Бандажи

Бандажи колесных пар

БАНДАЖИ, шины, кольца специального профиля, надеваемые на колеса (центр) паровоза, железнодорожного или трамвайного вагона. Профиль бандажа должен соответствовать особым шаблонам, устанавливаемым в соответствии с особенностями пути (очертание рельсов, уширение пути, стрелки, крестовины и т. п.). Бандажи различаются: ребордные (с гребнем) и безребордные (без гребня). Первые употребляются в подвижном составе в том случае, когда жесткая база (расстояние между крайними связанными между собой колесными парами) не превышает тех пределов, которые допускают вписывание подвижного состава в кривые части пути. Вторые употребляются для промежуточных колесных пар в том случае, когда жесткая база подвижного состава превосходит указанный выше предел.

Реборда (гребень) служит для направления колеса по назначенному ему пути, предупреждая от возможности сойти с рельсов. Профили ребордного и безребордного бандажей указаны на фиг. 1 и 2.

Профиль ребордного бандажа

Профиль безребордного бандажа

Бандаж употребляется с целью предохранения колеса от изнашивания. Употребление бандажей на железной дороге не является повсеместным; так, в США в отношении вагонных колес еще с середины прошлого столетия перешли на так называемые колеса «Гриффина», отливаемые целиком из чугуна с наружной закаленной поверхностью. Вполне понятно, что в этом случае изношенные колеса должны быть сменены целиком.

Насадка бандажа на колесо (центр) заключается: 1) в расточке внутреннего диаметра бандажа до размера, меньшего наружного диаметра колеса (центра) на определенную величину, обычно называемую натягом; 2) в нагреве бандажа до той наивысшей температуры, при которой внутренний диаметр бандажа допустит его надевание на колесо; 3) в надевании расширившегося от нагревания бандажа на колесо и в последующем его охлаждении. Натяг обычно берут в пределах от 0,75 до 1,5 мм на 1 м внутреннего диаметра бандажа. Кроме вышеуказанной горячей насадки бандажа на колесо, как предохранительное против сдвига его средство применяют различные виды скреплений бандажа с колесом. Наиболее распространенное из них - т. н. крепление по германскому способу, состоящее в закладывании в особое углубление бандажа с внутренней стороны пути заводного кольца, согласно чертежу фиг. 3; при этом креплении бандаж с наружной стороны пути имеет особую закраину, препятствующую слезанию бандажа в сторону пути.

Крепление бандажа по германскому способу

Как сказано выше, при работе подвижного состава бандаж в соприкосновении с рельсами изнашивается и утрачивает свой профиль. Для восстановления профиля бандажа, а также для уничтожения появляющихся на нем в некоторых случаях выбоин, бандаж подвергают периодическим обточкам. На союзных дорогах установлена, как правило, необходимость обточки бандажа в том случае, когда износ его достиг 5 мм глубины. Служба бандажа ограничена предельной допустимой толщиной, которая при существующей в пределах Союза нагрузке, приходящейся на каждый бандаж, варьирует от 45 мм для мощных паровозов до 30 мм для вагонов. С точки зрения эксплуатации: 1) бандаж не должен быть хрупким, т. к. условия пути и условия нагрузки все время испытывают его в этом отношении; 2) бандаж не должен иметь недостатков, влияющих на его прочность (раковины, плены, расслоения и т. п.); 3) бандаж не должен ослабляться на колесе, т. е. раскатываться на нем; 4) должен иметь сравнительно небольшой удельный износ, т. е. износ на единицу пробега. Все указанные свойства и недостатки зависят главным образом от природы металла бандажа и его термической обработки.

Современная техника употребляет для фабрикации бандажа исключительно литую сталь, изготовленную по преимуществу мартеновским процессом; способ изготовления из сварочной (пудлинговой) стали, сваркой в кольцо катаной полосы соответствующего калибра, ныне совершенно оставлен.

Химический состав стали. В зависимости от требований, предъявляемых к механическим качествам материала для бандажей, состав употребляемой для их изготовления литьевой стали, и термическая обработка выделанного из нее бандажа могут быть различны; чаще всего употребляется углеродистая сталь со средним содержанием С = 0,5%, Mn ≈ 1%, Si = 0,25% и с минимальным содержанием вредных примесей (Р и S). Изготовленные из углеродистой стали бандажи подвергаются только обжигу. Из специальных сталей применяются сорта: хромистая, хромованадиевая, хромоникелевая, с повышенным содержанием марганца. Бандажи из никелевой (без хрома) стали, по опыту французских дорог, оказались склонными давать трещины по кругу катания. Ниже приводятся примеры химических анализов стали некоторых заводов:

Химический состав стали бандажей

Французские железные дороги часто употребляют бандажи повышенных качеств, из хромоникелевой стали с Ni oт 1,5 до 2,0% и Cr 0,5%. Один химический состав стали не решает вопроса о ее качестве, весьма важно создание надлежащей структуры в готовом изделии, что достигается той или иной его термической обработкой (о чем речь будет ниже). Но роль элементов Р и S является в бандажной стали всегда отрицательной, и заводы принимают меры к возможному понижению содержания их в готовой стали. Во французских технических условиях поставки бандажей в целях избежания высокого содержания Р введено даже требование: неупотребление в шихту мартеновской печи чугунов с содержанием фосфора более 1,1%. Такое требование является излишним для заводов, умеющих справляться с дефосфорацией стали. В практике наших заводов бывали, однако, случаи (отмеченные в литературе) допущения в бандажной стали содержания Р до 0,19% - количества, несомненно, опасного в отношении хрупкости. То обстоятельство, что Р и S обладают весьма большой наклонностью к ликвации, обязывает заводы обращать надлежащее внимание на содержание в стали этих элементов. Что касается введения в состав бандажной стали высокого содержания Мn (см. анализ Луганского завода), то рациональность этого признается далеко не всеми металлургами.

Производство бандажей. Существует большое количество вариантов отдельных деталей в методах бандажного производства во всех его стадиях. Ниже приводятся лишь примерные способы, главным образом из практики русских заводов.

Отливка стали. Изготовленная в мартеновской печи и выпущенная в разливочный ковш сталь отливается в слитки, обычно рассчитанные на выделку из каждого слитка одного бандажа того или иного типа. В Германии за последнее время распространился также процесс отливки нормальных больших слитков с последующим удалением прибыльной части и разрезкой на круги достаточного веса для выделки бандажа. Тип бандажа определяет вес слитка, а экономические соображения о выходе годного металла ограничивают пределы этого веса, тем затрудняя разливку (наиболее ходовой вес слитков - около 320—360 кг), в особенности при выполнении этой операции «сверху», а не «сифоном». От литейного мастера требуют обычно недопущения колебаний в весе отдельных слитков более ±1,5% от теоретического. 3аводами выработан и общепринят такой прием использования слитков, при котором верхняя прибыльная, заключающая усадочную раковину часть слитка не отрубается, как обычно, а, наоборот, вгоняется ковкой внутрь заготовки и удаляется при последующей операции - «прошивке» (см. ниже). Чтобы гарантировать полное удаление усадочной раковины, иногда изложнице придают такую форму, при которой условия замерзания стали вызывают концентрацию усадочной раковины к центру слитка (принято на некоторых германских заводах). Достижению той же цели способствует прием отливки сифоном; этот прием вполне допустим для изделий полых внутри, но требует больших предосторожностей в отношении неметаллических включений. Сифонный способ вместе с тем обеспечивает плотность поверхностного слоя слитков в противоположность отливке сверху, сопровождающейся разбрызгиванием струи на стенки изложницы, порождающим известное явление «поверхностных» (подкорковых) пузырей в слитках «спокойной» (некипящей) стали. Пузыри эти тем более опасны, что они являются обычно носителями шлаковых включений, обнаруживающихся при механической обработке изделия в виде т. н. «песка». Правда, и при отливке сверху литейная практика применяет, и не без успеха, различные приемы для уменьшения вреда от разбрызгивания струи (например, промежуточные воронки, смазывание изложниц и пр.).

Приводим для примера эскизы бандажных чугунных изложниц восьмигранного (внутри) сечения заводов Кулебакского (фиг. 4 и 5) и Луганского (фиг. 8). На фиг. 6 и 7 изображено сечение слитка через центральную ось с обнажением усадочной раковины. Иногда, хотя и реже, отливаются и слитки цилиндрической формы (с круглым сечением).

Эскизы бандажных чугунных изложниц

Эскизы бандажных чугунных изложниц

Эскизы бандажных чугунных изложниц

В целях концентрации усадочной раковины к оси слитка в Германии применяется иногда изложница, дающая грушевидной формы слиток, суживающийся вверху, т. е. создаются условия замерзания как раз обратные тому, к чему стремятся при отливке слитка, прибыльная часть которого отрезается в процессе механической обработки. Изображенный на фиг. 4 и 5 плоский чугунный поддон (для отливки сверху) нерационален, так как струя скоро дает на нем глубокие вымоины, благодаря которым на слитке получаются «шишки», способствующие появлению трещин на нижнем его основании. Лучше употреблять поддоны с чашеобразным углублением, со стальным в центре вкладышем.

В новейшее время в Европе начинает распространяться способ фабрикации бандажей из слитков крупного веса. Такой слиток отливается с утепленной головной частью, концентрирующей усадочную раковину. После отрезки прибыли слиток разрезается холодным механическим способом на 4—5 дисков для дальнейшей горячей обработки на бандажи. Способ этот значительно облегчает работу сталелитейного цеха, а расходы на механическую разрезку, очевидно, окупаются уменьшением процента отходов и брака из-за литейных пороков. На русских заводах способ этот предполагается испытать в ближайшее время.

Ковка и прокатка. Описываем эти операции преимущественно по Луганскому заводу. Слитки нагреваются в методической печи, работающей на каменноугольной топке (на Кулебакском заводе печь работает нефтяной форсункой). Передвижение слитков по восходящему своду производится гидравлическим толкателем, а кантовка - вручную. Операция нагрева длится 7—8 часов. Нагретые слитки подаются на 12-тонный паровой молот (на других заводах - 15-тонные), ставятся на наковальню широким основанием и ударами осаживаются на 1/3 высоты. Затем в лежачем положении обкатываются грубо в цилиндр, снова приводятся в вертикальное положение и осаживаются дальше до высоты, соответствующей размеру бандажа. Далее в полученном диске прошивается центральное отверстие; для этого точно по центру диска накладывается стальной штамп («оправка» или «пробойник»), ударами молота таковой вгоняется в тело диска сначала с одной стороны, более чем на половину толщины диска, а потом с другой его стороны. Важно, чтобы при этой операции прошивки усадочная раковина слитка с сопутствующей ликвационной областью полностью была удалена из диска. После прошивки кольцу легкими ударами придается возможно правильная форма, после чего заготовка взвешивается. По подсчетам Луганского завода, необходима затрата времени: на ковку от 5 мин. до 6 мин. 45 сек., на взвешивание - от 1,5 мин. до 2,5 мин. Температуры: начала ковки 1150—1200°, окончания ковки 880—1040°. Без подогрева кольцо поступает на «роговый» молот в 5 тонн, на котором отверстие раскатывается на надлежащий диаметр, и одновременно кольцу придается коническая форма с грубым образованием реборды. Реборду (гребень) всегда делают из части, соответствующей нижнему основанию слитка. Дальнейшая операция - калибровка на 5-тонном молоте с того же нагрева, придание заготовке («разводке») надлежащей толщины. Отсюда заготовка поступает на склад для осмотра и зачистки от дефектов ковки (плен, заусениц) и видимых литейных (включение шлака, пузырей и пр.). По наблюдениям Луганского завода, описанные операции совершаются при следующих температурах и со следующей затратой времени:

о наблюдениям Луганского завода, описанные операции совершаются при следующих температурах и со следующей затратой времени

Прокатка бандажей. Станы. Бандажепрокатные станы бывают двух типов: с вертикальными и горизонтальными валками. Первый тип устраивается по двум вариантам: 1) две пары независимых друг от друга валков, укрепленных в общей станине, причем одна пара служит для грубой, а вторая - для отделочной работы; в этом случае заготовка бандажа от одной пары валков передается на другую; 2) система Далена - конструкция, позволяющая к остающейся на месте заготовке бандажа подводить поочередно три различных валка, закрепленных в общем суппорте. Первый валок служит для грубой обработки, второй - для более точной и третий - для окончательной отделки. Передвижение и нажатие валков производятся с помощью гидравлических цилиндров. Прокатные станы с горизонтальными валками удобнее в отношении работы и ремонта, но на них труднее получить правильную форму бандажа, и потому большого распространения этот тип не получил. Станов с горизонтальными валками приходится устанавливать два: один для грубой и другой - для отделочной работы. В первом оба валка приводятся в движение от шестерен, во втором - от машины работает только один валок, а другой увлекается трением.

Прокатка бандажа на стане с вертикальными валками схематически изображена на фиг. 9.

Прокатка бандажа на стане с вертикальными валками

Рабочий вал а получает свое вращение от машины с помощью конических зубчатых колес и делает около 30 об/мин. Передвижной уплотняющий валок b получает движение от горизонтального гидравлического цилиндра. Ролики с, переставляемые от руки, служат как направляющие. По прокатке бандажа на надлежащий диаметр валок b отводится назад, и бандаж снимается со станка.

Описанные системы бандажепрокатных станов применяются на европейских заводах. Американский завод «The Chicago Tire and Spring С°» установил стан James Munton, по своей производительности превосходящий существовавшие до того системы станов. Не приводя здесь описания этого стана (интересующиеся найдут его, например, в книге Leon Geuze «Forgeage et laminage», 1922), скажем только, что стан требует специальной кольцевой формы слитка, из которого выходит несколько бандажей.

Процесс прокатки на стане с вертикальными валками, по данным Луганского завода. Зачищенные от наружных дефектов кованые бандажные заготовки загружаются в методическую двухкамерную печь коридорного типа с каменноугольной топкой. Заготовки проходят печь в вертикальном положении, затрачивая на нагрев от 6 до 8 ч. Прокатка на стане требует следующих температур и времени: начало прокатки от 1060 до 1100°, конец прокатки от 970 до 1000°, продолжительность от 13/4 до 2 м. Для сообщения бандажу вполне точных размеров, его направляют на специальный правильный станок. Последний состоит из чугунной доски, на которой находятся секторы, слагающиеся в полный круг. В отверстии в центре помещается конус, прикрепленный к штоку гидравлического или парового цилиндра, устанавливаемого под плитой. Давлением конуса секторы раздаются в стороны и придают бандажу требуемые размеры. Отсюда бандаж переносится на горизонтальную стальную плиту, где окончательно правится нажимными винтами вручную. Последовательные стадии передела от слитка до готового бандажа схематически представлены на фиг. 10.

Последовательные стадии передела от слитка до готового бандажа

Технические коэффициенты. По отчетным данным некоторых русских заводов, бандажное производство можно характеризовать следующими примерными техническими коэффициентами:

Бандажное производство можно характеризовать следующими примерными техническими коэффициентами

Термическая обработка. Из горячей механической обработки (ковка, прокатка) бандаж может выходить с различной структурой в зависимости от температурных условий конца операции. Практика показала, что весьма часто структура получается крупнозернистой, когда прокатка или ковка заканчиваются при температурах, значительно превышающих верхнюю критическую точку, присущую материалу, из которого бандаж изготовляется. Вместе с тем неизбежная неоднородность обжатия отдельных элементов изделия вызывает внутренние вредные натяжения и неоднородность структуры. Обстоятельства эти вынудили М. П. С. приказом от 10 февраля 1912 г. (а позднее техническими условиями 1914 г.) ввести обязательный отжиг бандажей. Т. к. на скорость изнашивания бандажей, смятия их рабочей поверхности, как установлено исследованиями главным образом профессора А. Л. Бабошина, большое влияние оказывает величина предела упругости (пропорциональности), то необходимо вести процесс отжига т. о., чтобы получить мелкозернистое строение, сорбитообразный перлит, ибо такой структуре свойственен высокий предел упругости. Для достижения этого отжиг бандажей ведут в следующих условиях: нагруженную бандажами печь нагревают постепенно до температуры немного выше верхней критической точки стали и после выдержки при этой температуре последнюю быстро опускают через критический интервал (примерно до 600°), после чего дальнейшее остывание делают медленным. Быстрый переход через критический интервал достигается или охлаждением печи естественной тягой, открыванием дверец, заслонок и пр., или искусственным вдуванием в печь холодного воздуха вентилятором. Печи для отжига д. б. так сконструированы, чтобы достигалась возможная равномерность температуры в рабочем пространстве печи, иначе бандажи, находящиеся в разных точках печи, получат разную структуру и соответственно разные механические свойства. В печах обычного типа получение равномерного отжига достигается весьма нелегко и тем труднее, чем больше масса отжигаемого за один прием материала. Профессором В. Е. Грум-Гржимайло в 1916 г. предложена конструкция методической печи с обращенной тягой (описание печи см. в «Журнале Русского металлургического общества» 1913 г., стр. 707). Вышеописанная термическая обработка путем отжига относится к бандажам, изготовленным из углеродистой стали, и не достигала бы цели для бандажей из специальной стали. К последним обычно применяется более сложная обработка, состоящая из закалки и отпуска; например, французские хромоникелевые бандажи закаливаются в горячей воде. Тот же метод обработки применяется в Вестфалии к бандажам с содержанием С около 0,30% и Мn- 1,50%. Только при правильно проведенной термической обработке бандажи могут выдержать те испытания, которые предъявляются к ним техническими условиями поставки.

Технические условия приемки бандажей. Условия НКПС требуют, как и условия М. П. С., обязательного отжига бандажей, характеризуя его следующими словами: «бандажи д. б. подвергнуты однородному отжигу в специальных отжигательных печах с постепенным нагревом до температуры выше верхней критической точки и с выдержкой некоторое время при этой температуре». Вместо отжига НКПС допускает также термическую обработку, состоящую в быстром охлаждении после прокатки, с последующим нагревом не ниже 650° и медленным охлаждением. Требования НКПС, предъявленные к механическим свойствам бандажей, разделяются соответственно двум маркам бандажей, применяемым в СССР, причем высшая по качествам марка «Б» относится к паровозным бандажам, низшая марка «А» - к вагонным. При испытании на растяжение для марки «А» требуется временное сопротивление не менее 60 кг/мм2, относительное удлинение не менее 12%, предел упругости не менее 25 кг/мм2; для марки «Б» - временное сопротивление не менее 65 кг/мм2, относительное удлинение не менее 10%, предел упругости не менее 30 кг/мм2. При испытании на удар бандаж подвергается трем последовательным ударам бабы весом в 1000 кг, причем бандажи не должны показывать признаков разрушения; ударная работа для бандажей марки «А» д. б. для каждого удара равна 4250 кгм, а для марки «Б» - 6000 кгм. Основным условием при приемке бандажей с точки зрения новейших теорий обеспечения стойкости бандажей против износа и против ослабления на колесе является требование, предъявляемое в отношении предела упругости; вторым условием, обеспечивающим отсутствие хрупкости, является ударная проба. Что касается временного сопротивления и удлинения, то они введены в технические условия лишь для сравнения и некоторой проверки основных величин. Из новейших заграничных условий наиболее интересными являются французские условия, как одни из самых новейших условий, и германские, как построенные на совершенно ином принципе - испытания ударом.

Французские технические условия различают две марки бандажей — «G» и «H». Из требований, предъявляемых к производству, следует отметить: 1) запрещение употребления при плавках чугунов, содержащих более 0,1% фосфора; 2) требование полного удаления усадочной части слитка; 3) требование очистки и обрубки заготовки; 4) требование отжига. В отношении норм испытания эти условия предписывают: ударную работу в 10000 кгм при весе бабы в 1000 кг для обеих марок и временное сопротивление для марки «G» 70 кг/мм2 при удлинении 14%, а для марки «Н» соответственно 90 кг/мм2 и 8%. Как видно из предыдущего, французские технические условия выдвигают на первое место ударную пробу и не ставят никаких требований по отношению к пределу упругости, заменяя последнюю временным сопротивлением, что нельзя признать правильным. Нормы ударной пробы у французов значительно превышают нормы, установленные в СССР. Особенность германских технических условий заключается в их испытании на удар, а именно: ударная проба состоит в ряде ударов с ударной работой в 3000 кгм в первый раз и с последующим увеличением каждый раз на 500 кгм, если уменьшение диаметра бандажа будет меньше 10 мм. Число ударов определяется тем, что тендерные и вагонные бандажи должны получить осадку на 12% от первоначального внутреннего диаметра, а паровозные бандажи - осадку, определяемую в процентах по формуле: E = (D/100) – ((d - 65)/10), где D - диаметр круга катания бандажа, a d - средняя толщина обточенного бандажа. В обоих случаях при испытании не должно обнаруживаться разрушения бандажа.

Наваривание бандажей. Бандажи железнодорожных колесных пар изнашиваются обыкновенно неравномерно на обоих колесах, но необходимость иметь одинаковый диаметр по кругу катания с обеих сторон заставляет обтачивать оба колеса по наибольшему износу. Для предотвращения быстрого расходования материала бандажа в таких случаях в железнодорожных ремонтных мастерских в Касселе с успехом применяется наваривание изношенных бандажей. Служба таких бандажей оказалась безукоризненной. В виде опыта в этих мастерских было наварено около 450 вагонных и тендерных бандажей, причем эти бандажи были обточены в общем на 1500 мм; если бы наваривание не было применено, то пришлось бы сточить 4000 мм. Стоимость 1 мм толщины бандажа составляет 4,5 марки; расход на наварку - 4750 марок. Таким образом была получена экономия на этих бандажах в 6500 марок, не считая стоимости уменьшения обточки. Сваривание производится на специальной сварочной машине, на которую колесная пара устанавливается при помощи крана в наклонном положении. Сварка производится вольтовой дугой, причем на бандаж навивается с катушки проволока, диаметром 4—5 мм, подвергающаяся попутно рихтованию посредством небольших рихтовальных вальцов. Источник тока (особый умформер) присоединяется одним полюсом к тележке, на которой находится колесная пара, а другим соединяется с проволокой. Одновременно работают две сваривающие головки. При зажигании вольтовой дуги напряжение составляет 80 V, во время сварки - 20 V. Производительность этой машины - 6 вагонных или 2—3 паровозных колесных пары в день. Для наварки одной вагонной колесной пары требуется 1,5 часа, около 40 м проволоки и 20 kWh энергии.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 2 - 1928 г.

Избранное