Как делают железнодорожные колёса?

«И в этой пытке, и в этой пытке, и в этой пытке многократной рождается клинок булатный», — пел Теодоро, герой Михаила Боярского в фильме «Собака на сене». «Популярной механике» удалось побывать на производстве куда более мирном, однако пытки, которым подвергается сталь, прежде чем превратиться в железнодорожное колесо, оказались весьма впечатляющими и выглядели весьма инфернально.

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.

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».