Введение
Эффективность, функционирование и конкурентоспособностьроссийских железных дорог в решающей мере зависит от безопасности движенияподвижного состава, скорости доставки грузов и уровня эксплуатационных расходовна тягу поездов. В современных условиях, когда от подвижного состава требуетсянизкая начальная стоимость, значительное повышение межремонтного пробега ивысокая ремонтопригодность, создание системы рессорного подвешивания,обеспечивающей высокие динамические качества железнодорожного экипажа, являетсяглавной проблемой для разработчиков транспортных железнодорожных средств.
Разработка и принятие типажа грузовых вагонов — ответственныйи важный этап в решении задач перспективного развития не толькожелезнодорожного транспорта, но и всего народного хозяйства. Программаобновления парка грузовых вагонов должна быть тесно связана с общими задачамижелезнодорожного транспорта. При рыночных отношениях повышаетсязаинтересованность в увеличении объема перевозок, высокое качествотранспортного обслуживания становится условием экономического благополучия инормального технического развития железных дорог.
Разработке технических требований и конструкции каждогоконкретного типа вагона нового поколения предшествует проведениетехнико-экономического обоснования в соответствии с действующей в МПС Россиметодикой.
Концепции проведения научно-технической политики в областисоздания грузовых вагонов нового поколения предполагает разработку на основеальтернативных подходов с проведением анализа различных вариантов решений, т.е. создание конкурентной среды не только при производстве вагонов, но и настадии проектных и даже предпроектных работ.
Применение в вагонах нового поколения более надежных узлов идеталей позволит прежде всего повысить безопасность движения, а также полностьюпересмотреть регламентные работы при техническом обслуживании и плановыхремонтах.
1. Актуальность проблемы
В данный момент тема грузовые вагоныочень актуальна, так как при рыночных отношениях повышается заинтересованностьв увеличении объема перевозок, высокое качество транспортного обслуживаниястановиться условием экономического благополучия и нормального техническогоразвития железных дорог.
Разработка вагонов нового поколенияпредусматривает их потребительские свойства и технико-экономические параметры. Используютсяследующие критерии оценки качества конструкции вагона:
• уровень безопасности иэкологической нагрузки на окружающую среду от единицы подвижного состава;
• потребительскиепоказатели;
• стоимость жизненногоцикла;
• коэффициентэксплуатационной готовности.
К кузовамвагонов нового поколения предъявляется прежде всего требование повыситьпрочность и коррозионную стойкость листового проката и профилей за счетприменения новых марок сталей. Это позволит снизить массу тары вагона исоответственно увеличить массу перевозимого груза, а также уменьшить расходы наремонт кузова в эксплуатации и при плановых видах ремонт.
В последние годы произошлирадикальные изменения в конструкции грузовых вагонов. Прежде всего это переходна буксы с подшипниками качения, цельнометаллические кузова, более энергоемкиепоглощающие аппараты автосцепного устройства, усовершенствованные автотормозныеустройства — воздухораспределители, авторежимы, автоматические регуляторытормозной рычажной передачи. Внедрены и продолжают внедряться средстваавтоматического контроля и диагностирования технического состояния вагонов находу поезда — ПОНАБ, ДИСК, ДИСК2, САКМА, УКС ПС и другие. Началось внедрениеаппаратуры диагностирования упряжного устройства (АДУ), разработаны приборы длякомплексной оценки технического состояния ходовых частей вагонов по углунабегания колеса на рельс и непараллельности осей колесных пар тележки (УНКР).
При ремонте вагонов применяютсясредства дефектоскопии деталей колесных пар, тележек, автосцепки, элементовтормозной рычажной передачи. Для контроля технического состояния буксовыхподшипников используются диагностические стенды УДП. Проводятся работы поупрочнению литых деталей тележки и созданию современных средствдиагностирования литых деталей методом акустической эмиссии. Развиваютсяинформационно-управляющие системы АСУ ПТО, АСУ ТОВ. Действует система ДИСПАРК,которая позволяет получить в реальном масштабе времени необходимые данные оконкретном вагоне. Создаются реальные предпосылки для перехода от плановойсистемы ремонта по сроку службы к ремонту по выполненной работе и фактическомусостоянию вагона.
Все это является прочной основой длякоренного преобразования системы технического обслуживания вагонов.
2. Типаж итехнические требования к грузовым вагонам нового поколения
Программа обновления парка грузовых вагонов должнабыть тесно увязана с общими задачами железнодорожного транспорта в условияхперехода России к рыночной системе экономики. При рыночных отношенияхповышается заинтересованность в увеличении объема перевозок, высокое качествотранспортного обслуживания становится условием экономического благополучия инормального технического развития железных дорог, изменяются источникикапиталовложений, новый подвижной состав приобретается также за счет средствсобственников и операторских компаний.
Типаж вагонов нового поколения развивается иуточняется на основе проводимых ВНИИЖТом и Гипротранстэи технико-экономическихисследований с учетом анализа структуры и динамики перевозок грузов соспецифическими свойствами существующих и перспективных методов выполненияпогрузочно-разгрузочных, поездных и маневровых работ.
Типаж парка вагонов должен соответствовать структурегрузопотока. Под погрузку следует подавать универсальные или специализированныевагоны, в наибольшей степени соответствующие свойствам грузов, обеспечивающиеих сохранность, механизированную погрузку и выгрузку с минимальным расходомматериалов на крепление, не угрожающие окружающей среде. Паркспециализированных вагонов по численности и типажу нужно расширить дотехнико-экономически обоснованных размеров. На конечной стадии реформированияжелезнодорожного транспорта примерно половина вагонного парка должнапринадлежать владельцам грузов или транспортно-экспедиционным предприятиям.
В условиях перехода экономики России к рынкунеобходимость дальнейшего расширения типажа и увеличения выпускаспециализированного грузового подвижного состава становится очевидной. Запоследние 20-30 лет отечественная вагоностроительная промышленность накопилазначительный опыт разработки и внедрения таких специализированных вагонов, какхопперы для перевозки сыпучих грузов, цистерны для различных кислот, газов ихимических продуктов, платформы для большегрузных контейнеров международногогабарита, вагоны для перевозки легковых автомобилей, муки, полимеров в гранулах,металлопроката, бумаги в рулонах, скота, полувагоны с «глухим» кузовом.Практически все эти вагоны могут строиться на российских заводах.
Разработка типажа вагонов нового поколенияпредусматривает улучшение их потребительских свойств и технико-экономическихпараметров. При этом учитываются следующие критерии, обеспечивающие повышениеэффективности вагонов:
• соответствие всем действующим нормативнымдокументам заказчика и прогнозам развития экономики в течение назначенногосрока службы; удобство пользования, обеспечение сохранности грузов, возможностимеханизации погрузки и выгрузки;
• статистически значимое (не менее 5%)улучшение показателей производительности (грузоподъемности) в сравнении случшими из имеющихся в эксплуатации прототипов;
• применение тележек улучшенной конструкциис усовершенствованными системами рессорного подвешивания и автоматическихтормозов, безремонтных конструкций естественных пар трения в течение пробега докапитального ремонта, статистически значимое снижение динамических нагрузок внесущих узлах вагонов и в элементах верхнего строения пути;
• снижение удельной материалоемкости наединицу грузоподъемности, объема кузова и площади пола;
• экологическая безопасность, возможностьутилизации после окончания назначенного срока службы, предотвращение потерьгруза через неплотности кузовов и из-за выветривания с открытой поверхности;
• повышение производительности труда на25%.
Концепция проведения научно-технической политики вобласти создания грузовых вагонов нового поколения предполагает разработку наоснове альтернативных подходов с проведением анализа различных вариантоврешений, т.е. создание конкурентной среды не только при производстве вагонов,но и на стадии проектных и даже предпроектных работ. Качество новых конструкцийоценивается на этапах разработки заводом технического задания на вагон и наэтапах выполнения эскизных проектов. При этом используются следующие критерииоценки качества конструкции вагона: уровень безопасности и экологическойнагрузки на окружающую среду от единицы подвижного состава, потребительскиепоказатели, стоимость жизненного цикла и коэффициент эксплуатационнойготовности.
Конструкциявагонов совершенствуется в процессе промышленного производства, и периодически,обычно через 5-10 лет, изменяются номера моделей в рамках существующего типажа.Поставляемые в настоящее время в ограниченном количестве вагоны моральноустарели, с точки зрения производительности и надежности.
Сформулированыосновные направления повышения технического уровня грузовых вагонов. Предстоитрешить следующие технические задачи:
• увеличение срока службыосновных деталей и узлов вагонов в 1,5-2 раза;
• обеспечение межремонтныхсроков службы трущихся деталей и узлов подшипников с 400-500 тыс. км до 1 млн.км;
• сокращение частоты поступления вагонов в текущийвнеплановый ремонт с 3,5 до 0,3 раза в год.
К кузовамвагонов нового поколения предъявляется прежде всего требование повыситьпрочность и коррозионную стойкость листового проката и профилей за счетприменения новых марок сталей. Это позволит снизить массу тары вагона исоответственно увеличить массу перевозимого груза, а также уменьшить расходы наремонт кузова в эксплуатации и при плановых видах ремонта.
Важное значение, с точки зренияустойчивости вагонов к сходу, имеет требование понизить их центр тяжести. Изчетырех представленных опытных образцов в наибольшей мере это требованиереализовано в конструкциях вагонов для перевозки минеральных удобрений и угля сбоковой выгрузкой, изготовленных Брянским машиностроительным заводом.
При созданиитележек для вагонов с повышенными нагрузками необходимо обеспечить следующееважнейшее условие. По уровню динамического горизонтального и вертикальноговоздействия на путевую структуру вагоны нового поколения не должны превосходитьзначений, установленных для существующего парка. Это требование реализуется впружинном комплекте тележки за счет статического и динамического прогиба, аглавное в правильном выборе фрикционного узла гашения вертикальных игоризонтальных колебаний.
В России литыедетали грузовых вагонов выпускают два предприятия — Уралвагонзавод и Бежицкийсталелитейный завод. Оба они построены в 30-х годах по одному проекту, и заистекшие десятилетия оборудование для литья и его технология не претерпелиникаких изменений. Устаревшая технология на этих заводах не могла не сказатьсяна качестве выпускаемой продукции. Ежегодно десятки тысяч надрессорных балок,боковых рам бракуются по трещинам и изломам. По этой причине имеют место случаиаварий и крушений. Линейные размеры литых деталей, допуски на эти размеры вомного раз ослаблены, прежде всего в сравнении с американскими стандартами.Отсутствие точного литья отрицательно сказывается на кинематике движениятележки в целом.
Технические требования к литым деталямтележек нового поколения содержат более жесткие показатели химического составаи прочности благодаря переходу на новую марку стали. Введено требование озаварке дефектов литья только до термообработки. Но даже эти требованияразработаны применительно к технологическому процессу, принятому на упомянутыхзаводах, в связи с чем ожидать существенного улучшения качества отливок нельзя.Другими словами, при существующем способе получения отливок невозможно добитьсяслужебных характеристик литых деталей, которые должны быть предъявлены к тележкамвагонов нового поколения. Для обеспечения уровня перспективных требований ккачеству надрессорных балок и боковых рам (срок службы 45 лет, гарантийный срок8 лет и др.) необходимо техническое перевооружение заводов-изготовителей спереводом сталелитейных цехов на современную технологию получения отливок.
При разработке требований к конструкцииперспективной колесной пары были использованы результатынаучно-исследовательских работ, выполненные различными отечественнымиорганизациями, а также зарубежный опыт применения цельнокатаных колес,кассетных конических подшипников на прессовой посадке с общим наружным кольцоми встроенными уплотнителями. Зоны переходов от ступицы колеса к диску и отдиска к ободу выполняются без перегибов для максимального сниженияконцентраторов напряжений. При этом диск упрочняется наклепом дробью, толщинаобода обеспечивает возможность многократного восстановления профиля поверхностикатания.
Материалколес обеспечивает твердость после термообработки, повышенную до 350-380 НВ, чтопозволяет увеличить в 1,5-2 раза износостойкость гребня колеса и в 1,5-2 разаснизить выщербинообразование. При обточке колесной пары во всех видах ремонтане требуется демонтировать элементы торцового крепления и буксового узла, центрколесотокарного станка проходит через специальное отверстие в передней крышкеузла в торец оси.
Для грузовых вагонов нового поколения (всоответствии с исходными требованиями) разработано автосцепное устройствополужесткого типа с новым механизмом сцепления, исключающим саморасцепыпоездов. Контроль исправного состояния автосцепок в эксплуатации предусмотренопроизводить теми же методами и инструментами, которые применяются для контроляавтосцепки СА-3. В целях предотвращения падения автосцепки на путь примененрасцепной рычаг с двумя цепочками. В качестве базового варианта автосоединителятормозных магистралей принята конструкция с боковым воздухопроводом посовместному проекту УВЗ-ВНИИЖТ.
Разрабатываемая автосцепка позволит обеспечитьсцепление вагонов с разностью между продольными осями автосцепок до 140 ммперед сцеплением, исключить падение автосцепки на путь при обрыве,автоматически соединять тормозные рукава при сцеплении вагонов. Безремонтныйсрок службы будет увеличен благодаря применению износостойких покрытий в контурезацепления и на хвостовике автосцепки.
Анализусловий эксплуатации грузовых вагонов показал значительные различия требованийк поглощающим аппаратам автосцепного устройства, предъявляемых в зависимости отрода перевозимых грузов.
Возможность широкого применения недорогих аппаратовдля поездных условий эксплуатации обусловлена маршрутизацией перевозок сприменением поездов постоянного формирования. Для грузов особо высокойстоимости и чувствительных к динамическим нагрузкам целесообразно обеспечить болеенадежную защиту вагона от действия продольных сил и ускорений. Однако этовозможно только при условии узкой специализации такого подвижного состава,введения специального тарифа и организации транспортных структур, которые будутарендаторами или собственниками вагонов. Выбор поглощающего аппарата длявагонов, предназначенных для перевозки опасных грузов, должен производиться сучетом их воздействия на окружающую среду.
По техническим требованиям ВНИИЖТа фирма КАМАКС(Польша), ОАО «Авиагрегат» (г.Самара), ГУП «ПО Уралвагонзавод», ОАО «БМЗ» (г.Брянск) на альтернативной основе разработали и после комплекса испытаний приступилик производству эластомерных поглощающих аппаратов повышенной энергоемкости.Взамен клепаных упоров автосцепного устройства разработана и испытана приварнаяконструкция.
На вагонах с нагрузкой на ось 25 тс предполагаетсяустановить тормозное оборудование в традиционном исполнении — с одностороннимнажатием композиционных колодок на колесо или с двумя тормозными цилиндрами,воздействующими на каждую тележку. При нагрузке на ось 30 тс предусматриваетсяколодочный тормоз с двусторонним нажатием колодок на колесо. Для обеспеченияотвода колодок при отпущенном тормозе тележки оборудуются новыми устройствамиторсионного типа. Крепление тормозных башмаков на триангеле будетосуществляться без применения резьбовых соединений, что существенно снизитзатраты на их техническое обслуживание и ремонт. В шарнирных соединенияхнамечено применить износостойкие втулки, что повысит надежность работы этих узлови упростит их ремонт.
Основадля разработок новых грузовых вагонов нового поколения — принцип модульнойкомпоновки с рациональной унификацией базовых узлов и систем.
Использование унифицированных базовых модулейпозволит удешевить стоимость производства вагонов, а также снизитьэксплуатационные затраты на их ремонт и техническое обслуживание. Наличиеунифицированных деталей позволит создать в различных регионах России сервисныецентры, в которых будет выполняться восстановительный ремонт деталей и узловвагона, таких как кассетные роликовые подшипники, автосцепка, поглощающиеаппараты и др.
Проблема полного и своевременного обеспеченияперевозок грузовыми вагонами нового поколения выдвигается сегодня в числонаиболее злободневных и первоочередных.
Концепция трехэлементных тележек сдополнительными межосевыми связями была разработана Г.Шеффелем. Идея такихтележек заключается в том, что амортизацию колебаний кузова осуществляетстандартное центральное подвешивание с плоскими фрикционнымиклиньями. Необходимое повышение жесткости между колесными парами в планеобеспечивается отдельными устройствами — межосевыми связями, которые могутиметь различную конструкцию. Чтобы разделить функции направления колесных пармежду межосевыми связями и рамой тележки, боковины устанавливаются на адаптерыколесных пар через горизонтально-упругие очень мягкие в плане неметаллическиеамортизаторы.
Примером тележки с дополнительными(прямыми) межосевыми связями является модернизация модели 18-100, разработаннаяГ. Шеффелем совместно с НВЦ «Вагоны». Результаты моделирования движениягрузовых вагонов на тележках, оборудованных дополнительными межосевыми связями,показывают, что выбором соответствующих параметров критическая скорость можетбыть поднята до 140 км/ч и выше. При этом будет обеспечиваться близкая крадиальной установка колесных пар в кривых.
Эксплуатация подвижного состава сосевой нагрузкой 30 т требует от тележки значительного уменьшения коэффициентавертикальной динамики в подвешивании. Для этого базовый вариант тележки можетдополнительно оборудоваться скользунами типа подпружиненный ролик,гидравлическими гасителями колебаний, установленными внутри пружинподвешивания.
С учетом накопленного опыта длясоздания современных трехэлементных тележек грузовых вагонов можнорекомендовать:
• использовать в конструкции горизонтально-упругое буксовоеподвешивание с тщательно подобранными величинами жесткости;
• жесткость тележки в плане обеспечивать за счетпространственной клиновой системы и дополнительных межосевых связей;
• разработать типоразмерный ряд боковых скользунов типаподпружиненный ролик для постановки под различные типы вагонов;
• под вагонами с увеличенным моментом инерции вокругпродольной оси использовать устройства, повышающие демпфирование в порожнемрежиме;
• для снижения износов поверхностикатания внедрять износостойкие профили.
3. Российским вагонам тележку нового типа
Проблемы безопасности движения иэффективности работы подвижного состава, железных дорог во многом зависят нетолько от величины общей статической нагрузки на тележки, но и от рациональногоспособа ее распределения относительно линий катания колес на несущие ходовыечасти. Этот малоизученный фактор открывает новые возможности для решенияперечисленных проблем.
С точки зрения механики деформируемоготвердого тела именно способ передачи статической нагрузки на особоответственные элементы относительно линий катания колес диктует принципиальнуюконструктивную схему будущей тележки железнодорожного экипажа, определяетуровень амплитудно-частотных параметров и безопасности движения, динамическоекачество и характер взаимодействия пути и подвижного состава. Возможенсимметричный способ — совмещение в одной плоскости центров приложенияравнодействующих сил опирания надрессорной балки на боковые рамы и среднихлиний катания колес и несимметричный — несовмещение в одной плоскости центров исредних линий катания колес.
До определенного уровня общейстатической нагрузки на тележки и скорости движения оба способаконкурентоспособны с позиции надежности и безопасности движения. Посколькунесимметричный способ проще в реализации, чем симметричный, он и был выбран какрациональный для требований сравнительно малых скоростей и нагрузок. Доминируетон и сейчас как наиболее изученный.
При превышении определенного уровняскорости и нагрузок влияние каждого способа на надежность и безопасностьтележки различно. Традиционный несимметричный способ создает условия кповышению вредной дополнительной динамики, снижению надежности и безопасностидвижения, становится менее перспективным. Симметричный способ (используя такиеиндивидуальные особенности, как сохранение круга катания колеса в вертикальнойплоскости, более жесткую плоско-пространственную систему боковые рамы — колесные пары с дополнительными связями) создает условия для устранения вреднойдополнительной динамики, износов и повышения динамического качества ибезопасности движения. Он становится более перспективным для современныхусловий повышения нагрузок и скорости.
С указанными способами связаны двеконцепции создания тележек. Первая концепция базируется на продолжениимноголетних модернизаций серийной тележки при сохранении несимметричногоспособа распределения статической нагрузки на ходовые части. Наиболеераспространенный вариант такой тележки имеет наружное по отношению к колесамразмещение двух буксовых узлов на одной оси. В России это серийная тележка18-100, в США тележка Barber.Менее распространен второй вариант тележки, имеющей внутренние по отношению кколесам два буксовых узла на одной оси. Например, тележка TF25 компании Power Duffryn, используемая в настоящее время в некоторыхевропейских странах для большегрузных вагонов.
Несимметричное относительно колесараспределение статической нагрузки приводит к заметному изгибу оси с поворотомколес в плоскости изгиба, что с увеличением скорости и нагрузок порождаетзначительный динамический фон (повышенные амплитуды циклических напряжений,уровень раскачивания подвижного состава при резонансных скоростях движения,износов, поперечных микросдвигов в пятне контакта колесо-рельс, расстройстварельсового пути) всей системы «колесо-рельс». Устранить данное свойствокакими-либо модернизациями отдельных узлов ходовых частей практическиневозможно.
Динамический фон негативносказывается на взаимодействии тележки и кузова вагона, тележки и рельсовогопути, боковой рамы и колесной пары, надрессорной балки и пружин, клиньев.Возникающая при этом высокая чувствительность к незначительным отклонениям всодержании пути и подвижного состава свидетельствует о неустойчивости системы.Кроме того, конструктивная схема указанных вариантов тележек не удовлетворяетглавному принципу работы железнодорожных экипажей — эксплуатационной живучестии безопасности. Единичный отказ особо ответственного элемента тележки, напримеризлом шейки оси колесной пары, неотвратимо приводит к тяжелым последствиям.
В соответствии с данной концепцией за40 лет было предпринято более 15 модернизаций двухосной традиционной тележки.
Иллюзия малозатратности даннойконцепции модернизаций тележки 18-100 продолжает привлекать специалистов.
Ошибочность продолжения модернизацийсерийной тележки кроется в недооценке возрастающего влияния негативных факторовнесимметричного способа распределения статической нагрузки на ходовые части приодновременном выполнении главных условий — повышения нагрузок на ось искорости, а также сохранения существующих конструкций верхнего строения пути.
Вторая концепция основывается насоздании тележки принципиально новой схемы. Конструктивно — силовойособенностью ее является симметричный способ распределения статическойнагрузки. На ось колесной пары нагрузка передается через четыре буксовых узла(каждый из которых может содержать по подшипнику), размещенных в четырехсечениях одной оси. Один из вариантов двухосной тележки с передачей нагрузки начетыре буксовых узла одной оси симметрично относительно колеса, пригодный дляскоростного экипажа, предложен в Германии. Предварительные результатыисследований показывают определенные преимущества такой схемы в сравнении страдиционной.
Другое конструктивное решение тележкис симметричной передачей нагрузки от боковых рам на четыре буксовых узла однойоси, пригодное как для большегрузного, так и для скоростного экипажа,предложено Петербургским государственным университетом путей сообщения (патентыПГУПСа). С учетом конструктивной схемы такой тележки (см. рисунок) изгиб осирезко уменьшается (наибольший прогиб уменьшается более чем на порядок, поворотколеса в плоскости изгиба исключается полностью), что обеспечивает устранениевредного динамического фона и причины целого спектра дополнительныхдинамических эффектов. Это, в свою очередь, создает условия для малойчувствительности системы «колесо-рельс» к незначительным отклонениям всодержании пути и подвижного состава, для значительного увеличения ресурсаходовых частей и уменьшения эксплуатационных расходов.
/>
Рисунок 2 – Схематическое изображениеварианта новотипной тележки
Учитывая тенденцию увеличенияскорости, нагрузок и то, что высокие требования к квалификации и опытуработников службы дефектоскопии могут оказаться не выполненными, вопросповышения эксплуатационной живучести и безопасности железнодорожного экипажастановится весьма актуальным, а запатентованное конструктивное решение новойроссийской тележки перспективным. Подтвердить или опровергнуть ее преимуществаможно только на основании результатов экспериментально-теоретическихисследований, но из-за отсутствия финансирования такие исследования пока не проводились.
Предварительные оценки новойконструктивной схемы тележки позволяют ожидать повышения в 4-5 раз ресурса осиколесной пары при одновременно возможном уменьшении веса каждой оси до 100 кгс,устранения причин ослаблений посадки колеса и буксовых подшипников пофреттинг-коррозии и повреждений торцовых креплений буксовых узлов, повышения в2-3 раза ресурса элементов колеса, в 3-4 раза элементов буксового узла, боковыхрам, надрессорной балки, увеличения устойчивости против схода колеса с рельсов,повышения эксплуатационной живучести и безопасности экипажа, значительногоуменьшения воздействия на путь, приобретения свойства повышенной связанноститележки в плане, создания на базе тележки нового типа российской альтернативытележке с раздвижными колесными парами и конкурентоспособного по мировымстандартам тяжелогрузного и скоростного подвижного состава.
Можно с достаточным основаниемутверждать, что те преимущества простой и удобной конструктивной схемы, которыесоответствуют применяемому стандартному несимметричному способу статическогонагружения ходовых частей серийной тележки, полностью утрачиваются с повышениемскорости и нагрузки на ось. Такая тележка приобретает устойчивое свойствоповышенного динамического воздействия на путь и подвижной состав. Концепцияпродолжения модернизации тележки старого типа в условиях повышения нагрузок искорости становится неэффективной для протяженных российских железных дорог,поскольку чревата в дальнейшем огромными эксплуатационными расходами насодержание пути и снижением безопасности движения поездов. Назреланеобходимость параллельно с поддержанием работоспособности традиционной тележкиприступить к исследованиям тележки с симметричным распределением статическойнагрузки.
4. Организация серийного производстватележек 18-78 для новых вагонов
Учитывая тенденции мировоговагоностоения в направлении повышения надежности и межремонтных пробегов,Департаментом вагонного хозяйства ОАО «РЖД», ВНИИЖТом и ФГУП ПО«Уралва-гонзавод» были проведены работы по созданию тележки новой конструкции.При этом поставлена задача максимально сохранить положительные качества тележки18-100. С 2004 г. Уралвагонзавод начал производство тележки 18-578 с осевойнагрузкой 23,5 тс. Ее конструкция рассчитана на повышение межремонтных пробеговгрузовых вагонов до 500 тыс. км и увеличение гарантийного срока эксплуатации до4 лет.
Несущие элементы тележки (боковыерамы и надрессорная балка), изготовленные литьем из низколегированной сталимарки 20 ГЛ, имеют повышенный до 1,8 коэффициент запаса усталостной прочности,что достигнуто не только повышением качества литья. Например, в боковой рамеизменена конфигурация в зонах, наиболее подверженных развитию дефектов: вконцевой части, зоне проема центрального подвешивании и крепления кронштейновтормозного оборудования.
Для повышения износостойкоститрущихся рабочих поверхностей между клином и боковой рамой установленасоставная фрикционная планка из стали 30ХГСА, а в буксовом узле — съемныенакладки с креплением в технологическое отверстие. В подпятнике устанавливаетсясъемная износостойкая чаша из стали ЗОХГСА с использованием смазки изкомпозиционного твердосмазочного материала (КТСМ).
Центральное рессорное подвешиваниетележки состоит из комплекта пружин и фрикционных клиновых гасителей колебаний,однако оба эти элемента имеют качественные отличия от тележки 18-100. Комплектпружин имеет линейную вертикальную силовую характеристику, обеспечивающуюувеличенный до 68 мм прогиб под массой груженого вагона. Минимальный прогиб подмассой порожнего вагона составляет 13 мм, что улучшает показатели вертикальнойдинамики и безопасности движения. Фрикционные клинья выполнены извысокопрочного термоупрочненного чугуна ВЧ-120.
Для защиты от износа наклоннойповерхности надрессорной балки на клине установлена сменная износостойкаяполимерная накладка. Упругая связь клиньев с надрессорной балкой обеспечиваетисключение контакта «металл по металлу» и в сочетании с оптимально выбраннойжесткостью пружинного комплекта стабилизирует работу гасителей колебаний, на15-20% улучшаются показатели вертикальной и горизонтальной динамики вагона,существенно снижается воздействие на путь.
На надрессорной балке предусмотренаустановка упруго-катковых скользунов постоянного контакта. Наличие постояннойсилы прижатия фрикционных поверхностей скользунов увеличивает момент трения наповорот тележки под вагоном, демпфирует виляние, а работа упругих элементов ввертикальном направлении амортизирует перевалку кузова на подпятнике. Такимобразом, упруго-катковые скользуны снижают не только боковые силы, действующиена рельсы, но и нагрузки на подпятник.
Боковая рама тележки опирается наколесные пары через корпус буксы, внутри которого установлены цилиндрическиеподшипники шестого класса точности. На части тележек установлены двухрядныеконические подшипники кассетного типа, обладающие существенным преимуществомперед роликовыми цилиндрическими подшипниками по возможности противостояниязначительным нагрузкам, прежде всего осевым, плавности хода, долговечности ивозможностям организации централизованной системы технического обслуживания.
Колесные пары сформированы из колесповышенной твердости с твердостью на глубине 30 мм от поверхности катания 320 — 360 НВ и дробенаклепанными дисками, что гарантирует от изломов дисков колес иувеличивает срок их службы не менее чем в 2 раза.
Тормозная рычажная передачаобеспечивает одностороннее нажатие на каждую колесную пару и оборудованатриангелями с безрезьбовыми креплениями тормозных башмаков и торсионнымустройством отвода колодок от колес при отпущенном тормозе.
В настоящее время поставлено ипередано в эксплуатацию 14 тыс. новых полувагонов. В основном ониэксплуатируются на дорогах Сибири и Дальнего Востока в составе маршрутов.
Анализ эксплуатации этих полувагонов,проведенный по отчетам служб вагонного хозяйства за 4 месяца 2006 г.,показывает, что отцепки в текущий отцепочный ремонт в расчете на 1 тыс. вагоновпо неисправности тележки 18-578 в 3,2 раза меньше, чем для серийной тележки18-100, неисправности буксового узла меньше в 3,2 раза, колесных пар — в 1,6раза. Можно с уверенностью констатировать, что тележка 18-578 по надежности вэксплуатации основных узлов значительно превосходит серийную.
В настоящее время тележка 18-578адаптирована только к полувагону 12 — 132 — 03. Для ее постановки под вагонамидругих типов необходимо провести расчеты их динамических качеств сподтверждением ходовыми динамическими испытаниями и испытаниями по воздействиюна путь.
Для реализации поставленной задачитребуется доработать документацию на боковую раму, надрессорную балку,пружинный комплект и материал «бочонков» упруго-катковых скользунов ифрикционных накладок. По окончании доработки провести работу приемочнойкомиссии по присвоению тележке 18-578 литеры «А». Следует также привестиустановленным порядком конструкторскую документацию, технологические инструкциизавода на изготовление полувагонов 12-132-03 с тележками 18-578 в соответствиетребованиям нормативной документации ОАО «РЖД» на вновь изготавливаемые вагоныи подготовить полный комплект технической документации на эту тележку дляпередачи на договорных началах вагоностроительным заводам.
ФГУП «ПО Уралвагонзавод» разработал изапустил в серийное производство тележку 18-578 с нагрузкой от оси на рельсы23,5 тс. Ряд новых технических решений позволяют рассматривать ее какперспективную модель для грузовых вагонов. Общий вид тележки18-578 показан на рис.1, а ее техническая характеристика приведена в таблице 2.
Таблица 2 – Техническаяхарактеристика тележки 18 – 578Параметры Значения База тележки, мм 1850 Ширина рельсовой колеи, мм 1520/1435 Конструкционная скорость, км/ч 120 Диаметр подпятника, мм 300 Тип скользуна
упруго-
катковый Расстояние между осями рессорных комплектов, мм 2036 Высота от уровня головок рельсов до опорной поверхности подпятника в свободном состоянии, мм 811 Гибкость (вертикальная) рессорного подвешивания, мм/т 1,57
Расчетный коэффициент относительного трения рессорного подвешивания:
— под массой брутто вагона 0,084 — под тарой 0,099 Передаточное отношение тормозной рычажной передачи 7 Масса тележки, кг 4738 Гарантийный межремонтный пробег, тыс. км 500
5. Недостатки предыдущих конструкций
Эффективность функционирования иконкурентоспособность российских железных дорог в решающей мере зависят отбезопасности движения подвижного состава, скорости доставки грузов и уровняэксплуатационных расходов на тягу поездов. Именно низкая скорость доставкигрузов — 650 км в сутки (требуется 1000 км/сутки) и является одним издоминирующих факторов, препятствующих массовым перевозкам транзитных грузов потранспортным коридорам «Восток — Запад» и «Север — Юг», что в результатенегативно влияет на конкурентоспособность и эффективность не толькотранспортной отрасли, но и экономики государства в целом.
В современных условиях, когда от подвижного составатребуется низкая начальная стоимость, значительное повышение межремонтногопробега и высокая ремонтопригодность, создание системы рессорного подвешивания,обеспечивающей высокие динамические качества железнодорожного экипажа, являетсяглавной проблемой для разработчиков транспортных железнодорожных средств.Особенно остра она для тележки грузового вагона, которая в дополнение котмеченным требованиям, должна обеспечивать достижение высоких показателейдинамических качеств в вертикальной и горизонтальной плоскостях, оптимизациюспособности вписывания в кривые и снижение износа узлов вагона и рельсов, атакже уменьшение сопротивления движению в прямых участках пути.
Как показывает практика, в настоящее время весьмазначительная часть браков в эксплуатации приходится на вагонное хозяйство. Это,на наш взгляд, в решающей мере обусловлено эксплуатацией морально и физическиустаревшей трехэлементной тележки 18-100, спроектированной полвека назад.
Известно, что для повышения плавности ходажелезнодорожного экипажа необходимо снижать виброактивность источникавозмущений и совершенствовать динамические свойства системы обрессориванияподвижного состава. Первое из этих направлений реализуется в виде бесстыковогопути, выполненного в виде рельсов тяжелых типов, уложенных на железобетонныхшпалах и стабилизированном щебеночном основании, а также в мерах по устранениюнесовершенства колесных пар (эксцентриситетов, выщербин, ползунов и пр.).Вместе с тем увеличение в несколько раз модуля упругости рельсового основания иналичие несовершенств очертания поверхностей катания рельсов и колес влекут за собой повышение уровня сил динамического взаимодействиявагона и пути, что приводит к росту напряжений в колесах и рельсах. Этоспособствует увеличению изломов дисков особенно в зимний период эксплуатации. Отметим,что производство усиленного капитального ремонта пути связано с большимиматериальными затратами.
Второе направление связано с повышением эффективности виброзащитныхсвойств рессорного подвешивания как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостиметодом поиска рациональных значений параметров жесткости и демпфированиясистемы упругого подвеса.
Ограничениями, которые препятствуют созданию эффективнойтиповой системы рессорного подвешивания с оптимальными характеристиками, являются:
• предел по минимальной вертикальной жесткости рессорногоподвешивания в связи с жесткимограничением высот автосцепок, вследствие чего возможность повышения гибкостирессорного подвешивания входит в противоречие с лимитированной предельной разностьювысот автосцепок соседних вагонов в груженом и порожнем состояниях;
• стесненное габаритное пространство, отведенное для системы подвешивания;
• допускаемые напряжения в элементах системы подвешивания и в узлах конструкции.
Как отмечал профессор М.Ф.Вериго, по своему конструктивномуоформлению тележка 18-100 (ЦНИИХЗ-О) представляет собой явно ухудшенный аналог широкораспространенных на железных дорогах США тележек Барбера. Во-первых, в тележке 18-100углы наклона клиньев во фрикционных гасителях колебаний центрального рессорногоподвешивания уменьшены с 55 до 45, что привело к снижению сил сопротивления взаимнымпродольным перемещениям («забегам») боковых рам, т. е. уменьшению связанности тележки.
Во-вторых, существенно изменена конструкция соединениякорпусов букс с боковинами, увеличившая их подвижность по отношению к боковинами возможность поворота колесных пар на достаточно большие углы относительнобоковых рам тележки, что негативно влияет на устойчивость экипажа в рельсовой