Рекомендуем прочитать

07.08.2009|12:28

Тележка для грузовых вагонов нового поколения с повышенными осевыми нагрузками

 

Технические характеристики тележки модели 18-194-1 (рис. 1).

Тип тележки - двухосная с центральным рессорным подвешиванием

рисунок 1 - Тележка 18-194-1
Рис. 1
Тележка 18-194-1

Максимальная статическая нагрузка от колесной пары на рельсы - 25 тс

Конструкционная скорость - 120 км/ч

Масса - 4,83 т

База тележки - 1850 мм

Диаметр подпятника - 350 мм

Высота от уровня головок рельсов до опорной поверхности - 818 мм

Тип скользуна - упруго-катковый или упругий

Гибкость рессорного подвешивания в вертикальной плоскости без учета сил трения:

  • I ступени - 2,55 мм/тс
  • II ступени - 1,31 мм/тс

Габарит по ГОСТ 9238-83 - 02-ВМ

Пробег до первого деповского ремонта - 500 тыс. км

Многолетний опыт эксплуатации грузовых тележек в США, Канаде, России и других странах показывает, что трехэлементные тележки с нежесткой рамой обладают более высокой степенью устойчивости от схода с рельсов при проходе перекосов и просадок пути. Конструктивно данные тележки более просты, а дополнительные конструктивно-технологические решения, реализованные в тележке 18-194-1, позволили значительно снизить влияние недостатков, свойственных трехэлементным тележкам. Кроме того, максимально использованы конструктивные решения, опробованные в эксплуатации с учетом освоенных технологических процессов в литейном производстве и при обслуживании и ремонте в эксплуатации.

рисунок 2 - Объемная конечно-элементная модель боковой рамы
         тележки
Рис. 2
Объемная конечно-элементная модель боковой рамы тележки

Тележка имеет усиленную конструкцию литых несущих деталей (боковые рамы, надрессорная балка), изготовленных из стали 20ГЛ (20 ФТЛ) с использованием технологии холодно-твердеющих смесей (ХТС), которые имеют повышенный коэффициент запаса усталостной прочности. Ответственные несущие детали на этапе разработки подвергались комплексным расчетно-экспериментальным исследованиям. Использование последних технологий трехмерного моделирования (Solid Works) и конечно-элементного анализа (ANSYS) для оптимизации напряженного состояния боковой рамы – одной из самых проблемных деталей грузовых тележек – позволили разработать конструкцию с повышенными показателями прочности и ресурса. (рис. 2).

Расчетные схемы боковой рамы назначались исходя из "Норм для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных)", расчетные эквивалентные напряжения по Мизесу представлены на рис. 3. Аналогичные исследования проведены для надрессорной балки тележки. Параллельно проводились экспериментальные исследования статической и усталостной прочности натурных деталей. На рис. 4 приведены результаты усталостных испытаний литых несущих деталей тележки с осевой нагрузкой 25 тс.

рисунок 3 -  Распределение эквивалентных напряжений по Мизесу в конструкции боковой
         тележки
Рис. 3
Распределение эквивалентных напряжений по Мизесу в конструкции боковой тележки

рисунок 4 - Усталостная прочность литых несущих деталей тележки 18-194-1
Рис. 4
Усталостная прочность литых несущих деталей тележки 18-194-1

Для повышения стабильности геометрических параметров боковой рамы и надрессорной балки в эксплуатации, а также уменьшения износов предусмотрена механическая обработка всех фрикционных поверхностей этих деталей. Боковая рама имеет уменьшенную ширину буксового проема и снабжена предохранительным устройством, исключающим возможность выхода колесных пар из буксовых проемов. Усиленный нижний пояс, концевые части коробчатого сечения и перемычка между вертикальными стенками в зоне нижнего угла рессорного проема увеличивают прочность конструкции и значительно повышают эксплуатационный ресурс боковой рамы.

Механическая обработка поверхностей под фрикционные планки позволяет устанавливать на боковую раму составные фрикционные планки из стали 30ХГСА - прикрепляемые к боковой раме фрикционные планки толщиной 16 мм и свободно устанавливаемые на них и на ограничители боковой рамы контактные планки толщиной 10 мм. За счет подобранной твердости элементов стабилизируется работа гасителей колебаний, в 1,5-2 раза уменьшается износ пары трения "фрикционная планка-клин".

Усилена конструкция надрессорной балки, в первую очередь верхний пояс и среднее ребро. Для установки боковых скользунов на балке предусмотрены механически обработанные площадки с резьбовыми отверстиями, а также технологи-ческие окна. Подпятник оборудован износостойкой чашей толщиной 6,5 мм из термоупрочненной стали 30ХГСА. Установка чаши производится с выполнением ограничителей, предохраняющих от проворота и выпадания, наплавленных на бурт подпятника в местах вырезов на бурте чаши. Проработан вариант с механическим креплением чаши, свободно устанавливаемой на поверхность плоского подпятника диаметром 350 мм. На основании экспериментальных исследований и эксплуатационных испытаний установлено, что применение чаши уменьшает износ наружного бурта и опорной поверхности подпятника в 3-5 раз.

В конструкции центрального подвешивания тележки использован пружинный комплект с билинейной силовой характеристикой, обеспечивающей увеличенный до 75,5 мм прогиб под брутто груженого вагона. Минимальный прогиб под тарой порожнего вагона составляет 21 мм, что обеспечивает хорошие показатели вертикальной динамики, повышает безопасность движения, обеспечивает меньшую чувствительность динамических показателей порожнего вагона к износу клиньев. Применение под фрикционными клиньями пружин увеличенной высоты создает необходимую силу их прижатия для обеспечения как лучшего демпфирования, так и повышенного сопротивления забеганию боковых рам.

Упруго-фрикционная связь клиньев с надрессорной балкой обеспечивает исключение контакта "металл по металлу" и в сочетании с оптимально выбранной жесткостью пружинного комплекта стабилизирует работу гасителей колебаний, улучшает показатели вертикальной и горизонтальной динамики вагона, полностью исключает износ надрессорной балки, снижает воздействие на путь. Сочетание материалов и твердости поверхностей уширенного клина (высокопрочный чугун ВЧ-120) и фрикционной планки (износостойкая сталь ЗОХГСА) боковой рамы обеспечивает ресурс более 500 тыс. км пробега для пары трения фрикционного гасителя колебаний. Состав износостойкого чугуна подобран с учетом оптимального износа клиньев. Как показал пятилетний опыт эксплуатации на железных дорогах тележек 18-578, такой чугун обеспечивает значительное увеличение ресурса узла фрикционного гасителя колебаний и не подвержен хрупкому разрушению при низких температурах. Увеличение ширины фрикционных клиньев также повышает связанность боковых рам с надрессорной балкой тележки, что уменьшает величину забегания боковых рам и момент сил, опрокидывающих клин.

Колесная пара оборудуется двухрядными коническими подшипниками кассетного типа TBU 150x250x160 (ОАО "ЕПК"). Предусмотрено также применение кассетного подшипника "SKF" (Швеция). Эти подшипники обеспечивают межремонтный пробег 800 тыс. км и не требуют технического обслуживания и ремонта. Ось колесной пары изготавливается из непрерывнолитой вакуумированной стали с гарантированным значением минимального предела текучести 400 МПа и увеличенным коэффициентом запаса усталостной прочности шейки. Цельнокатаные S-образные колеса с дробеструйным упрочнением дисков и повышенной твердостью обода увеличивают срок службы в 1,5-2 раза.

рисунок 5 -  Установка боковых рам на адаптер кассетного подшипника
         через износостойкую упругую вставку
Рис. 5
Установка боковых рам на адаптер кассетного подшипника через износостойкую упругую вставку

рисунок 6 Скользуны постоянного контакта тележки 18-194-1
Рис. 6
Скользуны постоянного контакта тележки 18-194-1

Колесные пары устанавливаются в буксовые проемы боковых рам при помощи адаптеров с углом обхвата кассетного подшипника в пределах 80° (рис. 5). Применение адаптеров уменьшенных габаритов снижает неподрессоренную массу тележки, улучшает динамику вагона. Адаптер оборудован упругой полимерной износостойкой вставкой, предохраняющей от износа опорные и упорные поверхности адаптера и боковой рамы и создающей систему первичного подвешивания тележки. Упругая вставка адаптера способствует возвращению колесных пар в исходное положение после перекоса при прохождении кривых участков пути и гашению вертикальных высокочастотных колебаний, что положительно влияет на долговечность боковой рамы. Применение упругой вставки вместе с уменьшенной шириной буксового проема минимизирует угол набегания колесных пар на рельс, а также тенденцию к их несоосной установке, что уменьшает износ гребней колес и рельсов. Более равномерное распределение нагрузки на подшипник повышает его долговечность, снижается сопротивление качению.

Упруго-катковые или упругие скользуны постоянного контакта тележки 18-194-1 обеспечивают эффективное гашение колебаний виляния и снижение износов колесных пар (рис. 6). Упругие элементы скользунов в вертикальном направлении обеспечивают гашение колебаний перевалки кузова на тележках. При этом значительно снижается уровень динамичных напряжений в конструкции шкворневого узла вагона и подпятника тележки, обеспечивается пониженное динамическое воздействие на путь.

Тормозная рычажная передача обеспечивает одностороннее нажатие триангелей на каждую колесную пару и оборудована устройством направленного отвода колодок от колес при отпущенном тормозе, что способствует их равномерному износу. Используется триангель с безрезьбовым креплением тормозных башмаков и наконечников. Крепление осуществляется цанговым замком с полимерным упругим элементом.

Эксперименты, результаты ходовых испытаний и испытаний по воздействию на путь полувагона 12-196-01 на тележках 18-194-1 показали, что воздействие на путь вагонов на данных тележках при осевой нагрузке 25 тс практически такое же, как у серийных на тележках 18-100 при осевой нагрузке 23,5 тс. Критическая скорость вагона в состоянии поставки – более 110 км/ч, что говорит о возможности использования выбранной конструктивной схемы трехэлементной тележки для разработки тележки с осевой нагрузкой 27 тс для скоростей движения 90 км/ч. Для дальнейшего увеличения осевой нагрузки (до 30 тс) необходимы новые технические решения.

Полувагоны 12-196-01 на тележках 18-194-1 прошли полный цикл приемочных испытаний, а основные узлы и детали тележки – стендовую отработку по параметрам прочности и ресурса. Проведенные ходовые, динамико-прочностные и по воздействию на путь испытания, отдельные результаты которых представлены на рис. 7–9, свидетельствуют, что динамические показатели полувагона на тележках 18-194-1 удовлетворяют требованиям "Норм…." и в основном, не превышают показатели вагона-эталона на тележках 18-100, в том числе по воздействию на путь и стрелочные переводы. Из представленных зависимостей также видно, что вследствие оптимально выбранных параметров рессорного комплекта тележек 18-194-1 для них в интервале скоростей 60-120 км/ч коэффициенты вертикальных добавок по обрессоренным массам были значительно ниже по сравнению с тележкой 18-100.

Коэффициенты вертикальных динамических добавок по обрессоренным
         массам при движении полувагонов в порожнем состоянии (Кдп) (прямая)
Рис. 7
Коэффициенты вертикальных динамических добавок по обрессоренным массам при движении полувагонов в порожнем состоянии (Кдп) (прямая)

Коэффициенты вертикальных динамических добавок по необрессоренным массам при
         движении полувагонов в груженом состоянии (Кдг) (кривая R=350 м)
Рис. 8
Коэффициенты вертикальных динамических добавок по необрессоренным массам при движении полувагонов в груженом состоянии (Кдг)
(кривая R=350 м)

Рамные силы (Нр) при движении полувагонов в груженом состоянии
         (кривая R=350 м)
Рис. 9
Рамные силы (Нр) при движении полувагонов в груженом состоянии
(кривая R=350 м)

 

Пробеговые испытания тележек на Экспериментальном кольце ВНИИЖТа показали, что межремонтный пробег их основных узлов и деталей достигает 750 тыс. км. Таким образом, тележка обладает улучшенными ходовыми качествами и повышенным ресурсом основных узлов, деталей и пар трения, что снижает расходы на содержание вагонов, повышает безопасность движения поездов, увеличивает скорость доставки грузов.

На тележку 18-194-1 получен сертификат соответствия СС ФЖТ. Первые 420 универсальных полувагонов 12-196-01 повышенной грузоподъемности на тележках 18-194-1 уже эксплуатируются на сети железных дорог. Грузовые вагоны, в конструкции которых используется тележка 18-194-1, за счет повышения грузоподъемности и надежности ходовой части имеют повышенные технические и коммерческие параметры и будут востребованы на рынке подвижного состава.

Создание перспективных грузовых тележек с повышенной осевой нагрузкой является наиболее актуальной и наукоемкой задачей в комплексе работ по разработке вагонов нового поколения. Повышение осевых нагрузок и скоростей движения грузовых вагонов для решения важнейшей проблемы – повышения провозной и пропускной способности железных дорог будет экономически эффективным только при условии, что новые грузовые тележки будут оказывать "щадящее" воздействие на путь.

 

В.П. ЕФИМОВ, главный конструктор ОАО "НПК "Уралвагонзавод", кандидат технических наук,
А.А. ПРАНОВ, заместитель главного конструктора,
А.Н. БАРАНОВ, заместитель главного конструктора,
К.А. БЕЛОУСОВ, начальник отдела

Железнодорожный транспорт №6/2009

Версия для печатиОтправить по почтеКод для блога
screenRenderTime=1