в цеху колесопрокатного комплекса, на котором выложены стальные слитки весом чуть меньше четырех тонн. Эти «колбаски» лежат на каком-то сером сыпучем грунте, напоминающем видом своим пыль далеких планет, как мы ее себе представляем. «Слитки поставляются с нашего же мартеновского производства, — объясняет Вадим Филимонов, ведущий инженер колесопрокатного комплекса. — Мартеновские печи на сегодняшних металлургических предприятиях — это уже экзотика, через какое-то время и у нас их сменит электропечь непрерывного цикла. Однако качество металла, которое дает нам мартеновская печь, очень высоко и соответствует требованиям международных стандартов». Из сталеплавильного цеха слитки поступают, неся на себе серый налет, который, обсыпаясь, скапливается на площадке для слитков. Это и есть «пыль далеких планет». Раз в полгода песок сгребают бульдозером, и тогда обнажается бетонный пол.

2. Из одного слитка делается 7 заготовок. Общий вес слитка порядка 3800 кг.

Из слитка можно сделать семь колес, но прежде его надо распилить на заготовки. Делается это либо с помощью слиткоразрезных станков либо специальных пильных комплексов. Второй метод более прогрессивный и экономичный, ибо резец не отделяет заготовки друг от друга полностью, оставляя в центре перемычку круглого сечения. Тогда заготовки приходится отламывать друг от друга — и для этого нужен еще один станок и еще одна производственная операция.

3. Заготовка приобретает черты колеса на прессо-прокатной линии. Здесь ей предстоит обработка на 4 прессах и одном колесопрокатном станке.

Из огня да в полымя

Когда слиток разрезан на заготовки, его необходимо нагреть, чтобы с ним могли начать работу прессы. Нагрев происходит в двух кольцевых печах: после первой заготовка имеет температуру 1000 градусов, а вторая разогревает стальной цилиндр до 1300. Такая этапность важна для сохранения правильной структуры металла. И именно здесь начинаются те самые «пытки» стальной заготовки, которые в конце концов приводят к появлению готового изделия и выглядят чрезвычайно эффектно. Выплывающее из кольцевой печи будущее колесо встречает струя воды под сильным давлением — вода сбивает окалину. Гидросбив — важный процесс, так как если окалину не сбить, она впрессуется в структуру металла, что скажется на качестве изделия и весьма вероятно приведет к производственному браку. После камеры гидросбива заготовка поступает на прессо-прокатную линию. «Аналогичные предприятия за рубежом, — говорит Андрей Камышный, менеджер по технологии производства железнодорожных колес, — часто стараются отдать одному и тому же прессу максимальное количество операций по формованию колеса. Это дает выигрыш с точки зрения площади, занимаемой производством, и количества машин на ней, однако заметно снижает производительность. Мы на прессо-прокатной линии используем пять разных машин, и это позволяет нам достигать высочайшей производительности: каждые 30 секунд мы производим новое колесо, в год комплекс выпускает 820 000 колес».

4. Для снятия напряжений колеса проходят через изотермическую выдержку.

Первый пресс развивает усилие 2000 тс. На нем цилиндр просто осаживается на 40−60%, и, кроме того, с его помощью сбиваются остатки окалины с боков. На втором прессе (5000 тс) заготовка принимает уже отчетливо дискообразную форму. Металл выдавливается от центра к ободу и намечается будущее колесо. На самом мощном прессе (10 000 тс) формируется «черновой вариант» обода, диска и ступицы. Работа прессов для непосвященных выглядит как инфернальное царство жара и пара. На раскаленную докрасна заготовку медленно опускается штамп, формируя требуемый профиль. Затем, когда работа сделана и пресс поднимает инструмент формования вверх, его начинают поливать мощные струи воды. Штамп — ценная деталь, и ее правильное и своевременное охлаждение способно значительно продлить срок его службы. От облитого водой раскаленного металла во все стороны вырывается густой пар, и в этом тумане светящееся оранжевым колесо создает особенно мистическое зрелище. 10 000-тонный пресс — еще советское изделие. Гигантская машина высотой не менее чем с пятиэтажный дом была произведена в начале 1970-х, но на сегодняшний день и не износилась, и не устарела, работая практически в круглосуточном режиме.

Особое внимание уделяется контролю качества продукции. На первом этапе проводится ультразвуковое исследование: готовое колесо наполняется водой, которая используется как проводник для ультразвука. Далее следует визуальный контроль, причем колесо с одной стороны осматривает один сотрудник цеха, а с другой стороны — другой.

Тарелка и ребро

Следующая стадия после самого мощного пресса — колесопрокатный стан. На нем профиль обода колеса приобретает практически законченную форму, и главное — формируется круг катания (часть колеса, непосредственно соприкасающаяся с рельсом), в том числе гребень, или, как его иногда называют, «реборда» — та самая выступающая часть колеса, что удерживает вагон или локомотив в железнодорожной колее. Происходит раскатка колеса по внутреннему диаметру обода.

Отдельный этап контроля — нанесение на поверхность колеса магнитной суспензии и осмотр его в ультрафиолетовых лучах. Магнитная жидкость покажет все нежелательные полости и выщербины, которые могут быть не видны человеческому глазу. Все данные стекаются на специальный пост, на котором контролер принимает окончательное решение о том, годно ли колесо для эксплуатации.

На последнем прессе (3500 тс) создается окончательный профиль колеса и прошивается отверстие в ступице — в него при формировании колесной пары войдет ось. Человек, не связанный с железной дорогой, вряд ли когда-нибудь обращал внимание на то, что железнодорожные колеса могут существенно отличаться друг от друга профилем. Раньше обычно использовались плоскоконические колеса, то есть колесо имело вид неглубокой тарелки. Однако в последнее время заказчики чаще предпочитают колеса с S-образным профилем сечения. Это означает, что вокруг ступицы в таких изделиях формируется нечто вроде ребра жесткости. S-образная форма дает возможность увеличить нагрузки на колесо при сохранении или даже уменьшении его веса. Так вот, будет ли колесо плоскоконическим или получит иной профиль, зависит от штампа, установленного на 3500-тонном прессе. На нем же на колесо наносится различная маркировка, которая включает в себя, в частности, номер плавки и, согласно российскому стандарту, порядковый номер выпущенного колеса с начала года. Все это необходимо для выяснения причин поломки колеса, если вдруг таковая случится.

После выхода с прессо-прокатной линии «пытки» колеса еще далеко не закончены. Следом происходит так называемая изотермическая выдержка в специальных печах. Эта процедура необходима для того, чтобы, во‑первых, выжечь водород (на ВМЗ вакуумированная печь, и в металле водорода быть не должно, но для верности лишняя стадия очистки не помешает) и, во‑вторых, для приобретения сталью заданных структурных параметров и снятия напряжений.

Кому нужен зеркальный блеск?

Отпрессованные колеса имеют еще пока достаточно грубую поверхность. На станках с ЧПУ происходит обточка колеса, и вот что интересно: для колес по стандартам РЖД обтачивается до зеркального блеска только обод. Иностранные заказчики чаще всего требуют обточки всей поверхности колеса, и для этого на ВМЗ существует специальная роботизированная линия. «Колеса без полной обработки поверхности дешевле, — объясняет Андрей Камышный, — и при этом они полностью соответствуют техническим требованиям российских железных дорог. Полная обработка поверхности имеет смысл прежде всего для высокоскоростных поездов, так как при больших скоростях критичны даже самые незначительные отклонения в балансировке. В России высокоскоростное движение — пока экзотика, и потому полностью обточенные колеса нам заказывают только зарубежные партнеры. Однако в настоящее время ВМЗ готовится к производству колес для скоростных поездов, таких как «Сапсан» и «Ласточка» (Siemens Desiro)».

Традиционное для российских железных дорог колесо с плоскоконическим профилем. Оно имеет форму тарелки.

Едва колесо покинет участок предварительной обработки, его подвергают контролю (в основном идет замер геометрических параметров) и… снова нагревают. Это необходимо для закалки обода. Разогретое докрасна колесо вращается вокруг своей оси, а на круг катания подается вода — ведь долгий контакт с рельсом выдержит только закаленный металл.

Если подойти к железнодорожному колесу — не к обточенному до зеркального блеска, а к обычному, российскому, можно увидеть на его поверхности (кроме круга катания) небольшие лунки, вмятинки. Это следы работы дробеметной установки. После закаливания обода поверхность колеса дополнительно подвергается «бомбардировке» выстреливаемых с большой силой крошечных стальных дробинок. Дробеметное уплотнение поверхности колеса, как сообщили нам на ВМЗ, повышает усталостные характеристики дисков на 30%.

Современная S-образная конструкция, с характерным ребром жесткости вокруг ступицы. Проектировать такие колеса сложнее.

Последняя стадия производства — окончательная обработка колеса. Идет расточка ступицы, обработка наружного и внутреннего диаметра колеса. Остается лишь контроль качества, к которому на предприятии подходят со всей тщательностью.

«До 2004 года, — рассказывает Андрей Камышный, — наше предприятие производило достаточно однотипную продукцию и по конструкции, и по используемому металлу. Но с тех пор мы начали диверсифицировать наш ассортимент и сейчас готовы предложить любому заказчику — отечественному или зарубежному — именно то, что требуется в конкретных условиях эксплуатации. Вот пример. С тех пор как часть грузового подвижного состава перешла в собственность коммерческих транспортных фирм, всерьез встала проблема износостойкости колес: новые собственники эксплуатируют вагоны крайне интенсивно. Наши специалисты в сотрудничестве с московскими институтами ВНИИЖТ и ЦНИИчермет им. И. П. Бардина взялись решить проблему, создав сталь марки «Т», которая в полтора раза повысила износостойкость колес, что заметно увеличило межремонтный период для грузовых вагонов.

Волей Елизаветы

Выксунский металлургический завод создан в 1757 г. В настоящий момент предприятие входит в Объединенную металлургическую компанию и специализируется на производстве труб большого диаметра, металлопроката и железнодорожных колес. Оказывается, проблемы экологии волновали еще императрицу Елизавету I, которая распорядилась закрыть ряд производств в радиусе 200 верст от Москвы. От указа пострадали два брата-железопромышленника Андрей и Иван Баташевы, которые были вынуждены для своего завода новое место. Их выбор остановился в частности на берегах реки Выксы. Специализацию на трубах и железнодорожных колесах ВМЗ приобрел уже в советское время. В последнее десятилетие завод постоянно модернизируется, представляя собой фактически конгломерат нескольких производственных площадок (цехов). Одной из последних новаций стало введение год назад в строй металлургического комплекса Стан-5000, специализирующийся на производстве толстого широкого стального листа для труб большого диаметра. С этого момента российские производители стальных труб фактически больше не зависят от поставок импортного листа.

Работы велись при тесном сотрудничестве со специалистами РЖД. Сотрудники нашего инженерно-технологического центра и дирекции по технологии и качеству постоянно заняты поиском оптимальных конструкций под разные эксплуатационные условия. Ведь если, например, для тяжелогруженых вагонов важна прочность стали (основная проблема там — износ гребня), то для пассажирских поездов, которые ездят быстро и часто тормозят, важнее стойкость колеса к тепловым нагрузкам, при сохранении, конечно, оптимального уровня износостойкости. В каждом случае нужен специальный металл и специальная конструкция».