Автосцепка СА-ЗТ для вагонов тяжеловесного движения: особенности конструкции и технологии изготовления

Внедрение тяжеловесного грузового движения входит в число задач «Стратегии развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года» как одно из приоритетных направлений, позволяющих повысить эффективность работы железных дорог.

 

Перечень основных направлений для научных исследований и конструкторских разработок, обеспечивающих создание грузовых вагонов для тяжеловесного движения, был сформулирован на основе анализа вариантов развития вагоностроения еще в 2013г. В числе необходимых мер были выявлены разработка и внедрение новой автосцепки с увеличенной по вертикали областью сцепления.

 

Конструкцией автосцепки модели СА-3, массово применяемой на железных дорогах более 70 лет без существенных изменений, обеспечиваются сцепление и исключение разъединения вагонов при движении поезда в случае, если перед сцеплением разница по высоте между автосцепками не превышает 100 мм. Причиной такого ограничения является необходимость обеспечить достаточную величину площадки перекрытия замков. При превышении установленной разницы сцепление будет ненадежным, и при проходе по криволинейным участкам пути может произойти саморасцеп.

 

Ограничение вертикальной области сцепления автосцепки СА-3 не позволяет уменьшить жесткость подвешивания тяжеловесного грузового вагона, что в свою очередь необходимо для выполнения требований ГОСТ Р 55050-2012, устанавливающего нормы воздействия на железнодорожный путь.

 

В рамках комплекса научно- исследовательских и опытно-конструкторских работ специалистами ООО «ВНИЦТТ» разработаны автосцепка модели СА-ЗТ, а также конструкции и технологии изготовления комплекта деталей и узлов автосцепного устройства для применения в составе тяжеловесного грузового вагона. В АО «Тихвинский вагоностроительный завод» (ТВСЗ) освоено производство содержащихся в автосцепном устройстве ответственных литых деталей.

 

Автосцепка СА-ЗТ проектировалась совместно с другими составными частями автосцепного устройства, обеспечивающими ее монтаж и функционирование в составе грузового вагона. В результате создан комплект изделий для тяжеловесного подвижного состава, включающий: усиленный клин тягового хомута, плиту упорную, хомут тяговый, центрирующий прибор подпружиненного типа. В составе автосцепного устройства применяются поглощающие аппараты по ГОСТ 32913-2014 и типовой в настоящее время расцепной привод с блокировочной цепью.

 

Конструкция автосцепки СА-ЗТ позволяет расширить вертикальную область надежного сцепления на 70 мм в сравнении с автосцепкой СА-З. Основные конструктивные изменения коснулись корпуса: для увеличения контура вертикального зацепления смежных автосцепок корпус автосцепки СА-ЗТ обладает увеличенным до 510 мм по высоте малым и уменьшенным до 170 мм большим зубьями. Одновременно на соответствующую величину развита высота замка. Остальные детали механизма сцепления автосцепки СА-ЗТ аналогичны конструкции автосцепки СА-З и могут быть применены по ГОСТ 32885-2014.

 

Наряду с расширенными функциональными характеристиками, автосцепка СА-ЗТ обладает увеличенными прочностью и ресурсом. Тяговые поверхности большого и малого зубьев корпуса и замыкающая поверхность замка изготавливаются с применением технологии поверхностной закалки, повышающей износостойкость.

 

Сцепляемость автосцепки СА-ЗТ с существующими на сети автосцепками обеспечивается стандартным контуром зацепления по ГОСТ 21447-75. Для оценки работоспособности механизма сцепления и проверки сцепляемости автосцепки СА-ЗТ с аналогичной автосцепкой, а также с автосцепкой СА-З были проведены соответствующие расчеты в специализированной программе кинематического и динамического анализа механизмов Siemens NX Motion Simulation. Проверка сцепляемости проводилась при максимальных возможных горизонтальных и вертикальных отклонениях и углах поворота смежных автосцепок.

 

В результате расчетов была установлена картина динамического поведения автосцепок СА-ЗТ и СА-3 при их сцеплении для заданных нормативных отклонений по вертикали, горизонтали и углу поворота в горизонтальной плоскости. На рис. представлен результат расчета последнего шага одного из расчетных случаев сцепляемости автосцепкидля тяжеловесных вагонов СА-ЗТ с автосцепкой СА-З.

При проектировании деталей автосцепного устройства для тяжеловесных вагонов учитывался опыт эксплуатации автосцепного устройства модели СА-З.

 

Анализ наиболее частых повреждений корпуса этой автосцепки в процессе эксплуатации показал, что более 70% приходится на зону шарнирного соединения хвостовика с клином тягового хомута. Поэтому конструкция хвостовика корпуса автосцепки СА-ЗТ в этом месте СА-ЗТ в этом месте изменена таким образом, чтобы снизить возникающие в процессе эксплуатации контактные напряжения.

 

Чтобы оценить напряженно-деформированное состояние корпуса автосцепки для тяжеловесных вагонов при продольных эксплуатационных нагрузках, был проведен конечный-элементный расчет в программе Siemens NX Advanced Simulation. Расчет выполнялся с учетом физической нелинейности, связанной с упругопластическим поведением материала, и геометрической, обусловленной большими деформациями и контактным взаимодействием деталей конструкции.

 

Наибольшие напряжения в корпусе автосцепки СА-3 при центральном сжатии 3,5 МН возникают в зоне проушины хвостовика, что согласуется с данными по наиболее частым повреждениям. Напряжения в аналогичной зоне усиленного хвостовика существенно ниже.

 

Корпус автосцепки относится к наиболее ответственным частям грузового вагона и работает в сложных условиях знакопеременного случайного нагружения, поэтому прогнозирование усталостной прочности (долговечности) этой детали является необходимым условием для обеспечения безопасности при эксплуатации подвижного состава. Высокий уровень расчетных напряжений в наиболее нагруженных зонах корпуса автосцепки обуславливает необходимость использования методов оценки сопротивления усталости в малоцикловой постановке. Оценка долговечности также выполнялась с помощью программного комплекса Siemens NX Advanced Simulation.В качестве исходных данных для расчета на сопротивление усталости использовались амплитудные значения деформаций, полученные из статического расчета напряженно-деформированного состояния корпусов при эксплуатационных нагрузках.

 

Важнейшей характеристикой свойств материала при циклическом нагужении является диаграмма малоцикловой усталости (Басквина-Каффина-Мэнсона), связывающая амплитуды упругой и пластической деформации с количеством циклов до разрушения. С целью получения параметров обобщенной диаграммы Басквина-Каффина-Мэнсона было проведено испытание на малоцикловую усталость образцов стали 20ГЛ, полученных из металла отливки корпуса производства АО «ТВСЗ».

 

В результате расчета были получены картины распределения долговечности корпуса автосцепки для тяжеловесных вагонов. Согласно полученным результатам минимальное значение долговечности наиболее нагруженной зоны проушины вновь проектируемого корпуса автосцепки на 28 лет превышает значение долговечности для корпуса СА-3. Наиболее нагруженной зоной корпуса автосцепки СА-ЗТ при действии растягивающих усилий является зона большого зуба, что соответствует рекомендациям , согласно которым разрушение корпуса автосцепки при действии растягивающего усилия должно происходить в виде излома большого зуба либо раскрытия зева.

 

При проектировании литой детали необходимо принимать во внимание соображения технологичности, а затем разработать литейную технологию, которая позволит проводить отливки, удовлетворяющие предъявляемым техническим требованиям. Для решения этих задач выполнено численное моделирование условий формирования ответственных отливок корпуса и замка автосцепки СА-ЗТ с помощью системы компьютерного моделирования литейных процессов (СКМ ЛП) ProCAST. СКМ ЛП дает возможность многократно «проиграть» на виртуальной модели отливки в форме процессов заливки и затвердевания, наблюдать вероятные проблемы, связанные с возникновением дефектов или использованием неоптимальных решений, что позволяет затем ввести соответствующие целенаправленные корректировки конструкции или технологии литья.

 

Другой технологической проблемой, в рамках решения которой использовались средства компьютерного моделирования, стала задача обеспечения износостойкого слоя глубиной до 3 мм у трущихся при эксплуатации поверхностей деталей автосцепки. С помощью программного обеспечения для термодинамического моделирования фазовых равновесий, структуры и свойств сплавов JMatPro были исследованы характеристики прокаливаемости стали марки 200ГЛ и установлены охлаждения металла из области существования аустенита, позволяющие обеспечить необходимый уровень твердости 40… 52 HRC в формирующейся при этом троостомартенситной структуре.

 

Для обеспечения необходимых условий быстрого нагрева и охлаждения подлежащих обработке участков у тяговых поверхностей малого и большого зубьев корпуса и замыкающей поверхности замка потребовалось привлечь индукционное оборудование. Последующая расчетно-экспериментальная работа показала, что достичь потребных значений твердости можно лишь при максимизации скорости обработки токами высокой частоты с незамедлительным интенсивным орошением водой.

 

Для этих целей была построена экспериментальная, а затем и автоматизированная промышленная установка, работающая по принципу непрерывно-последовательной закалки. В составе установки предусмотрен элемент для оптического сканирования обрабатываемой поверхности, задающий в случае обработки каждой новой сцепки или замка индивидуальную, учитывающую мельчайшие особенности детали, траекторию перемещения индуктора вдоль требующей обработки поверхности.

 

В процессе продвижения индуктора разогревается находящийся в непосредственной близости узкий фрагмент металла, и сразу после этого следует его интенсивное спреерное охлаждение. Процесс получения закаленного слоя на одной детали занимает лишь несколько минут. Далее проводится низкий отпуск в печи для снятия остаточных напряжений.

 

Разработанный метод создания износостойкого слоя, в сравнении с известным способом твердосплавной наплавки, отличают простота получения и гарантия сохранения размерной точности, поскольку она наследуется от исходной литой детали.

 

Для оценки разработанной конструкции автосцепки СА-ЗТ в рамках опытно- конструкторских работ был проведен комплекс испытаний опытных образцов. Исследования включали ресурсные и статические испытания корпусов автосцепки и автосцепки в сборе, испытания по проверке обеспечения сцепляемости автосцепки СА-ЗТ. Все эти испытания проведены с учетом взаимодействия автосцепок СА-ЗТ как между собой, так и с автосцепкой модели СА-З при максимальных вертикальных смещениях, допускаемых конструкцией автосцепки СА-ЗТ. Результаты опытно-конструкторских работ получили положительную оценку приемочной комиссии.

 

Р.А. Савушкин, канд. техн. наук, ПАО «НПК ОВК»

А.М. Орлова, д-р техн. наук, ПАО «НПК ОВК»

М.А. Кудрявцев, ООО «ВНИЦТТ»

С.А. Пономарев, ООО «ВНИЦТТ»

О.А. Бройтман, канд. техн. наук, ООО «ВНИЦТТ»

Ю.А. Безобразов, ООО «ВНИЦТТ»

Новости отрасли


АРХИВ >>



Публикации ВНИЦТТ

26.09.2017
«Гудок»


АРХИВ >>