* разработать типоразмерный ряд боковых скользунов типа подпружиненный ролик для постановки под различные типы вагонов;
* под вагонами с увеличенным моментом инерции вокруг продольной оси использовать устройства, повышающие демпфирование в порожнем режиме;
* для снижения износов поверхности катания внедрять износостойкие профили.
3. Российским вагонам тележку нового типа
Проблемы безопасности движения и эффективности работы подвижного состава, железных дорог во многом зависят не только от величины общей статической нагрузки на тележки, но и от рационального способа ее распределения относительно линий катания колес на несущие ходовые части. Этот малоизученный фактор открывает новые возможности для решения перечисленных проблем.
С точки зрения механики деформируемого твердого тела именно способ передачи статической нагрузки на особо ответственные элементы относительно линий катания колес диктует принципиальную конструктивную схему будущей тележки железнодорожного экипажа, определяет уровень амплитудно-частотных параметров и безопасности движения, динамическое качество и характер взаимодействия пути и подвижного состава. Возможен симметричный способ - совмещение в одной плоскости центров приложения равнодействующих сил опирания надрессорной балки на боковые рамы и средних линий катания колес и несимметричный - несовмещение в одной плоскости центров и средних линий катания колес.
До определенного уровня общей статической нагрузки на тележки и скорости движения оба способа конкурентоспособны с позиции надежности и безопасности движения. Поскольку несимметричный способ проще в реализации, чем симметричный, он и был выбран как рациональный для требований сравнительно малых скоростей и нагрузок. Доминирует он и сейчас как наиболее изученный.
При превышении определенного уровня скорости и нагрузок влияние каждого способа на надежность и безопасность тележки различно. Традиционный несимметричный способ создает условия к повышению вредной дополнительной динамики, снижению надежности и безопасности движения, становится менее перспективным. Симметричный способ (используя такие индивидуальные особенности, как сохранение круга катания колеса в вертикальной плоскости, более жесткую плоско-пространственную систему боковые рамы - колесные пары с дополнительными связями) создает условия для устранения вредной дополнительной динамики, износов и повышения динамического качества и безопасности движения. Он становится более перспективным для современных условий повышения нагрузок и скорости.
С указанными способами связаны две концепции создания тележек. Первая концепция базируется на продолжении многолетних модернизаций серийной тележки при сохранении несимметричного способа распределения статической нагрузки на ходовые части. Наиболее распространенный вариант такой тележки имеет наружное по отношению к колесам размещение двух буксовых узлов на одной оси. В России это серийная тележка 18-100, в США тележка Barber. Менее распространен второй вариант тележки, имеющей внутренние по отношению к колесам два буксовых узла на одной оси. Например, тележка TF25 компании Power Duffryn, используемая в настоящее время в некоторых европейских странах для большегрузных вагонов.
Несимметричное относительно колеса распределение статической нагрузки приводит к заметному изгибу оси с поворотом колес в плоскости изгиба, что с увеличением скорости и нагрузок порождает значительный динамический фон (повышенные амплитуды циклических напряжений, уровень раскачивания подвижного состава при резонансных скоростях движения, износов, поперечных микросдвигов в пятне контакта колесо-рельс, расстройства рельсового пути) всей системы «колесо-рельс». Устранить данное свойство какими-либо модернизациями отдельных узлов ходовых частей практически невозможно.
Динамический фон негативно сказывается на взаимодействии тележки и кузова вагона, тележки и рельсового пути, боковой рамы и колесной пары, надрессорной балки и пружин, клиньев. Возникающая при этом высокая чувствительность к незначительным отклонениям в содержании пути и подвижного состава свидетельствует о неустойчивости системы. Кроме того, конструктивная схема указанных вариантов тележек не удовлетворяет главному принципу работы железнодорожных экипажей - эксплуатационной живучести и безопасности. Единичный отказ особо ответственного элемента тележки, например излом шейки оси колесной пары, неотвратимо приводит к тяжелым последствиям.
В соответствии с данной концепцией за 40 лет было предпринято более 15 модернизаций двухосной традиционной тележки.
Иллюзия малозатратности данной концепции модернизаций тележки 18-100 продолжает привлекать специалистов.
Ошибочность продолжения модернизаций серийной тележки кроется в недооценке возрастающего влияния негативных факторов несимметричного способа распределения статической нагрузки на ходовые части при одновременном выполнении главных условий - повышения нагрузок на ось и скорости, а также сохранения существующих конструкций верхнего строения пути.
Вторая концепция основывается на создании тележки принципиально новой схемы. Конструктивно - силовой особенностью ее является симметричный способ распределения статической нагрузки. На ось колесной пары нагрузка передается через четыре буксовых узла (каждый из которых может содержать по подшипнику), размещенных в четырех сечениях одной оси. Один из вариантов двухосной тележки с передачей нагрузки на четыре буксовых узла одной оси симметрично относительно колеса, пригодный для скоростного экипажа, предложен в Германии. Предварительные результаты исследований показывают определенные преимущества такой схемы в сравнении с традиционной.
Другое конструктивное решение тележки с симметричной передачей нагрузки от боковых рам на четыре буксовых узла одной оси, пригодное как для большегрузного, так и для скоростного экипажа, предложено Петербургским государственным университетом путей сообщения (патенты ПГУПСа). С учетом конструктивной схемы такой тележки (см. рисунок) изгиб оси резко уменьшается (наибольший прогиб уменьшается более чем на порядок, поворот колеса в плоскости изгиба исключается полностью), что обеспечивает устранение вредного динамического фона и причины целого спектра дополнительных динамических эффектов. Это, в свою очередь, создает условия для малой чувствительности системы «колесо-рельс» к незначительным отклонениям в содержании пути и подвижного состава, для значительного увеличения ресурса ходовых частей и уменьшения эксплуатационных расходов.
Рисунок 2 - Схематическое изображение варианта новотипной тележки
Учитывая тенденцию увеличения скорости, нагрузок и то, что высокие требования к квалификации и опыту работников службы дефектоскопии могут оказаться не выполненными, вопрос повышения эксплуатационной живучести и безопасности железнодорожного экипажа становится весьма актуальным, а запатентованное конструктивное решение новой российской тележки перспективным. Подтвердить или опровергнуть ее преимущества можно только на основании результатов экспериментально-теоретических исследований, но из-за отсутствия финансирования такие исследования пока не проводились.
Предварительные оценки новой конструктивной схемы тележки позволяют ожидать повышения в 4-5 раз ресурса оси колесной пары при одновременно возможном уменьшении веса каждой оси до 100 кгс, устранения причин ослаблений посадки колеса и буксовых подшипников по фреттинг-коррозии и повреждений торцовых креплений буксовых узлов, повышения в 2-3 раза ресурса элементов колеса, в 3-4 раза элементов буксового узла, боковых рам, надрессорной балки, увеличения устойчивости против схода колеса с рельсов, повышения эксплуатационной живучести и безопасности экипажа, значительного уменьшения воздействия на путь, приобретения свойства повышенной связанности тележки в плане, создания на базе тележки нового типа российской альтернативы тележке с раздвижными колесными парами и конкурентоспособного по мировым стандартам тяжелогрузного и скоростного подвижного состава.
Можно с достаточным основанием утверждать, что те преимущества простой и удобной конструктивной схемы, которые соответствуют применяемому стандартному несимметричному способу статического нагружения ходовых частей серийной тележки, полностью утрачиваются с повышением скорости и нагрузки на ось. Такая тележка приобретает устойчивое свойство повышенного динамического воздействия на путь и подвижной состав. Концепция продолжения модернизации тележки старого типа в условиях повышения нагрузок и скорости становится неэффективной для протяженных российских железных дорог, поскольку чревата в дальнейшем огромными эксплуатационными расходами на содержание пути и снижением безопасности движения поездов. Назрела необходимость параллельно с поддержанием работоспособности традиционной тележки приступить к исследованиям тележки с симметричным распределением статической нагрузки.
4. Организация серийного производства тележек 18-78 для новых вагонов
Учитывая тенденции мирового вагоностоения 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 тележки 18-100. С 2004 г. Уралвагонзавод начал производство тележки 18-578 с осевой нагрузкой 23,5 тс. Ее конструкция рассчитана на повышение межремонтных пробегов грузовых вагонов до 500 тыс. км и увеличение гарантийного срока эксплуатации до 4 лет.
Несущие элементы тележки (боковые рамы и надрессорная балка), изготовленные литьем из низколегированной стали марки 20 ГЛ, имеют повышенный до 1,8 коэффициент запаса усталостной прочности, что достигнуто не только повышением качества литья. Например, в боковой раме изменена конфигурация в зонах, наиболее подверженных развитию дефектов: в концевой части, зоне проема центрального подвешивании и крепления кронштейнов тормозного оборудования.
Для повышения износостойкости трущихся рабочих поверхностей между клином и боковой рамой установлена составная фрикционная планка из стали 30ХГСА, а в буксовом узле - съемные накладки с креплением в технологическое отверстие. В подпятнике устанавливается съемная износостойкая чаша из стали ЗОХГСА с использованием смазки из композиционного твердосмазочного материала (КТСМ).
Центральное рессорное подвешивание тележки состоит из комплекта пружин и фрикционных клиновых гасителей колебаний, однако оба эти элемента имеют качественные отличия от тележки 18-100. Комплект пружин имеет линейную вертикальную силовую характеристику, обеспечивающую увеличенный до 68 мм прогиб под массой груженого вагона. Минимальный прогиб под массой порожнего вагона составляет 13 мм, что улучшает показатели вертикальной динамики и безопасности движения. Фрикционные клинья выполнены из высокопрочного термоупрочненного чугуна ВЧ-120.
Для защиты от износа наклонной поверхности надрессорной балки на клине установлена сменная износостойкая полимерная накладка. Упругая связь клиньев с надрессорной балкой обеспечивает исключение контакта «металл по металлу» и в сочетании с оптимально выбранной жесткостью пружинного комплекта стабилизирует работу гасителей колебаний, на 15-20% улучшаются показатели вертикальной и горизонтальной динамики вагона, существенно снижается воздействие на путь.
На надрессорной балке предусмотрена установка упруго-катковых скользунов постоянного контакта. Наличие постоянной силы прижатия фрикционных поверхностей скользунов увеличивает момент трения на поворот тележки под вагоном, демпфирует виляние, а работа упругих элементов в вертикальном направлении амортизирует перевалку кузова на подпятнике. Таким образом, упруго-катковые скользуны снижают не только боковые силы, действующие на рельсы, но и нагрузки на подпятник.
Боковая рама тележки опирается на колесные пары через корпус буксы, внутри которого установлены цилиндрические подшипники шестого класса точности. На части тележек установлены двухрядные конические подшипники кассетного типа, обладающие существенным преимуществом перед роликовыми цилиндрическими подшипниками по возможности противостояния значительным нагрузкам, прежде всего осевым, плавности хода, долговечности и возможностям организации централизованной системы технического обслуживания.
Колесные пары сформированы из колес повышенной твердости с твердостью на глубине 30 мм от поверхности катания 320 - 360 НВ и дробенаклепанными дисками, что гарантирует от изломов дисков колес и увеличивает срок их службы не менее чем в 2 раза.
Тормозная рычажная передача обеспечивает одностороннее нажатие на каждую колесную пару и оборудована триангелями с безрезьбовыми креплениями тормозных башмаков и торсионным устройством отвода колодок от колес при отпущенном тормозе.
В настоящее время поставлено и передано в эксплуатацию 14 тыс. новых полувагонов. В основном они эксплуатируются 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. вагонов по неисправности тележки 18-578 в 3,2 раза меньше, чем для серийной тележки 18-100, неисправности буксового узла меньше в 3,2 раза, колесных пар - в 1,6 раза. Можно с уверенностью констатировать, что тележка 18-578 по надежности в эксплуатации основных узлов значительно превосходит серийную.
В настоящее время тележка 18-578 адаптирована только к полувагону 12 - 132 - 03. Для ее постановки под вагонами других типов необходимо провести расчеты их динамических качеств с подтверждением ходовыми динамическими испытаниями и испытаниями по воздействию на путь.
Для реализации поставленной задачи требуется доработать документацию на боковую раму, надрессорную балку, пружинный комплект и материал «бочонков» упруго-катковых скользунов и фрикционных накладок. По окончании доработки провести работу приемочной комиссии по присвоению тележке 18-578 литеры «А». Следует также привести установленным порядком конструкторскую документацию, технологические инструкции завода на изготовление полувагонов 12-132-03 с тележками 18-578 в соответствие требованиям нормативной документации ОАО «РЖД» на вновь изготавливаемые вагоны и подготовить полный комплект технической документации на эту тележку для передачи на договорных началах вагоностроительным заводам.
ФГУП «ПО Уралвагонзавод» разработал и запустил в серийное производство тележку 18-578 с нагрузкой от оси на рельсы 23,5 тс. Ряд новых технических решений позволяют рассматривать ее как перспективную модель для грузовых вагонов. Общий вид тележки18-578 показан на рис. 1, а ее техническая характеристика приведена в таблице 2.
Таблица 2 - Техническая характеристика тележки 18 - 578
Параметры | 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 и конкурентоспособность российских железных дорог в решающей мере зависят от безопасности движения подвижного состава, скорости доставки грузов и уровня эксплуатационных расходов на тягу поездов. Именно низкая скорость доставки грузов - 650 км в сутки (требуется 1000 км/сутки) и является одним из доминирующих факторов, препятствующих массовым перевозкам транзитных грузов по транспортным коридорам «Восток -- Запад» и «Север - Юг», что в результате негативно влияет на конкурентоспособность и эффективность не только транспортной отрасли, но и экономики государства в целом.
В современных условиях, когда от подвижного состава требуется низкая начальная стоимость, значительное повышение межремонтного пробега и высокая ремонтопригодность, создание системы рессорного подвешивания, обеспечивающей высокие динамические качества железнодорожного экипажа, является главной проблемой для разработчиков транспортных железнодорожных средств. Особенно остра она для тележки грузового вагона, которая в дополнение к отмеченным требованиям, должна обеспечивать достижение высоких показателей динамических качеств в вертикальной и горизонтальной плоскостях, оптимизацию способности вписывания в кривые и снижение износа узлов вагона и рельсов, а также уменьшение сопротивления движению в прямых участках пути.
Как показывает практика, в настоящее время весьма значительная часть браков в эксплуатации приходится на вагонное хозяйство. Это, на наш взгляд, в решающей мере обусловлено эксплуатацией морально и физически устаревшей трехэлементной тележки 18-100, спроектированной полвека назад.
Известно, что для повышения плавности хода железнодорожного экипажа необходимо снижать виброактивность источника возмущений и совершенствовать динамические свойства системы обрессоривания подвижного состава. Первое из этих направлений реализуется в виде бесстыкового пути, выполненного в виде рельсов тяжелых типов, уложенных на железобетонных шпалах и стабилизированном щебеночном основании, а также в мерах по устранению несовершенства колесных пар (эксцентриситетов, выщербин, ползунов и пр.). Вместе с тем увеличение в несколько раз модуля упругости рельсового основания и наличие несовершенств очертания поверхностей катания рельсов и колес влекут за собой повышение уровня сил динамического взаимодействия вагона и пути, что приводит к росту напряжений в колесах и рельсах. Это способствует увеличению изломов дисков особенно в зимний период эксплуатации. Отметим, что производство усиленного капитального ремонта пути связано с большими материальными затратами.
