И. Г. МОРЧИЛАДЗЕ, М. М. СОКОЛОВ, А. В. ДОДОНОВ

Сравнение конструктивных схем
отечественной и зарубежной тележек
для грузовых вагонов

В настоящее время обострилась проблема увеличения износа и, следовательно, уменьшения срока службы ответственных элементов подвижного состава и пути. Для ее решения необходимо, в частности, улучшить конструкцию ходовой части вагонов и их динамические характеристики. Руководством ОАО «РЖД» неоднократно поднимался вопрос о создании тележки нового поколения для грузовых вагонов. В этой связи представляют интерес результаты сравнения наиболее распространенных типов отечественных и зарубежных тележек.

Двухосные тележки — зарубежная компании Barber (США) и отечественная модели 18-100 Уралвагонзавода (УВЗ) — принадлежат к одной разновидности компонентов ходовой части грузовых вагонов — к так называемым трехэлементным тележкам с одинарным центральным рессорным подвешиванием и клиновыми фрикционными гасителями колебаний с переменной силой трения, пропорциональной массе кузова вагона. Общие виды тележек приведены на рисунке.

 

Общий вид тележек УВЗ модели 18-100 (а) и компании Barber (б)

Однако, судя по публикациям в научно-технических изданиях, тележки компании Barber по основным эксплуатационным параметрам (межремонтному пробегу, сроку службы и т. д.) превосходят тележки УВЗ в 2 – 8 раз.

В связи с этим была поставлена задача установить, за счет каких конструктивных особенностей узлов и деталей тележки Barber реализуются ее лучшие характеристики.

Сравнение тележек Barber и УВЗ проводилось в следующей последовательности:

• исследование основных компонентов (боковых рам, буксовых узлов, рессорных комплектов, надрессорных балок) тележек обоих типов;
• анализ взаимодействия составных частей;
• формулирование выводов по конструктивным особенностям, преимуществам и недостаткам тележек.

Боковые рамы

Боковая рама тележки компании Barber выполнена в виде цельнолитой рамной конструкции. Она имеет пониженный центр масс и мощные концевые части, в которых расположены буксовые проемы с челюстными направляющими. В верхней части буксового проема выделяются специальные приливы и опорная площадка, снабженная съемной износостойкой накладкой. Указанные приливы, взаимодействуя с адаптером, установленным над кассетным роликовым буксовым подшипником, обеспечивают передачу продольных и поперечных сил от колесной пары на раму тележки, а также выполняют роль жестких ограничителей смещений буксового узла относительно рамы.

Обращает на себя внимание тот факт, что вертикальные челюсти буксового проема боковой рамы в обычной эксплуатации не взаимодействуют с буксовым узлом колесной пары (здесь имеет место зазор шириной порядка 2 – 4 мм), а все нагрузки передаются через специальные приливы в буксовом проеме и опорную площадку. Следовательно, резко снижаются изгибающие моменты, воздействующие на буксовый проем при продольных соударениях и торможении тележки. При угловых поворотах колесной пары сначала выбираются зазоры между приливами боковой рамы и адаптером, а далее последний упруго передает воздействие на подшипник. Необходимо отметить, что зазоры в этом ответственном узле тележки постоянно контролируются и поддерживаются на минимальном уровне.

На внутренних челюстных направляющих боковой рамы тележки предусмотрены специальные выемки для постановки клиновых упоров, которые предотвращают самопроизвольное разъединение буксового узла и рамы.

Рессорный проем боковой рамы имеет сложную конфигурацию и снабжен достаточно мощными вертикальными направляющими, которые при взаимодействии с направляющими на надрессорной балке тележки обеспечивают передачу продольных и угловых нагрузок при соударении и забегании боковых рам. Зазоры между этими направляющими также постоянно контролируются и поддерживаются минимальными. Это обеспечивает разгрузку фрикционных клиньев от восприятия чрезмерных продольных и угловых нагрузок, гарантированную связность элементов тележки и ограничивает в допустимых пределах величины забегания боковых рам.

Боковая рама тележки УВЗ модели 18-100 также выполнена в виде цельнолитой рамной конструкции, в концевых частях которой располагаются буксовые проемы с челюстными направляющими, а в средней части — рессорный проем с опорной поверхностью для установки рессорного комплекта. Буксовые челюсти снабжены небольшими вертикальными направляющими приливами для взаимодействия с приливами на корпусе буксы, а в верхней части буксового проема имеется опорная поверхность для взаимодействия с опорной поверхностью буксы. Следовательно, букса может свободно устанавливаться в буксовом проеме боковой рамы в пределах допускаемых зазоров как в поперечном, так и в продольном направлениях.

На вертикальных стойках рессорного проема боковой рамы выполнены привалочные поверхности для фрикционных планок, взаимодействующих с фрикционными клиньями рессорного подвешивания, а также имеются упоры для ограничения поперечных смещений клиньев относительно боковой рамы. Таким образом, взаимодействие надрессорной балки и боковой рамы тележки осуществляется через фрикционные клинья и пружинный комплект, т. е. надрессорная балка имеет большую свободу как продольных и поперечных, так и угловых смещений при забегании боковых рам.

Сопоставительный анализ конструктивных схем боковых рам тележек Barber и УВЗ выявил следующее:

• качество литья боковой рамы тележки Barber, по заключению экспертов, значительно выше, чем рамы тележки 18-100;
• боковая рама тележки Barber имеет мощные концевые части, превосходящие по прочности аналогичные части рамы тележки 18-100;
• боковая рама тележки Barber имеет уменьшенные размеры буксовых проемов по сравнению с тележкой 18-100, а в верхней части буксовые проемы усилены опорными приливами, взаимодействующими с адаптером буксового узла;
• рессорный проем боковой рамы тележки Barber снабжен вертикальными направляющими и усиленной опорной поверхностью под рессорный комплект, что обеспечивает его повышенную прочность по сравнению с рессорным проемом рамы тележки 18-100.

Рассмотрение боковых рам как рамных конструкций с пониженным центром масс показывает, что основным несущим элементом рамы тележки Barber является мощный нижний пояс, а в раме тележки 18-100 воспринимаемые нагрузки распределяются между нижним, верхним поясами и вертикальными колонками рамы.

Буксовые узлы

Буксовый узел тележки Barber представляет собой достаточно сложную техническую систему. При этом особую роль в этой системе играет адаптер, который служит связью между рамой тележки и кассетным буксовым подшипником. Обращает на себя внимание наличие значительного числа различных выступов, выточек, упоров и ограничителей, которые обеспечивают оптимальное распределение нагрузок, ограничивают перемещения и т. д. Трущиеся поверхности адаптера защищены съемными износостойкими накладками, увеличивающими ресурс и ремонтопригодность изделия. Зазоры между сочленяющимися частями строго нормированы, минимизированы и контролируются в эксплуатации. Буксовый проем боковой рамы тележки спроектирован специально под кассетный подшипник и имеет по отношению к нему минимальные зазоры.

Корпус роликовой буксы тележки УВЗ модели 18-100 выполнен в виде цилиндрического стакана, по бокам которого имеются продольные упоры и ограничительные приливы для взаимодействия с буксовыми челюстными направляющими боковой рамы. В верхней части корпус буксы снабжен двумя вертикальными приливами сложной формы с опорными поверхностями для взаимодействия с опорной поверхностью буксового проема боковой рамы. Для улучшения распределения вертикальной нагрузки по роликам подшипников между вертикальными опорными приливами расположены горизонтальные приливы, повышающие жесткость верхнего свода корпуса буксы.

Таким образом, конструктивная схема опирания боковой рамы на буксовый узел предусматривает передачу вертикальных нагрузок через опорные (достаточно узкие) поверхности вертикальных приливов корпуса буксы, а поперечные, продольные и угловые нагрузки передаются через продольные упоры и ограничительные приливы на корпус буксы и далее на подшипники. Следовательно, схема передачи этих нагрузок в тележке 18-100 существенным образом отличается от схемы в тележке Barber.

Кроме того, взаимодействующие поверхности буксового проема боковой рамы и буксового узла не снабжены износостойкими накладками, что приводит к неравномерному износу, увеличению зазоров, перераспределению нагрузок и зачастую к перекосу колесных пар с отрицательными последствиями для эксплуатации тележек.

Корпус буксы фактически является неремонтопригодным, так как существующие технологии наплавки изношенных поверхностей часто приводят к деформациям корпуса, которые неблагоприятно отражаются на работоспособности подшипников.

Анализ конструктивных схем буксовых узлов тележек Barber и УВЗ дает основания констатировать, что:

• буксовый узел тележки Barber обеспечивает заранее установленную фиксацию положения колесной пары относительно боковой рамы тележки, а также передачу вертикальных и горизонтальных воздействий через верхнюю часть адаптера;
• корпус буксы тележки 18-100 свободно устанавливается в буксовом проеме боковой рамы в пределах допускаемых зазоров до тех пор, пока износ трущихся поверхностей не достигнет определенной величины, при которой самоустановка колесной пары существенно ограничивается и происходит ее фиксация в некотором положении. Передача вертикальных нагрузок осуществляется через верхние приливы корпуса буксы, а горизонтальных — через боковые упоры;
• по критерию равномерности распределения нагрузок по подшипникам и ремонтопригодности буксовый узел тележки Barber существенно превосходит таковой тележки 18-100.

Рессорные проемы и комплекты

Рессорный проем боковой рамы тележки Barber выполнен в расчете на постановку девятипружинного рессорного комплекта с клиновыми фрикционными гасителями колебаний переменного трения. В зависимости от грузоподъемности вагона, под который подкатываются тележки, применяются разные наборы пружин и фрикционных клиньев различной конфигурации. Статический прогиб рессорного комплекта под нагрузкой находится в пределах от 63 до 110 мм.

Фрикционные клинья рессорного подвешивания взаимодействуют со съемными износостойкими накладками (планками), установленными на боковой раме и наклонных поверхностях надрессорной балки. За счет этого обеспечивается устойчивая работа фрикционных пар и ремонтопригодность тележек.

Рессорный проем боковой рамы тележки УВЗ модели 18-100 выполнен в расчете на постановку семипружинного рессорного комплекта и также оснащен клиновыми фрикционными гасителями колебаний переменного трения. Для успешной работы этих гасителей на вертикальных стойках рессорного проема боковой рамы установлены съемные фрикционные планки и ограничители смещения фрикционных клиньев в поперечном направлении, а в концевых частях надрессорной балки предусмотрены выемки с наклонными поверхностями для размещения фрикционных клиньев.

Таким образом, фрикционные клинья в тележке 18-100 являются основным связующим звеном, которое объединяет боковые рамы и надрессорную балку в единую систему. Продольные, поперечные и угловые взаимные перемещения надрессорной балки и боковых рам передаются через фрикционные клинья и пружинный комплект, что является существенным недостатком этой тележки. Наиболее остро этот недостаток проявляется при большом износе пар трения и неправильном подборе размеров конструктивных элементов, что приводит к увеличению забегания боковых рам, перекосу надрессорной балки и изменению кинематики тележки с вытекающими отсюда неблагоприятными последствиями для динамической нагруженности как тележки, так и путевой структуры.

Анализ рессорных комплектов тележек Barber и УВЗ показал следующее:

• рессорные комплекты тележек как Barber, так и 18-100 состоят из набора двухрядных цилиндрических пружин и фрикционных гасителей колебаний переменного трения. Отличие тележек Barber заключается в более развитой опорной поверхности рессорных проемов боковых рам с возможностью размещения девятипружинного комплекта повышенной упругости и в использовании фрикционных гасителей с износостойкими накладками, иногда установленными и на клиньях;
• поскольку фрикционные клинья тележки Barber разгружены от восприятия чрезмерных продольных и угловых нагрузок, а фрикционные узлы снабжены оптимально подобранными парами трения, то рессорное подвешивание этой тележки в сравнении с рессорным подвешиванием тележки 18-100 обеспечивает более стабильное гашение колебаний и улучшает плавность хода вагона.

Надрессорные балки

Надрессорная балка тележки компании Barber имеет ферменную конструкцию и снабжена цилиндрическим подпятником, двумя дополнительными упругими промежуточными опорами и роликовыми скользунами. Вместо фирменных роликовых скользунов могут ставиться скользуны компаний Stucki или Miner. Наличие упругих промежуточных опор и роликовых (упругороликовых) скользунов существенным образом изменяет характер перевалки кузова вагона на подпятнике тележки, снижает момент сопротивления повороту тележек в кривых и в то же время гасит колебания виляния тележек в прямых участках пути.

Оснащение надрессорной балки тележки Barber промежуточными упругими опорами и многофункциональными скользунами позволило применить на кузове пятник со скошенными опорными поверхностями. Это обеспечивает снижение нагрузки на опорную поверхность подпятника при боковых колебаниях кузова вагона относительно надрессорной балки тележки.

Обращает на себя внимание наличие на концевых частях надрессорной балки не только наклонных поверхностей с износостойкими накладками для установки фрикционных клиньев, но и направляющих, которые, взаимодействуя с направляющими на боковых рамах тележки, обеспечивают гарантированное ограничение величины забегания боковых рам и разгружают фрикционные клинья рессорного подвешивания от восприятия чрезмерных продольных и угловых силовых воздействий.

Надрессорная балка тележки УВЗ модели 18-100 выполнена в виде цельнолитого бруса равного сопротивления с цилиндрическим подпятником и жесткими скользунами. Балка снабжена технологическими отверстиями, а на концевых частях — наклонными поверхностями для установки фрикционных клиньев рессорного подвешивания, которые совместно с пружинными комплектами определяют ее положение относительно боковых рам.

Следует отметить, что в последние годы разработано несколько отечественных конструкций роликовых, упругих, упругодемпфирующих, упругороликовых и других видов скользунов, которые находятся в опытной эксплуатации.

Обращает на себя внимание значительно меньшая высота надрессорной балки тележки 18-100 в подпятниковом сечении, чем надрессорной балки тележки Barber, а также отсутствие промежуточных опор.

По результатам анализа конструктивных схем надрессорных балок тележек Barber и УВЗ можно сделать следующие выводы:

• надрессорная балка тележки Barber в отличие от балки тележки 18-100 представляет собой, собственно говоря, не балку, а ферму с увеличенной высотой боковых поверхностей, в которых выполнены отверстия для уменьшения массы и пропуска элементов тормозного оборудования. На верхнем поясе располагаются подпятник, две поддерживающие опоры и два роликовых скользуна, высота которых регламентирована для обеспечения рационального распределения нагрузок в опирании кузова вагона на тележку;
• отличительной особенностью надрессорной балки тележки Barber является наличие на ее концевых частях специальных направляющих, которые, взаимодействуя с направляющими на боковых рамах тележки, обеспечивают гарантированное ограничение величины забегания боковых рам и разгружают фрикционные клинья рессорного подвешивания от восприятия чрезмерных продольных и угловых силовых воздействий.

Выводы

1. При внешней идентичности конструктивных схем тележек Barber и УВЗ модели 18-100 они имеют существенные различия, причем не в пользу последней.

Основными недостатками конструкции тележки 18-100 являются:

• недостаточная связность рамы тележки в плане из-за угловых поворотов надрессорной балки на наклонных поверхностях фрикционных клиньев, которая приводит к неравномерному распределению горизонтальных динамических сил и перекосу рамы, что интенсифицирует взаимодействие тележки с кузовом вагона и путевой структурой;
• недостаточная связность колесных пар с боковыми рамами тележки, которая допускает смещение боковых рам относительно букс, обусловливает быстрый и неравномерный износ опорных поверхностей рам, корпусов букс и перераспределение нагрузок, что вызывает перегрузку осей колесных пар и снижение долговечности подшипников;
• использование простейших скользунов жесткого типа и опорного соединения пятник — подпятник с быстро и неравномерно изнашивающимися поверхностями, что способствует нестабильности ходовых характеристик вагона и ускоряет износ колесных пар и других элементов тележки.

2. Указанные конструктивные недостатки тележки УВЗ модели 18-100 были впервые выявлены УВЗ и ЦНИИ МПС еще в 1953 – 1955 гг. при проведении комплексных испытаний грузовых вагонов на этих тележках. В дальнейшем, например в трудах ЦНИИ МПС в 1973 г., были подробно обобщены результаты многочисленных исследований различных типов тележек. Вновь было показано, что тележка 18-100 по ряду параметров уступает аналогичным тележкам США, и сформулированы требования к ее конструктивной модернизации. Однако до настоящего времени эта работа в необходимом объеме не выполнена, что наносит громадный экономический ущерб железнодорожному транспорту России.

3. На тележке УВЗ модели 18-100 применяются буксы, опорные поверхности которых неудовлетворительно взаимодействуют с опорными поверхностями буксовых проемов боковых рам, что приводит к ускоренному неравномерному износу, заклиниванию, смещениям и т. д., обусловливая этим перегрузку роликовых подшипников и перекос колесных пар относительно рамы тележки с соответствующими отрицательными последствиями. Корпуса букс не снабжены сменными износостойкими накладками и неремонтопригодны. Применяемые технологии наплавки изношенных поверхностей корпусов букс часто приводят к деформированию посадочных поверхностей под установку подшипников.

4. Предпринимавшиеся попытки ликвидации конструктивных недостатков данного буксового узла не дали положительных результатов. Поэтому можно констатировать, что используемые в настоящее время буксы в тележках 18-100 должны быть заменены буксами более совершенной конструкции, такими, например, которые в течение многих лет предлагаются компанией Timken (США) и с успехом применяются на грузовых вагонах.

5. Связь боковых рам и надрессорной балки в тележке 18-100 обеспечивается за счет работы фрикционных клиньев рессорного подвешивания, и характеристики этой связи, согласно результатам исследований ВНИИЖТа, не обеспечивают гарантированное ограничение забегания боковых рам и перекоса колесных пар. Многочисленные предложения по совершенствованию этой упруго-фрикционной связи не привели к устойчивым положительным результатам. Поэтому можно констатировать, что данная система связи элементов тележки должна быть дополнена системой направляющих и ограничителей перекоса надрессорной балки относительно боковых рам, как, например, в тележке компании Barber.

6. Простейшие жесткие скользуны на надрессорной балке тележки 18-100 необходимо заменить роликовыми, которые легко регулировались бы в эксплуатации без подъемки кузова вагона и имели диагностируемую и ремонтопригодную конструкцию.

7. Необходимо провести комплексные исследования в целях определения целесообразности и эффективности применения, а также оптимальной величины параметров таких элементов опорного соединения кузова вагона и тележки, как упругодемпфирующие скользуны, дополнительные поддерживающие опоры, пятники более сложной конфигурации с увеличенными размерами опорного соединения пятник — подпятник, с учетом опыта компании Barber и особенностей эксплуатации грузовых вагонов на отечественных железных дорогах.