Анализ исследований по совершенствованию тележки модели 18-100 за последние 15 лет
Анализ исследований по совершенствованию тележки модели 18-100 за последние 15 лет
Начиная с середины 1950-х годов на сети железных дорог колеи 1520 мм стала эксплуатироваться тележка модели ЦНИИ - ХЗ-О, которой впоследствии была присвоена модель 18-100. В настоящее время она является наиболее распространенной тележкой, используемой в составе четырех- и восьмиосных грузовых вагонов.
С момента ввода тележки модели 18-100 в серийное изготовление ее первоначальная конструкция претерпела ряд изменений и модернизаций с целью повышения эксплуатационных качеств и увеличения межремонтных пробегов. Кроме того, вагоностроительные предприятия и конструкторские организации параллельно с модернизацией тележки данной модели занимались разработками новых конструкций тележек. Всего на сегодняшний день создано более двадцати вариантов модернизаций тележки модели 18-100, а также новых конструкций.
Работы по улучшению эксплуатационных качеств тележки модели 18-100 и созданию новых тележек производились такими организациями, как «Уралвагонзавод», ВНИИЖТ (ЦНИИ МПС), ПКБ ЦВ, ВНИИВ (ГосНИИВ, УкрНИИВ), ПГУПС (ЛИИЖТ), МИИТ, Брянский машиностроительный завод, Мариупольский завод тяжелого машиностроения, Крюковский и Днепродзержинский вагоностроительные заводы путем усовершенствования конструкции и применения новых материалов. Вместе с тем в эксплуатации постоянно увеличивалась нагрузка на ось. Так, в 1976 году проектная нагрузка 21,0 тс/ось была увеличена до 22,0 тс/ось, в 1977-м - до 23,0 тс/ось, а позднее - и до 23,5 тс/ось. Кроме этого на базе тележки модели 18-100 разработано несколько моделей с осевой нагрузкой 25,0 тс/ось, а затем и 30,0 тс/ось.
Все работы по модернизации грузовой тележки можно условно разделить на группы по ее составным элементам: модернизация боковой рамы, надрессорной балки, колесных пар, буксового узла, рессорного подвешивания, скользунов, подпятникового узла, тормозной рычажной передачи.
Основная модернизация боковой рамы была выполнена в 1997 году «Уралвагонзаводом» по результатам анализа статистики отказов и неисправностей в процессе эксплуатации. В результате исследования было установлено, что выход из строя боковой рамы чаще всего происходит из-за изломов в двух областях - двутавровых сечениях в ее концевых частях и нижних углах проема под рессорное подвешивание (рис. 1а). В результате проведенной модернизации двутавровый профиль был заменен на профиль коробчатого сечения, что позволило увеличить прочность узла на 15-20% (рис. 16). Модернизированная рама введена в серийное производство с 1998 года.
Рис. 1. Боковая рама тележки модели 18-100: а) с двутавровым сечением; б) с коробчатым сечением
Работы по совершенствованию надрессорной балки проводились начиная с 1959 года. В 1960-м МИИТом был разработан проект, предусматривающий создание ее облегченной конструкции.
«Уралвагонзаводом» были внесены изменения в конструкцию подпятника: в 1986 году его толщина в 25 мм увеличена до 30 мм, а в 1998-м - до 34 мм.
В 2004 году была предпринята попытка увеличить общее число производимых в стране надрессорных балок с улучшением их качества. В связи с этим компания «Промтрактор-Промлит» начала выпуск таких комплектующих для тележки модели 18-100 (рис. 2) с более высокими по сравнению с конструкцией «Уралвагонзавода» (рис. 3) прочностными характеристиками. Это было обеспечено применением современного литейного оборудования. Новая надрессорная балка отличается наличием одного внутреннего силового ребра, измененной конструкцией подпятникового узла и нижнего пояса. Впоследствии данным типом надрессорной балки стала оснащаться тележка модели 18-9770.
Рис. 2. Модернизированная надрессорная балка тележки модели 18-100 производства «Промтрактор-Промлит»
Рис. 3. Первоначальная надрессорная балка тележки 18-100 производства «Уралвагонзавода»
В 2004 году на «Уралвагонзаводе» в составе работ по модернизации тележки модели 18-100 до модели 18-578 была поставлена на серийное производство надрессорная балка, отличающаяся горизонтальным верхним поясом, который обеспечивает незначительное увеличение ее момента сопротивления и соответствующее снижение возникающих напряжений (рис. 4). Опора скользуна балки дает возможность установки съемного скользуна производства «Уралвагонзавода». Кроме того, на вертикальных листах балки выполнены отверстия для обеспечения доступа к креплению скользунов.
Используемая при производстве этой надрессорной балки технология позволила увеличить коэффициент запаса усталостной прочности до 1,8 - против 1,4 у тележки модели 18-100. Однако трехлетняя эксплуатация новой балки показала, что уровень ее отказов сопоставим с уровнем отказов надрессорной балки тележки модели 18-100.
Рис. 4. Надрессорная балка тележки модели 18-578 производства «Уралвагонзавода»
В рамках работ по модернизации колесной пары в 1998 году «Уралвагонзаводом» была внедрена ось типа РУИН, повышающая надежность крепления подшипников, осуществляемое шайбой на трех болтах.
В 2004 году на данном предприятии в тележке модели 18-578 были использованы колеса повышенной твердости и ось из непрерывно-литой вакуумированной заготовки. Преимуществами колес повышенной твердости являются: увеличение твердости обода до 320-360 НВ, повышение прочности стали за счет введения микролегирующих добавок, увеличение чистоты стали по газонасыщенности и содержанию неметаллических включений, повышение усталостной прочности дисков за счет применения дробеструйного упрочнения. Использование новых колес в конструкции тележки модели 18-578 позволило увеличить срок их службы на 50% по сравнению с тележкой модели 18-100. Применение осей из непрерывно-литой вакуумированной заготовки позволило гарантировать минимальное значение предела текучести 400 МПа и увеличить коэффициент запаса усталостной прочности шейки оси.
В 2005 году на Украине в рамках комплексной модернизации тележки модели 18-100 было проведено опытное оснащение полувагонов колесными парами с нелинейным профилем колеса ИТМ-73 разработки компании A. Stucki.
Работы по совершенствованию буксового узла велись начиная с 1950 года. В этот период были предложены и испытаны буксы с двухрядными сферическими подшипниками, буксы с переменным сечением свода, буксы для роликовых подшипников с двумя приливами, с ребрами жесткости и с арочным восприятием вертикальной нагрузки. В результате многочисленных испытаний и на основе опытных эксплуатаций вагоностроительной промышленностью были приняты и освоены два вида букс с вертикальными приливами.
В 1997 году «Уралвагонзаводом» была проведена и введена в эксплуатацию модернизация буксового узла по увеличению площади верхних и боковых опорных поверхностей в 1,5 раза.
Оснащение буксового проема сменной износостойкой накладкой было разработано в 1998 (проект комплексной модернизации тележки М1698, предусматривающий установку накладок толщиной 6 мм из стали 30ХГСА) и в 2002-м ПКБ ЦВ, а также в 2002 году отдельно «Уралвагонзаводом», ИЦ «Сплав», «Алтайвагоном» и ПГУПСом.
В настоящее время в эксплуатации в составе тележки модели 18-100 используется около восьми разновидностей роликовых букс, наиболее характерные конструкции боковых поверхностей которых представлены на рис. 5.
Рис. 5. Боковые поверхности букс
В 2004 году «Уралвагонзаводом» в тележке модели 18-578 была использована букса с цилиндрическими роликовыми подшипниками шестого класса точности (рис. 6), применение которых позволило увеличить безремонтный пробег тележки до 500 тыс. км.
Рис. 6. Колесная пара с буксой тележки модели 18-578
С целью модернизации рессорного подвешивания тележки модели 18-100 с 1956 года было разработано более двадцати его вариантов с использованием в различных сочетаниях винтовых пружин с разными линейными характеристиками, нелинейных и билинейных пружин, фрикционных демпферов с различными клиньями и планками и резиновых элементов.
В 1998 году была произведена комплексная модернизация трущихся элементов тележки 18-100. В соответствии с ней типовые фрикционные планки заменяются составными. На клинья устанавливаются износостойкие прокладки, по размерам удлиненной вертикальной поверхности клина. На каждую наклонную поверхность надрессорной балки устанавливаются износостойкие пластины.
По результатам исследований различных вариантов рессорного подвешивания «Уралвагонзавод» в 2004 году ввел в эксплуатацию рессорное подвешивание тележки модели 18-578, устройство которого представляет собой два комплекта пружин и фрикционных клиновых гасителей колебаний. Комплекты пружин имеют линейную силовую характеристику, обеспечивающую увеличенный до 68 мм прогиб под массой груженого вагона. Минимальный прогиб под порожним вагоном составляет 13 мм, что улучшает показатели вертикальной динамики и безопасности движения. Пружины изготовлены из шлифованного прутка стали 60С2ХФА с эффективным дробеструйным упрочнением. Фрикционные клинья выполнены из бейнитного термоупрочненного чугуна марки ВЧ-120 с твердостью 365-444 НВ и оборудованы по наклонной поверхности износостойкими полимерными накладками. Такие клинья полностью исключают схватывание и износ надрессорной балки. Накладки из полиуретанового эластомера марки АПИ-4 обеспечивают нормальную работу фрикционного гасителя колебаний при температурах от минус 60°С до плюс 80°С и реверсивном трении в паре «клин - надрессорная балка» в условиях динамических нагрузок. Фрикционная планка составная, выполнена из стали ЗОХГСА. Основная ее часть толщиной 10 мм имеет твердость 302—412 НВ, а контактная толщиной 6,5 мм - твердость 320-412 НВ.
Модернизации боковых опор была начата в 1950-х годах. С этого времени разработаны и испытаны такие скользуны, как жесткий, используемый сегодня в составе тележки модели 18-100, упругий - для тележки модели МТ-50 и упругий с ограничительным поводком - для тележки УВЗ-6КМ (рис. 7).
Рис. 7. Схема скользунов разработки УВЗ 1950-1970 годов: а) жесткий скользун для тележки модели 18-100; б) упругий скользун для тележки модели МТ-50; в) упругий скользун для тележки модели УВЗ-6КМ
В 1980-х годах мариупольским концерном «Азовмаш» и 1990-х ПГУПСом были разработаны различные конструкции скользунов-демпферов с размещением их в шкворневой балке. В качестве ответной части новых скользунов мог использоваться неизмененный жесткий скользун тележки модели 18-100. Конструкция скользуна-демпфера также была предложена и Крюковским вагоностроительным заводом.
В 2002 году «Уралвагонзаводом» были разработаны пружинно- и эластомерно-роликовая схемы исполнения скользунов по типу «Майнера» (США) (рис. 8а, б).
В их конструкциях ролик, расположенный на фигурной прокладке, служит для ограничения перевалки кузова на подпятнике, а фрикционный колпак, поджимаемый пружинами или эластомером к скользуну на кузове вагона, обеспечивает изменение частоты перевалки кузова и гашение виляния тележки. Эластомерно-роликовый скользун используется в конструкции тележки модели 18-578.
Рис. 8. Схема скользунов разработки УВЗ для новых типов тележек: а) пружинно-роликовый скользун; б) эластомерно-роликовый скользун
Основной модернизацией подпятникового узла являлась установка в него различных износостойких элементов. Так, были опробованы износостойкие элементы из стали 30ХГСА в виде разрезного кольца (двух полуколец) и плоской прокладки, сменная износостойкая чаша из стали 30ХГСА (рис. 9) на тележке модели 18-578, подпятниковые полимерные прокладки производства компании A. Stucki.
Рис. 9. Сменная износостойкая чаша из стали 30ХГСА
Модернизация тормозной рычажной передачи была выполнена «Уралвагонзаводом» в составе работ по проектированию тележки модели 18-578. В ее рамках в конструкцию тормозной передачи введено торсионное устройство для равномерного отвода тормозных колодок от колес при отпуске, позволяющее распределять в равных долях тормозные усилия по всем колесам при торможении. Кроме этого оборудовано устройство от западания серьги мертвой точки и изменено крепление тормозных башмаков на безрезьбовое цанговым типом с применением полимерного упругого элемента (рис. 10).
Рис. 10. Безрезьбовое крепление тормозных башмаков цанговым типом
В 2004 году ВНИКТИ также был разработан вариант безрезьбового крепления тормозных башмаков. В качестве крепежного элемента использован металлический штифт, который после постановки башмака забивается в соответствующее отверстие триангеля, один из его концов разрезается на две части и одна из них отводится в сторону (рис. 11).
Рис. 11. Безрезьбовое крепление штифтом
Одновременно с модернизацией тележки модели 18-100 многими организациями велись работы по созданию новых конструкций тележек. Так, среди них можно назвать следующие: разработанная Мариупольским заводом тяжелого машиностроения совместно с Днепропетровским национальным университетом железнодорожного транспорта, а также институтом технической механики Украины и ПГУПСом - тележка модели 18-1711; ПГУПСом - тележка модели 18-9750 для осевой нагрузки 25,0 тс/ось; Крюковским вагоностроительным заводом-тележка модели 18-7020; ВНИКТИ - две конструкции грузовых тележек с осевой нагрузкой 25,0 тс/ось: модели 26.В.503 и 26.В.504; Великолукским локомотиворемонтным заводом — тележка модели НТ-310 со свободновращающимися колесами и тележка модели 55-316 с традиционными колесами, ВНИИ «Трансмаш» совместно с ОАО «Ижорские заводы» - тележка модели Р25.120 с осевой нагрузкой 25,0 тс/ось; «Уралвагонзаводом» - тележка модели 18-578.
Анализ материалов по созданию новой конструкции грузовой тележки показывает, что значительного преимущества по показателям качества хода, безремонтному пробегу, надежности и прочим эксплуатационным характеристикам перед тележкой модели 18-100 не имеет ни одна из вновь разработанных тележек. Кроме того, ряд тележек имеют более сложную конструкцию, что говорит о снижении их общей надежности, ремонтопригодности и взаимозаменяемости.
По решению НТС расширенного заседания секции вагонного хозяйства ОАО «РЖД» от 25 мая 2006 года наиболее перспективной тележкой для грузового подвижного состава признана тележка модели 18-578, позволившая при минимальных изменениях в конструкции добиться улучшения эксплуатационных показателей. Однако было отмечено, что первые три года ее эксплуатации показали ряд недостатков по таким узлам, как боковая рама, надрессорная балка, пружинный комплект и фрикционный узел гашения колебаний.
Таким образом, анализ исследований по совершенствованию тележки модели 18-100 показал, что выполненные вагоностроительными предприятиями и научными организациями работы позволили повысить эксплуатационные качества отдельных элементов тележки. Значительно улучшить характеристики тележки в целом удалось не в полной мере.
Однако большой накопленный опыт по модернизации отдельных деталей позволяет приступить к решению актуальной задачи разработки новой конструкции грузовой тележки с улучшенными эксплуатационными характеристиками по сравнению с тележками моделей 18-100 и 18-578.
Литература
I. Вороненко, Ю.П. Каким быть тележкам для вагонов нового поколения / Ю.П. Вороненко, А.М. Орлова // Вагоны и вагонное хозяйство. - 2005. - № 1. — С.40—41.
2. Ефимов, В.П. Технический уровень тележки 18-578 в сравнении с тележкой 18-100 / В.П. Ефимов // Железнодорожный транспорт. - 2006. - № 7. - С. 56-60.
3. Конструирование и расчет вагонов. / под ред. В.В. Лукина. - М.: УМК МПС России, 2000. - 731 с.
4. Расчетно-аналитический отчет о работах, выполненных в России и Украине по усовершенствованию тележки 18-100 за последние 10 лет: отчет о НИР (заключит.) - СПб.: ИЦ ВС, 2006. - 85 с.
5. Тимофеев, В.К. Тележка модели 18-578 повышает межремонтный пробег вагонов // Вагоны и вагонное хозяйство. - 2006. - № 2 (6). - С. 26-28.
