Неисправность «излом пружин» не является «технологической»

Бороненко Ю.П., Романова А.А., Меркушев С.В. (ФГБОУ ВО ПГУПС, г. Санкт-Петербург, Россия)

За первый квартал 2021 года на сети железных дорог из-за излома пружин отцеплено 953 вагона, прошедших плановые виды ремонта в вагонных ремонтных депо АО «ВРК-3» и ООО «ТВМ». Средний возраст подвижного состава составил 12 лет 3 месяца, что примерно соответствует среднему возрасту подвижного состава, эксплуатируемого на сети железных дорог – 12,5 лет. Из них 639 полувагонов (66,8%), 137 крытых (14,3%), 110 цистерн (11,5%) и 67 прочие (7%). Данные приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Изломы пружин тележек грузовых вагонов в 1-ом квартале 2021 года прошедших ранее ремонт в вагонных ремонтных депо АО «ВРК-3» и ООО «ТВМ» в зависимости от года начала эксплуатации

Среднеарифметическое время эксплуатации грузового вагона после последнего планового ремонта до отцепки в ТОР по излому пружин составил 1 год 4 месяца. Периодичность проведения ремонта вагонов, выпущенных на пробег 160000 км или срок 3 года, в среднем составляет 2,5 года. Количество отцепов вагонов в ТОР по излому пружин тележек модели 18-100 в течение первых 6 лет эксплуатации вагона составило 29, из которых 8 случаев приходится на период гарантийной ответственности завода изготовителя пружины.

При проведении первых 2-х плановых деповских ремонтов грузовым вагонам на тележках модели 18-100 количество замененных пружин ничтожно мало. Небольшое количество отцепов в ТОР, допущенных в данный период также свидетельствует об их соответствии силовым и геометрическим параметрам в течение первых 5–6 лет эксплуатации. К восьмому году эксплуатации вагона на тележках модели 18-100 количество отцепок вагонов в ТОР по излому пружин прогрессивно растет до 60, как и растет количество сменяемых при третьем плановом ремонте пружин тележек, некоторые вагоны уже неоднократно проходят ремонт из-за неисправности «излом пружин». По достижению 10-го года службы вагона в результате текущих отцепочных и плановых ремонтов фактически происходит частичное обновление пружин рессорных комплектов, что ведет к повышению запаса прочности данного узла и небольшому общему снижению количества отцепок. В 2021 году у пружин, установленных при постройке в 2005 году, истекает срок циклической долговечности по ГОСТ 1452 – 16 лет. Средний срок службы пружин тележек модели 18-100, изготовленных и эксплуатирующихся с 2005 года по настоящее время, до излома составил 10,2 лет, без учета срока службы замененных при плановых видах ремонтах.

При изучении историй выполненных ремонтов вагонам, отцепленных в ТОР по неисправности «излом пружин», прослеживается закономерность, что в 1/4 случаев во время ремонта или при более ранних отцепках устранялись неисправности фрикционных комплектов тележки или поверхностей катания колес, нарушающих нормальное взаимодействие колес с рельсами и способствующих возникновению динамических вертикальных колебаний вагона – ползун, неравномерный прокат, выщербина обода колеса, тонкий гребень, которые в свою очередь отрицательно влияют на работу тележки и ее деталей, в том числе, пружин рессорного комплекта.

Ежегодно от общего числа рекламационных неисправностей тележек грузовых вагонов до 40% приходится на изломы пружин тележек грузовых вагонов, прошедших плановые виды ремонта, что указывает на недостаточность указанных в нормативно-технической документации мер по обеспечению безотказной работы данного узла.

Согласно пункту 2.5 классификатора К ЖА 2005 05 «Основные неисправности грузовых вагонов», неисправность «излом пружин», относится к технологическим, т.е. ее появление в процессе эксплуатации грузового вагона, связывают с качеством изготовления и выполнения плановых и неплановых ремонтов грузовым вагонам в депо, на вагоноремонтных заводах и вагоностроительных заводах, а также качеством подготовки вагона к перевозкам на ПТО.

В 2020 году участниками расследований причин отцепок грузовых вагонов в ТОР по неисправности «излом пружин» в актах рекламаций указывались две причины возникновения дефекта:

– излом пружины из-за разницы высоты пружин рессорного комплекта более установленного требованиями пункта 11.3 РД 32 ЦВ 052-2009 (более 4 мм);

– излом пружины по старой трещине.

Неисправность относили к технологической, а ответственность на ремонтное предприятие.

Правильно ли отнесение этих изломов на ответственность ремонтные придприятия?

Высоту изломанной пружины в большинстве случаев опрелить возможно, приложив отломанный конец (хотя методика таких измерений отсутствует). Установить же наличие или отсутсвие трещин в витках пружин на момент ремонта в депо по истечению некоторого времени в эксплуатации невозможно, так как время от момента возникновения микротрещины на поверхности витка пружины, до ее излома скоротечно, что обусловлено свойствами марок стали, из которых изготавливаются пружины.

Определить причину излома новой пружины, допущенного в период эксплуатации вагона до первого планового ремонта просто, так как у изготовителя вагона в наличии сертификаты и паспорта качества на установленные пружины, а значит можно провести более точный анализ и определить изготовителя пружины, марку стали, партию и выявить производственные дефекты. Здесь подходит классификация, указанная в Приложении Е ГОСТ 32208. Если пружина сломается по усталостной схеме в первые четыре года, то это будет следствием грубого нарушения условий изготовления пружины дефекты материала прутка, обезуглероживание, отсутствие дробенаклепа или отпуска. То есть нормальная пружина не должна сломаться по схеме классического усталостного излома в период гарантийного срока эксплуатации.

Установить причину излома после планового ремонта сложнее. Причиной отказов пружин в эксплуатации по истечению гарантийного периода эксплуатации (более 4 лет, но в пределах срока службы) является излом опорного витка, занимающий почти 2/3 всех случаев рекламации. Причем чаще происходит излом нижнего опорного витка. В эксплуатации подклиновые пружины ломаются гораздо быстрее центральных. Данный факт указывает, что месторасположение пружин в рессорных комплектах боковой рамы тележки влияет на их работу.

Согласно требованиям пункта 18.4 ремонтной документации РД 32 ЦВ 052-2009, при выпуске из планового ремонта тележки обеспечивается занижение фрикционных клиньев до 12 мм ниже относительно опорной поверхности надрессорной балки, а разность высот пружин в рессорном комплекте не должна быть более 4 мм.

Таким образом, величина статического прогиба подклиновой пружины изначально допускается больше на 12–16 мм, что увеличивает не только статическую нагрузку в среднем, но и величину динамического воздействия на пружины. Такие условия эксплуатации подклиновых пружин приводят к увеличению нагрузки на них, но необходимы для обеспечения гашения колебаний и плавности хода вагона.

В связи с этим возникают вопросы:

- Как влияет разность высот пружин и величина занижения клина на нагрузки на пружины?

- Правильно ли назначен срок службы пружин 16 лет?

- Справедливо ли отнесение изломов пружин на некачественный ремонт тележки ремонтным предприятием?

Для ответа на эти вопросы ФГБОУ ВО ПГУПС и АО «НВЦ «Вагоны» были проведены расчеты нагрузок на пружины в зависимости от сочетаний допусков.

С целью определения возможных причин излома пружин был выполнен расчет напряжений, возникающих в пружинах рессорного комплекта от вертикальных и боковых сил при эксплуатации вагона.

Расчет напряжений производился в соответствии с «Нормами для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных)» 1996 г.

В расчете пружинам – 7 пар, каждая составлена из одной наружной и одной внутренней пружины - был присвоены условные индексы (номера) i со значениями от 1 до 14. Внутренним пружинам присвоены индексы i=1, 3, 5, 7, 9, 11 и 13. Наружные пружины получили индексы i=2, 4, 6, 8, 10, 12 и 14. При этом подклиновые наружные и внутренние пружины имеют индексы соответственно i=11 и 13 и i=12 и 14. В составе рессорного комплекта наружные и внутренние пружины расположены попарно с индексами i соответственно 1–2, 3–4, 5–6, 7–8 и т.д. Подклиновые пары имеют индексы 11–12 и 13–14.

В качестве исследуемых в расчете были условно выбраны две пружины комплекта: подклиновая i=11 и неподклиновая i=8. Высота этих двух пружин в расчете может принимать значения, отличные от высоты остальных пружин комплекта.

Расчет производился для величины нагрузки на рессорный комплект P=210 кН от действия силы тяжести груженого вагона при массе брутто 94 т (соответствует осевой нагрузке 23,5 тс) в пересчете на один рессорный комплект.

В качестве переменных параметров (варьируемых по величине) в расчете были приняты:

H_св – высота пружины в свободном состоянии, мм. Значение установлено в соответствии с Руководящим документом «Ремонт тележек грузовых вагонов» РД 32 ЦВ 052-2009 и задано в настоящем расчете в виде четырех значений: 247 мм, 249 мм, 253 мм и 256 мм. Высота всех пружин комплекта в каждом варианте расчет принимается единой и равной одному из четырех значений за исключением пружин i=8 и i=11, высота которых в каждом варианте расчета может отличаться от высоты остальных пружин.

Δy – допускаемое занижение клиньев, мм. Установлено в диапазоне значений 4…12 мм и задано в произведенном расчете в виде двух значений: 4 мм и 12 мм.

Результаты расчетов касательных напряжений в пружинах (режим III) при занижении клиньев на 12 мм приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Суммарные напряжения в наружной пружине от действия вертикальной и боковой силы при динамическом нагружении (режим III) с занижением клиньев 12 мм

Из таблицы 2 видно, что при занижении клиньев на 12 мм и разности высот подклиновой пружины с остальным комплектом уже более 2 мм, наблюдается превышение допускаемых напряжений (  Мпа). Даже при допустимой разнице высот пружин 4 мм возможно превышение допускаемых напряжений. Это объясняет факт более частых изломов подклиновых пружин.

Результаты расчета касательных напряжений в пружинах при занижении клиньев на 4 мм приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Суммарные напряжения в наружной пружине от действия вертикальной и боковой силы при динамическом нагружении (режим III) с занижением клиньев 4 мм

Анализ результатов расчетов касательных напряжений, приведенных в таблице 3 показывает, что при занижении клина на 4 мм, в сравнении с занижением клина на 12 мм, уровень напряжений в подклиновых пружинах снижается, а остальных – повышается. Превышение касательных напряжений наблюдается только при разности высот основного комплекта и подклиновой пружины 9 мм. Это свидетельствует о необходимости избегать большого занижения клиньев и строго соблюдать правил подбора пружин по высоте.

Выводы

1. При расчетах аналитическим методом установлено, что напряжения в пружинах рессорного комплекта тележки 18-100 при занижении клина на 12 мм могут превышать допускаемые значения даже при правильном подборе пружин в одном комплекте и отсутствии нарушений со стороны работников ремонтного предприятия.

2. Указанный в ГОСТ 1452-2011 срок службы не менее 16 лет без указания гамма-процентного ресурса представляется не вполне обоснованным для выпускаемых пружин. Он переносит ответственность за пределами гарантийного срока с изготовителя на ремонтное предприятие.

3. Отнесение неисправности «излом пружин» по истечению срока гарантийной ответственности изготовителя к «технологической» с отнесением ответственности на вагоноремонтное предприятие, при отсутствии грубого нарушения правил подбора пружин, является ошибочным.

4. Для определения реального срока службы пружин необходимо перейти на уточненный метод расчета пружин на МКЕ и провести коррекцию ГОСТов на пружины подвижного состава.

______________________________________________________________________________________________________________

Из материалов XV Международной научно-технической конференции «ПОДВИЖНОЙ СОСТАВ XXI ВЕКА (ИДЕИ, ТРЕБОВАНИЯ, ПРОЕКТЫ)