Вагонные колеса

Вагонные колеса

ВАГОННЫЕ КОЛЕСА. 1. Чугунные (Гриффина). Производство чугунных вагонных колес с закаленной поверхностью катания (т. н. гриффиновских колес) должно сыграть выдающуюся роль в развитии железнодорожного хозяйства СССР. Опыт американского железнодорожного дела неопровержимо доказывает, что своим беспримерным развитием в последней четверти прошлого столетия оно в значительной степени обязано чугунному вагонному колесу, давшему возможность не только удешевить производство железнодорожного подвижного состава, но и достигнуть громадных сбережений в оборудовании и во времени, необходимом для этого производства.

Попытки изготовлять чугунные вагонные колеса с закаленной поверхностью катания были произведены в первой половине прошлого столетия. Многочисленные конструкции таких колес были запатентованы в это время, но испытания их не дали никаких существенных результатов. Обыкновенно таким колесам придавали в то время форму простого колеса с плоскими спицами и со ступицей, разрезанной в трех местах с целью устранения опасных напряжений материала, возникающих при остывании чугуна после отливки. Ступица, после соответствующей обработки, стягивалась железными кольцами и заклинивалась на оси. Лишь в 1850 г. Уошборн (Washborn) решил проблему чугунных вагонных колес, предложив отливать их в форме сплошного диска с соответствующим ободом. Колеса типа Уошборна, диаметром 33" и весом 525 английских фунтов, продолжали оставаться в течение почти 30 лет стандартными для 10-тонных товарных вагонов, а также и для значительной части пассажирских вагонов. Это было время железных рельсов, ручных тормозов, примитивной сцепки вагонов, малой грузоподъемности последних и т. д.; при малой нагрузке колеса, малых пробегах и малых скоростях колеса не изнашивались за все время службы вагона. Появившиеся в 1885 г. 30-тонные вагоны дали 5-тонную нагрузку на каждое колесо. Противники дальнейшего увеличения нагрузки колеса считали площадь контакта 33"-колеса с рельсом настолько малой, что нагрузка, превосходящая 5 тонн на каждое колесо, неминуемо должна вызвать напряжение материала колеса и рельса выше предела упругости. Все сомнения на этот счет были, однако, рассеяны практикой. Введение 30-тонных вагонов на всех железных дорогах происходило чрезвычайно быстро. Чугунные вагонные колеса весом в 600, а затем в 625 английских фунтов, применялись для этих вагонов повсеместно в Европе и в Америке. Несмотря на целый ряд сомнений, которые высказывались скептиками в начале нашего столетия, 40- и 50-тонные вагоны, снабженные чугунными колесами, были в свою очередь испытаны и найдены во всех отношениях отвечающими своему назначению. Под этими вагонами применялись чугунные колеса весом уже в 725 английских фунтов, в то время как вес стальных колес для тех же целей превышал 750 английских фунтов. В настоящее время 50-тонные американские вагоны заменяются 70-тонными для транспортирования таких грузов, как уголь, руда и пр. Эти вагоны уже испробованы во всех отношениях, и чугунные вагонные колеса весом в 850 английских фунтов оказались и для них вполне отвечающими своему назначению. Чугунные вагонные колеса, оставаясь одинаковыми по форме, претерпели весьма мало изменений за все время развития вагоностроения. В то время как грузоподъемность вагонов изменилась от 10 до 70 т и скорость их движения увеличилась в 6 раз, вес колес увеличился всего на 38%. В настоящее время не менее 95% всех товарных вагонов и весьма значительная часть пассажирских вагонов США снабжены чугунными колесами с закаленной поверхностью катания, и число их в обращении превышает 25 млн. Такое количество колес требует 8000000 тонн металла. Ежегодно из этого количества возобновляется около 10%, т. е. 2,5 млн. колес.

В США и в Канаде производством чугунных вагонных колес занимаются 50 заводов, и производительность их достигает в общей сложности 20000 шт. в день, или свыше 6000000 колес в год. Как совершенно справедливо замечает председатель американской Ассоциации производителей колес из закаленного чугуна Линдон, разработка естественных богатств США в значительной степени обусловлена широким применением чугунных вагонных колес. Без последних американское железнодорожное дело не могло бы достигнуть той необычайной ступени развития, на которой оно находится в настоящее время. Об этом свидетельствуют следующие цифры. В 1914 году на железных дорогах США было в обращении 2700000 товарных вагонов. Количество грузов, перевезенных в этих вагонах в этом году, составляло 1110000000 тонн, или около 70 млрд. пудов. В тонно-милях это количество выражается свыше чем 300 млрд. тонно-миль. Прибавив сюда 375 млрд. тонно-миль, падающих на сами вагоны, получим гигантское число в 675 млрд. тонно-миль, выражающее ту работу, которую проделали в 1914 году чугунные колеса на железных дорогах США.

Чугунные вагонные колеса при отливке подвергаются закалке. Еще в 18 в. в одной из английских литейных было замечено, что расплавленный чугун, приходя в контакт с металлической поверхностью, становится отбеленным и чрезвычайно твердым. Этот процесс отбелки и закалки чугуна обусловливается чрезвычайно быстрым охлаждением расплавленного чугуна в металлической форме. Сущность этого процесса заключается в том, что при быстром отнятии тепла от расплавленного чугуна содержащийся в нем цементит (химическое соединение железа и углерода Fe3C) не успевает разложиться на свои составные части, железо и углерод в виде графита, и в застывшем при этом чугуне графит не содержится в свободном состоянии, как это происходит в обыкновенном сером чугуне, который подвергается медленному остыванию после отливки. В отбеленном (закаленном) слое чугуна весь углерод находится в состоянии, химически связанном с железом. Цементит представляет собой чрезвычайно твердое вещество, тверже стекла и самой твердой стали, не исключая закаленной быстрорежущей стали; по твердости он приближается к кварцу, занимающему седьмое место в шкале твердости, тогда как алмаз занимает десятое место.

Микроструктура закаленного слоя чугунных вагонных колес показана на фиг. 1:

Микроструктура закаленного слоя чугунных вагонных колес

белые массы - цементит, темные - перлит; в одном месте видны мелкие чередующиеся выделения того и другого, - это эвтектика белого чугуна. Составляя около 40% отбеленного чугуна, цементит придает ему чрезвычайную твердость, позволяющую использовать этот чугун для большого количества предметов, для которых серый чугун обычно является неприменимым, как, например, для плугов, молотов, наковален, прокатных валов, железнодорожных колес и т. д. Как уже было упомянуто, закалке подвергается лишь поверхность катания колеса, причем закалка простирается на глубину до 25 мм. Для достижения этой закалки формовка колес производится в составной опоке (фиг. 2), средняя часть которой образует форму поверхности катания колеса и состоит из массивного чугунного закалочного кольца.

Формовка колес производится в составной опоке

Расплавленный чугун, приходя в соприкосновение с этим кольцом, быстро охлаждается благодаря большой теплопроводности кольца, и таким образом подвергается закалке на некоторую глубину по поверхности этого соприкосновения. Вся остальная масса колеса, поверхность которой соприкасается в опоке с песчаными частями формы, подвергается сравнительно медленному охлаждению и состоит поэтому из обыкновенного мягкого серого чугуна.

Вышеприведенные данные свидетельствуют о громадном распространении чугунных вагонных колес в Америке. В Европе распространение их отстает от американского. Первое применение их в России в 1867 г. было дискредитировано благодаря тому обстоятельству, что некоторое количество этих колес было изготовлено из простого, незакаленного чугуна. Такие колеса ломались, конечно, после ничтожного пробега. Лишь в 1902 г. чугунные колеса Гриффина были допущены б. Министерством путей сообщения к употреблению в России под нетормозными товарными вагонами в количестве, не превышающем 10% наличного колесного парка дороги. При заказе Америке в 1915 г. товарных вагонов американские заводы предложили применить под этими вагонами чугунные колеса, мотивируя предложение тем, что почти все вагоны в Америке снабжены такими колесами и что они дешевле стальных. Это предложение было принято, и несколько десятков тысяч чугунных вагонных колес были вывезены из Америки в Россию и находятся в настоящее время в обращении на железных дорогах СССР. В виду невозможности их замены и ремонта большая часть их, однако, уже вышла из употребления. Более слабое распространение чугунных колес в Европе объясняется отрицательным отношением к ним европейских техников, совершенно неосновательно убежденных в том, что стальные колеса по своим качествам лучше чугунных. Европейские законодательства еще до сих пор ограничивают применение этих колес и допускают его только для нетормозных вагонов. Насколько неосновательно распространенное в Европе отрицательное отношение к чугунным колесам, показывает американская практика. Как уже было упомянуто, в Америке почти все товарные вагоны и многие пассажирские снабжены чугунными колесами. Некоторые железные дороги применяют чугунные колеса для пассажирских вагонов в течение свыше 50 лет, причем на этих дорогах не было ни одного случая крушения поезда из-за поломки колес.

Преимущества чугунных колес сравнительно со стальными следующие: 1) большая твердость колеса по поверхности катания значительно удлиняет продолжительность его службы; 2) износ рельсов и реборды колеса меньше; 3) колеса из закаленного чугуна могут нести большую нагрузку без деформации и смятия, чем это возможно для стальных; 4) чугунные колеса не требуют обточки, благодаря чему достигается значительное удешевление этих колес, а также значительные сбережения в смысле затрат на покупку станков и на оборудование мастерских; 5) коэффициент трения между чугунными колесами и колодкой тормоза на 25% больше, чем для стальных колес; это значительно уменьшает напряжения, которые возникают в тормозной передаче и в тележке, усиливая в то же время работу воздушных цилиндров; 6) продолжительность службы тормозных колодок при их применении к чугунным колесам на 25—100% больше, чем при применении их к стальным колесам; 7) сопротивление поезда, появляющееся благодаря трению реборды и скольжению поверхности катания, значительно меньше для чугунных колес, чем для стальных; 8) поверхность катания в чугунном колесе не обладает вязкостью и поэтому сохраняет свою круглую форму в большей степени, чем в стальном колесе; вследствие этого поломка рельсов, которая происходит благодаря эксцентричности стальных колес, деформировавшихся вследствие вязкости стали, становится невозможной при чугунных колесах.

По расчету Линдона, стоимость ежегодной службы одного чугунного вагонного колеса в Америке колеблется в пределах от 1 до 2 р., при средней продолжительности службы этих колес в 10 лет. По данным бельгийских железных дорог, ежегодная максимальная стоимость службы одного ската из чугунных вагонных колес вместе с осью выражается суммой от 3,5 до 5 р., в то время как для такого же ската из стальных колес максимальная стоимость годовой службы определяется суммой от 8 до 10 р. Так. обр. чугунные вагонные колеса оказываются в эксплуатации в 2—3 раза дешевле стальных. Необходимо здесь же отметить, что чугунные вагонные колеса употребляются в Америке не только для железнодорожного транспорта. Наряду с последним огромное количество этих колес употребляется для чрезвычайно распространенных в Америке городских и пригородных трамваев. Кроме того, колеса из закаленного чугуна употребляются в больших количествах для дорожных машин, кранов и т. д. Заводы Гриффиновской компании в Америке изготовляют свыше 100 различных типов колес от 600 до 900 мм диаметром и от 80 до 360 кг весом.

Предположения о товарном вагоностроении в СССР на пятилетие 1926/27—1930/31 гг. определяются в 40000 вагонов ежегодно.

На каждый вагон следует считать 4 колеса. При замене всех стальных вагонных колес чугунными наша годовая потребность в чугунных вагонных колесах к 1930 году определится минимальной цифрой в 180000 колес, т. е. к этому времени мы должны были бы иметь в СССР не менее трех литейных заводов для производства чугунных вагонных колес производительностью в 200 колес в день каждый.

Переходя к вопросу о заводах для производства чугунных колес, необходимо отметить, что в Америке существуют три типа таких заводов; 1) с круговой системой расположения литейных площадок, 2) с карусельной системой и 3) с прямолинейной системой работ. 1) Круговая система (фиг. 3) встречается лишь на старых заводах.

Производство чугунных вагонных колес с круговой системой расположения литейных площадок

При этом способе работ литейная имеет несколько литейных кругов. В центре каждого из них помещается поворотный кран, а по окружности располагаются 20—25 опок, обслуживаемых двумя рабочими - формовщиком и его помощником. Внутри каждого круга помещаются необходимые инструменты, запас шишек и прочего, а по окружности в виде валика насыпана формовочная земля. Кран каждого круга служит для манипуляций с опоками во время набивки их землей, для поддержания ковша с расплавленным чугуном во время отливки, а также для освобождения отлитого колеса из формы. Расплавленный чугун доставляется от вагранки до каждого круга при помощи подвесной дороги. Недостаток этой системы заключается в том, что пространство литейной мастерской использовано при ней хуже, чем при более совершенных системах, и механизация производства не м. б. проведена так совершенно, как при этих последних. 1) При карусельном типе литейных мастерских (фиг. 4), применяемом лишь на двух американских заводах, формовка и отливка колес производится на кругу, по которому медленно движется непрерывный поезд из 40 вагонеток-платформ; на последних расположены опоки, в которых формуются и отливаются колеса.

Производство чугунных вагонных колес с карусельной системой расположения литейных площадок

Эти опоки проходят при движении поезда последовательно все стадии производства, причем все рабочие остаются на своих местах, выполняя вполне определенную работу. Формовочный материал к месту формовки подается конвейером. Несмотря на все остроумие этой системы, она имеет мало защитников и не была признана рациональной в виду дороговизны всей установки и зависимости результатов работы от отдельных частных моментов. 3) В наиболее совершенной, прямолинейной системе работ не только наилучшим образом использована площадь мастерской, но и достигнуты необычайная стройность и порядок в ходе работ (фиг. 5).

Производство чугунных вагонных колес с прямолинейной системой расположения литейных площадок

При этой системе опоки устанавливаются в продольные прямолинейные ряды, по 20—25 штук в каждом. Количество опок, находящихся в литейной мастерской, равно дневной производительности завода. Формовочный песок насыпан вдоль ряда опок, между каждой парой рядов. Формовка начинается с конца, противоположного местоположению вагранки, причем на каждой площадке работают двое рабочих - формовщик и его помощник. Начав с дальнего конца, они идут вдоль литейного ряда и делают формы одну за другой. За день, благодаря механизации производства, двое рабочих формуют и отливают около 25 колес.

Кроме формовки и отливки колес в обязанности рабочих входит доставка расплавленного чугуна к готовым опокам и отлитых колес к поезду, для отправки их в отжигательные колодцы

Кроме формовки и отливки колес на обязанности этих двух рабочих лежит также и доставка расплавленного чугуна к готовым опокам и отлитых колес к поезду, для отправки их в отжигательные колодцы (фиг. 6 и 7).

vagon kolesa 7

В последних собственно процесса отжига не происходит: роль их состоит в медленном и равномерном охлаждении помещенных в них отлитых колес, в целях устранения вредных напряжений. Все операции в литейной механизированы, не исключая формовки, производимой машинным способом.

При постройке в СССР завода для производства вагонных колес следует остановиться на последнем типе завода с прямолинейной системой работ и строить его с расчетом на производительность не менее 200 колес в день. На фиг. 8 показан эскиз колеса.

Эскиз колеса

Персонал, необходимый для такого завода, состоит из 54 человек:

- 8 рабочих для разных работ во дворе (разгрузка и нагрузка материалов, доставка готовых колес и пр.),
- 3 каменщика для ремонта вагранки и ковшей,
- 7 рабочих для работ по составлению шихты,
- 3 рабочих при вагранке,
- 8 формовщиков,
- 8 помощников последних,
- 5 рабочих в ниппельной,
- 2 инспектора для осмотра и обмера колес и опок,
- 4 модельщика,
- 4 конторских служащих,
- 1 литейный мастер,
- 1 директор завода.

Величина капитала, необходимого для постройки и пуска в ход литейного завода для производства вагонных колес, определяется приблизительно из следующих составных частей:

Величина капитала, необходимого для постройки и пуска в ход литейного завода для производства вагонных колес, определяется приблизительно из следующих составных частей

При норме производства такого завода в 50000 железнодорожных колес в год валовая себестоимость годового производства определяется из стоимости следующих частей:

При норме производства такого завода в 50000 железнодорожных колес в год валовая себестоимость годового производства определяется из стоимости следующих частей

Себестоимость каждого колеса выразится, т. о., суммой в 28 р., причем 79 % этой суммы падает на стоимость чугуна. Заработная плата входит в себестоимость только 4,5%. Заводский расчет металлической шихты (в %) производится в Америке, в среднем, следующим образом:

Заводский расчет металлической шихты (в %)

За неимением старых чугунных вагонных колес состав шихты изменится у нас в сторону увеличения в шихте количества древесно-угольного чугуна. Общее количество последнего вместе со старыми чугунными вагонными колесами составляет в Америке, в среднем, около 70% шихты. Принимая влияние старых чугунных вагонных колес на состав сплава равным половине влияния древесно-угольного чугуна, мы получим следующий приблизительный состав шихты (в %) при отсутствии старых чугунных колес:

Состав шихты (в %) при отсутствии старых чугунных колес

Так как в течение ряда лет наше производство чугунных вагонных колес не сможет рассчитывать на сколько-нибудь значительную доставку колесного лома, мы должны положить в основу наших расчетов завода только что приведенный состав шихты. Т. о. для предполагаемого завода понадобится приблизительно следующее количество металла в год:

Для предполагаемого завода понадобится приблизительно следующее количество металла в год

Производителем древесно-угольного чугуна у нас является Урал. Поэтому, по крайней мере на первые годы, производство чугунных вагонных колес должно быть поставлено на Урале. Профессор В. Е. Грум-Гржимайло считает наиболее целесообразным установку колесного производства на одном из уральских металлургических заводов, причем для колес должен применяться доменный чугун, поступающий непосредственно из домны в мартен для доведения его до необходимого состава и оттуда разливаемый в опоки.

В заключение необходимо отметить те возражения, которые приводят иногда против введения чугунных вагонных колес в СССР. Первое заключается в том, что у нас не было в отношении этих колес достаточного опыта. Это возражение можно отвести указанием на гигантский опыт США, которые за 80-летний период времени имели в обороте не менее 100 млн. чугунных вагонных колес; к последним надо прибавить еще огромное количество трамвайных чугунных колес. СССР имеет полную возможность легко и быстро использовать этот богатейший опыт Америки с огромной выгодой для нашего транспорта. Другое возражение указывает на то, что СССР не следует вводить у себя чугунных вагонных колес, так как даже США начинают уже сокращать производство чугунных колес и переходить на стальные, из которых в последние годы стали особенно известными колеса Девиса. Некоторое уменьшение темпа роста производства чугунных вагонных колес действительно наблюдается в США. Объясняется это далеко зашедшим вперед истощением природных богатств США и, в первую очередь, лесов. Древесно-угольный чугун вследствие этого с каждым годом становится дороже, что вынуждает заводы все в большей степени базировать свое производство колес на колесном ломе (до 85%), причем последний все чаще попадает повторно в переплавку. В результате этого наблюдается значительное ухудшение материала американских чугунных вагонных колес, который становится с течением времени все более насыщенным серой. В то время как согласно американским нормам 1905 г. материал чугунных вагонных колес не должен был содержать более 0,08% серы, Бюро стандартов США на основании обширных исследований установило в 1922 году наличие в этом материале серы в количестве от 0,109 до 0,185%. Согласно исследованиям университета, в Иллинойсе, в том же году, содержание серы в этом чугуне оказалось еще выше - от 0,204 до 0,227%. Интересно отметить, что высококачественные австрийские чугунные вагонные колеса содержат серы всего от 0,054 до 0,075%. Колеса, отлитые из уральского чугуна, должны содержать серы еще значительно меньше. Указанные выше обстоятельства и вынуждают американскую промышленность несколько замедлить темп роста производства чугунных вагонных колес и приступить к поискам др. типов колес, которые могли бы с течением времени заменить чугунные. Совсем иначе обстоит дело в СССР с его нетронутыми гигантскими лесными богатствами Северного Урала и других местностей. Максимальное развитие в СССР производства чугунных вагонных колес не только облегчается, но и властно диктуется этим обстоятельством. Расходуя наши лесные богатства частью на производство чугунных вагонных колес, мы будем постепенно накоплять эти богатства в стране уже в другом виде. Впоследствии, когда мы будем вынуждены снова перейти к стальным колесам, старые чугунные колеса, выполнив свое назначение в железнодорожном транспорте, вновь будут использованы нашей промышленностью в качестве высокосортного литейного чугуна.

2. Стальные вагонные колеса (Девиса) - из марганцевой стали с очень твердым ободом. В чугунных отливках твердость рабочего слоя колеса получается путем закалки. В колесах Девиса твердость рабочего слоя достигается введением в этот слой марганца. Сталь отливается в изложницу, вращающуюся со скоростью 30 об/мин., причем первые порции металла отбрасываются к периферии и удерживаются там благодаря центробежной силе. После того как эти первые порции металла попадут в изложницу, в струю отливаемой стали вводится под давлением порошкообразный ферромарганец в количестве 2,5—3 кг на каждое колесо, который увлекается к ободу отливаемого колеса и образует по кругу катания богатый марганцем слой. Дальнейшее наполнение изложницы расплавленным металлом происходит при вращении изложницы со скоростью 85 об/мин. Обогащенный марганцем слой удерживается у обода колеса. Диффузия отчасти выравнивает разницу в составе и делает переход от твердой стали к мягкой постепенным. Химический состав тела колеса Девиса: С - 0,20%, Si - 0,30—0,35%, Мn - 0,65%, Р и S - 0,05—0,07%. Состав сплава в ободе изменяется следующим образом:

Состав сплава в ободе изменяется следующим образом

После отливки колеса оставляют в формах около 45 минут и затем переносят в отжигательные печи. Отжиг производится при 900° в продолжение 2,5 часов. После отжига в целях наблюдения за качеством металла с обода колеса снимают стружку в 6 мм. После этого колесо идет в машинную обработку для получения профиля и сверления втулки. Затем на шлифовальных камнях производят окончательное выравнивание поверхности катания. Следующей операцией является закалка. Колеса нагревают до 850° в продолжение 1/2—3/4 часа и затем переносят краном к закалочным ваннам, в которых производится закалка обода. По окружности ванн расположены три ряда трубок, из которых на обод колеса льется вода. Закалка длится около 3 минут, пока диск колеса не станет темно-вишнево-красным, после чего доступ воды прекращается.

Типы стальных вагонных колес

Следует полагать, что благодаря высокой цене эти колеса не войдут в употребление для товарных вагонов, но для пассажирских вагонов и тендеров получат, вероятно, значительное распространение.

Типы стальных вагонных колес

Типы стальных вагонных колес показаны на фиг. 9 и 10. Вагонные колеса со стальными бандажами см. Бандажи.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 3 - 1928 г.