Оценка возможности и эффективности повышения осевых нагрузок грузовых вагонов
Производительность вагона напрямую связана с грузоподъемностью, которая зависит в первую очередь от допустимой осевой нагрузки. В связи с этим выбор максимально допустимой осевой нагрузки - важнейший фактор, определяющий технико-экономические характеристики проектируемых вагонов. Вопрос о ее величине обсуждается многие десятилетия. Известен положительный зарубежный опыт тяжеловесного движения с вагонами, имеющими осевые нагрузки, превышающие 35 тс. В ряде публикаций авторов данной статьи на базе теоретических расчетов доказывалась техническая возможность и экономическая целесообразность повышения осевых нагрузок. С другой стороны, многие ученые и специалисты в России считают, что повышение осевых нагрузок свыше 25 тс вызовет существенное увеличение расходов на содержание пути, которое превышает доходы от улучшения технико-экономических параметров вагонов. В подтверждение своих доводов они приводят результаты отрицательного опыта увеличения осевой нагрузки до 25 тс на тележках 18-100 в 80-х годах или результаты испытаний перегруженных вагонов на нагрузку, превышающую расчетную.
Сравнение вагонов с осевой нагрузкой 25 тс
К настоящему времени разработан и испытан ряд грузовых вагонов, специально спроектированных под осевую нагрузку 25 тс, которые устанавливают на тележки моделей 18-194-1 (АО «НПК «Уралвагонзавод»); 18-9855 (АО «ТВСЗ»); 18-9800 (АО «ВНИКТИ»), В данной статье приводятся некоторые результаты испытаний вагонов производства АО «Тихвинский вагоностроительный завод» (АО «ТВСЗ»).
В качестве ходовых частей вагонов АО «ТВСЗ» используется тележка 18-9855, которая имеет существенные отличия от тележки самой массовой модели 18-100 с осевой нагрузкой 23,5 тс. Новые технические решения, заложенные в тележке 18-9855 (боковые упругие скользуны постоянного контакта, колесные пары повышенной твердости с криволинейным диском, кассетный конический подшипник с опиранием боковой рамы через адаптер, износостойкая полимерная прокладка в пятниковом узле), обеспечивают снижение динамических сил на путь и отсутствие их роста по мере износа фрикционных гасителей в процессе эксплуатации.
Для подтверждения обеспечения тележкой модели 18-9855 с осевой нагрузкой 25 тс безопасности движения в составе вагонов различных типов и в составе поездов, а также заявленных эксплуатационных показателей тележки проведены экспериментальные исследования, к которым привлечены ведущие испытательные центры России (АО «ВНИКТИ», АО «ВНИИЖТ», ООО «ИЦ ВЭИП», АО «ИЦ ТСЖТ», ООО «ТИЦ ЖТ», ООО «ИЦПС», ФГУП «НИИ мостов», ИЦ АО «НВЦ «Вагоны»), Испытаны все основные типы вагонов: полувагоны, вагоны-цистерны, вагоны-платформы, крытые вагоны и вагоны-хопперы. В рамках работ по оценке воздействия на путь вагонов с осевой нагрузкой 25 тс были проведены сравнительные испытания полувагонов на тележках 18-9855 в новом состоянии и с пробегом 300 тыс. км от постройки без ремонта и обточки колесных пар. В результате испытаний по полученным показателям воздействия на путь было доказано, что вагоны с увеличенной осевой нагрузкой оказывают меньшее воздействие на путь, чем вагоны на тележках 18-100. Это было достигнуто за счет снижения вертикальной динамической добавки обрессоренных частей и боковой качки вагона. В итоге разработчики конструкции добились снижения суммарной вертикальной динамической силы, действующей на путь, у тележки 18-9855 по сравнению с тележкой 18-100, а также снижения и боковой силы.
Отделом испытаний мостов и конструкций ФГУП «НИИ мостов» для оценки воздействия вагонов с осевой нагрузкой 25 тс на путь были проведены исследования пролетных строений, которые показали, что динамическое воздействие на мостовые конструкции вагонов на тележках модели 18-9855 меньше, чем вагонов на тележках 18- 100. Это объясняется тем, что в тележке 18- 9855 применены колесные пары с твердыми колесами и S-образным диском. На твердых колесах при их применении в паре с композиционной тормозной колодкой с чугунной вставкой образуется меньше выщербин и дефектов на поверхности катания, а S-образный диск снижает ударные нагрузки на искусственные сооружения.
Суммируя сказанное выше, можно сделать вывод, что вагоны повышенной грузоподъемности до 75-77 т на тележках 18-9855 с увеличенной до 25 тс статической осевой нагрузкой не оказывают повышенного воздействия на путь и искусственные сооружения (мосты) в новом и изношенном состоянии, а также в составе поездов повышенной массы.
Возможности увеличения статической осевой нагрузки
Для определения возможности дальнейшего увеличения грузоподъемности вагонов были рассмотрены критерии допустимого воздействия на инфраструктуру согласно нормативным документам.
Допускаемая погонная нагрузка для железнодорожных путей общего пользования составляет 10,5 т/м. Эксплуатируемые сейчас цистерны с осевой нагрузкой 23,5 тс имеют погонную нагрузку порядка 8 т/м. Если полувагоны и хопперы с осевой нагрузкой 27 тс будут иметь такую же длину, как типовые конструкции, то погонная нагрузка перспективных вагонов с осевой нагрузкой 27 тс не превысит 7,7 т/м, что меньше погонной нагрузки цистерн эксплуатационного парка. Таким образом, по погонной нагрузке для полувагонов и хопперов ограничений нет.
При повышении осевых нагрузок необходимо снизить динамическую нагрузку на рельсы. На кафедре «Вагоны и вагонное хозяйство» ПГУПС проведена исследовательская работа и определены величины необходимого статического прогиба рессорного подвешивания в зависимости от осевой нагрузки при различных скоростях движения и для разных баз тележки. В результате показано, что в диапазоне скоростей движения до 90 км/ч увеличение прогиба рессорного подвешивания до 90 мм может позволить иметь осевую нагрузку даже 28 тс, а при увеличении базы тележки до двух метров - 29 тс.
Опираясь на проведенные исследования, ООО «ВНИЦТТ» разработало, а АО «ТВСЗ» изготовило тележку модели 18-6863 для осевой нагрузки 27 тс. Для обеспечения непревышения динамической погонной нагрузки вагонов с осевой нагрузкой 27 тс конструкторам пришлось существенно переработать типовую конструкцию тележки. В новой тележке модели 18-6863 использовано в 1,5 раза более мягкое рессорное подвешивание, что позволило снизить вертикальную динамику. Расчетный статический прогиб груженого вагона составляет 70 мм, что на 20 мм больше, чем у типовых тележек.
В настоящее время разработаны и проходят сертификацию несколько моделей полувагонов с осевой нагрузкой 27 тс на тележке 18-6863 . Полувагоны имеют улучшенные технико-экономические характеристики. На скоростном испытательном полигоне АО «ВНИИЖТ» проводится комплекс ходовых испытаний и испытаний по воздействию на путь. Планируется, что в начале 2017 года эти вагоны будут проходить эксплуатационные испытания на замкнутом маршруте.
Развитие железнодорожной инфраструктуры ОАО «РЖД» и технологии организации перевозочного процесса ориентированы на организацию движения поездов унифицированной длиной в 71 условный вагон. В этом случае вес поезда составит 7 700 т. Значительные преимущества от курсирования вагонов можно получить и на участках с полезной длиной приемоотправочных путей в 56 условных вагонов. Масса поезда на таких участках может быть повышена до 6 050 т без увеличения длины поезда, без дополнительных ограничений на пропуск по таким участкам.
По нашему мнению, применение полувагонов с повышенной нагрузкой на ось является важным направлением экономии затрат ОАО «РЖД» и получения дополнительных доходов собственника вагонов. Для решения этой задачи необходим комплексный подход, связанный как с улучшением ходовых качеств вагонов, так и завершением подготовки пути и искусственных сооружений к обращению грузовых поездов с осевыми нагрузками 27 тс.
Полученные выводы
Инновационные вагоны на современных тележках 18-9855 (Barber S-2-R) с осевой нагрузкой 25 тс оказывают меньшее воздействие на путь, чем вагоны старых типов на тележках 18-100. По результатам испытаний:
- вертикальная сила от колеса на рельсы у вагонов на тележках 18-9855 не превышала 163,8 кН, в то время как у вагона на тележках 18-100 она достигала 167,3 кН (+2%);
- боковая сила у вагонов на тележках 18-9855 не превысила 70кН, в то время как у вагона на тележках 18-100 составила 80 кН (+12,5%).
Создание инновационных вагонов с осевой нагрузкой 27 тс требует увеличения статического прогиба рессорного подвешивания тележек до 70-90 мм и допустимой разницы высот автосцепок до 140 мм у порожнего и груженого вагонов. Созданные на АО «ТВСЗ» новая тележка и автосцепка в определенной мере отвечают этим требованиям. Следует ожидать, что проводимые испытания позволят подтвердить возможность эффективной эксплуатации вагонов грузоподъемностью более 83 т.
Ю. П. Бороненко, д.т.н., проф., зав. кафедрой «Вагоны и вагонное хозяйство» ФГБОУ ВО ПГУПС
А.В.Третьяков, д.т.н., проф. кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» ФГБОУ ВО ПГУПС
М. В. Зимакова, к.т.н., начальник отдела ходовых испытаний АО «НВЦ «Вагоны»