Комплексный анализ тележек грузовых вагонов

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ ТЕЛЕЖЕК ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ С ОСЕВОЙ НАГРУЗКОЙ 25 ТС

Саидова А.В. (ФГБОУ ВО ПГУПС, г. Санкт-Петербург, России), Дробжев С.М. («РМ Рейл», г. Саранск, Россия)

Статья посвящена обзору номенклатуры и комплексному анализу технического уровня эксплуатирующихся на сети железных дорог РФ тележек грузовых вагонов тип 3 ГОСТ 9246-2013 с осевой статической нагрузкой 25 тс. В исследовании приняли участие тележки моделей 18-194-1 (АО «Концерн «Уралвагонзавод»), 18-9836 и 18-9855 (разработки НПК «ОВК», выпускаются АО «ТВСЗ») и 18-9800 (разработка ОАО «ВНИКТИ», в настоящее время обновлена, находится в собственности ОАО «РЖД», выпускается АО «Алтайвагон»). Оценка технического уровня велась по различным показателям – технико-экономическим, показателям динамических качеств, воздействия на путь, надежности и ремонтопригодности. Исследование дополнено рассмотрением патентной чистоты конструкций, возможности нарушения ими прав третьих лиц и их степени защиты. В заключении по результатам проведенного анализа тележкам присвоены рейтинговые места, отражающие наиболее и наименее удачные конструкции по общему техническому уровню. Полученные результаты позволяют сформировать вектор дальнейших разработок в области проектирования новых конструкций ходовых частей грузовых вагонов с повышенными осевыми нагрузками.

В РФ максимальная статическая осевая нагрузка, реализуемая в эксплуатации, составляет 25 тс [1]. Эксплуатируются четыре модели тележек – 18-194-1 АО «Концерна «Уралвагонзавод», 18-9836 и 18-9855 НПК «ОВК», выпускаемые АО «ТВСЗ», и 18-9800 разработки АО «ВНИКТИ» (в настоящее время обновлена и находится в собственности ОАО «РЖД»), выпускается АО «Алтайвагон». Все тележки выполнены в виде традиционной трехэлементной конструкции, выпускаются в двух исполнениях – с балкой и без балки авторежима (кроме модели 18-9855 – выпускается в шестнадцати исполнениях, предусмотрена установка тележки в «легкотарных» вагонах и в качестве средней в сочлененных).

Тележки имеют множество конструктивных отличий, главные заключаются в величинах расчетного и полного статических прогибов подвешивания под вагоном с минимальной расчетной массой (в тележках моделей 18-9836 и 18-9855 они увеличены), величине коэффициента относительного трения в рессорном подвешивании (большие значения коэффициентов трения наблюдаются в моделях 18-9836 и 18-9855), применяемых типах скользунов постоянного контакта (в тележках 18-194-1 и 18-9800 – упругие полимерные, в 18-9836 и 18-9855 – пружинные), способах соединения колесных пар с боковыми рамами тележек – в тележках 18-9800 и 18-9836 применяются упругие .вставки, способствующие уменьшению воздействия на путь.

В связи с тем, что в рассматриваемых тележках равное количество осей, одинаковая статическая осевая нагрузка, конструкционная скорость движения и т.д., то сравнение технико-экономических параметров тележек велось по стоимости их изготовления и ремонта и допускаемой Распоряжением [2] скорости движения вагонов на путях Российских железных дорог. Согласно таблице 5.3 Распоряжения [2] допускаемые скорости движения четырехосных грузовых вагонов на тележках моделей 18-194-1, 18-9800, 18-9855 одинаковые и составляют от 55 до 90 км/ч в зависимости от конструкции пути. Результаты сравнения тележек по экономическим показателям приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Сравнение тележек по экономическим показателям

Сравнение масс тележек показывает различия в их величинах до 370 кг, что может способствовать увеличению грузоподъемности вагона менее, чем на 1 %. Эта величина лежит в пределах погрешности веса вагона, поэтому существенного экономического эффекта от снижения массы тележки не наблюдается. Себестоимость изготовления тележек с осевой нагрузкой 25 тс за счет увеличения массы крупного литья и колесных пар, усовершенствования узлов на 20–40 % больше по сравнению с тележкой модели 18-100, а себестоимость планового ремонта за срок службы – на 25–50 %. Анализ экономических параметров позволил условно распределить тележки по местам: 1 – 18-9855, 2 – 18-194-1, 3 – 18-9800 и 18-9836.

Показатели динамических качеств тележек принимались из отчетных материалов по результатам ходовых динамических испытаний полувагонов, установленных на рассматриваемые тележки, проведенных в период с 2017 по 2019 г на СИП «Белореченская-Майкоп» АО «ВНИИЖТ» [3]. Сравнение осуществлялось по основным показателям в соответствие с ГОСТ 33211 [4], приведенным по скоростям движения и участкам пути (таблица 2).

Таблица 2 – Сравнение тележек по показателям динамических качеств

Анализ результатов расчета приведенных показателей позволил условно распределить тележки по местам: 1 – 18-194-1, 2 – 18-9836, 3 – 18-9800, 4 – 18-9855.

Стоит отметить, что для тележки модели 18-9800 наблюдаются существенно повышенные (до 2,75 раз) рамные силы как при движении порожнего, так и груженого вагонов по сравнению с тележками остальных моделей, а в тележке модели 18-9836 наблюдается низкий коэффициент запаса устойчивости от схода колеса с рельса в порожнем режиме (около 1,3 при всех скоростях движения по кривым участкам пути среднего и малого радиусов).

Для сравнения воздействия тележек на путь рассматривались следующие основные показатели – боковая сила, действующая от колеса на рельс, напряжение в наружной кромке подошвы рельса, осевое напряжение в подошве рельса; в стрелочном переводе: напряжения в кромках подошвы рельса в зоне переднего вылета рамного рельса, переводной кривой и остряка [5]. Тележке 18-9800 присвоено первое место, однако оно получено на базе недостаточной выборки результатов испытаний, поэтому эта тележка не участвовала в общем сравнении. Для оставшихся моделей тележек места распределились следующим образом: 1 – 18-9855, 2 – 18-194-1, 3 – 18-9836.

В качестве общих для всех тележек показателей надежности в таблице 3 приведены их нормативные межремонтные сроки. Как видно из таблицы, наибольшие сроки между плановыми ремонтами обеспечены в тележке 18-9855, наименьшие – в 18-194-1 и 18-9800. Дополнительно в [3] оценена вероятность безотказной работы узлов и деталей тележек моделей 18-194-1 и 18-9855 в межремонтный период, что показало существенные преимущества второй.

Таблица 3 – Межремонтные сроки для тележек с осевой нагрузкой 25 тс

Оценка ремонтопригодности тележек велась на основании анализа ремонтной документации на них. В таблице 4 представлены нормативы замены узлов и деталей тележек при проведении плановых видов ремонтов.

Сравнение результатов оценки тележек по ресурсу их деталей и узлов позволило условно распределить тележки по местам: 1 – 18-9855, 2 – 18-194-1, 3 – 18-9800, 4 – 18-9836.

Анализ патентной документации на тележки показал, что все рассматриваемые конструкции, детали и узлы в достаточной степени защищены. В тележке модели
18-9800 главным образом запатентованы узлы и детали, конструкция которых значительно отличается от применяемых в тележках других моделей (например, патент РФ №181833 В61F 1/06 (АО «Алтайвагон»), в котором однозначно указано число рабочих витков пружины рессорного комплекта, ее индекс, патент РФ №2342271 B61F 5/30 (ОАО «ВНИКТИ»), содержащий информацию об упругом амортизаторе, выполненном из эластомера V-образной формы и т.д.). В патентах на узлы тележки 18-194-1 довольно часто встречается защита характеристик в виде диапазонов величин (например, патент РФ №159963 B61F 5/12 (ООО «УКБВ»), который задает допускаемый диапазон суммы индексов пружин каждой двухрядной пружины под фрикционным клином и под надрессорной балкой, патент РФ №195538 В61F 5/52 (АО "НПК «Уралвагонзавод»", ООО «УКБВ»), описывающий возможную толщину полки кронштейна крепления подвесок тормозных триангелей – не менее 12 мм, но и не более толщины стенки кронштейна, длину полки – от 125 до 135 мм, ширину полки – от 117 до 127 мм, и расстояние от середины стенки до середины продольного отверстия – от 72 до 82 мм и т.п.).

Таблица 4 – Сравнение тележек по ресурсу деталей и узлов

Для тележки модели 18-9855 характерны наиболее обобщающие, объемные формулировки формул патентов узлов и деталей, документация охватывает большую номенклатуру элементов конструкции.

Под действующую патентную документацию на тележку 18-9855 могут попадать (нарушать права третьих лиц) тележки моделей 18-9800 и 18-194-1. Тележка модели 18-9800 попадает под действие патента RU 2248897 C2 «Тормозная рычажная передача тележки железнодорожного вагона» (патентообладатель – ФГУП «ПО Уралвагонзавод»).

По патентной чистоте конструкций тележке модели 18-9855 может быть присвоено первое место. Распределение мест между тележками остальных моделей затруднительно, и должно проводиться на основании полноценного отчета о патентном поиске на тележки и их составляющие.

В таблице 6 представлен итоговый рейтинг тележек с осевой статической нагрузкой 25 тс типа 3 ГОСТ 9246-2013, отражающий наиболее / наименее удачную конструкцию по техническому уровню в целом.

Таблица 6 – Итоговый рейтинг тележек с осевой статической нагрузкой 25 тс

Наиболее удачной по техническому уровню можно признать тележку модели 18-9855, имеющую наибольший опыт эксплуатации. Она экономически выгодна при производстве и ремонте, обеспечивает надежную эксплуатацию с наибольшими сроками между ремонтами, хотя и не позволяет наиболее полно расходовать ресурс деталей и узлов, как в тележке 18-194-1, [3], обеспечивает допустимое воздействие на путь и показатели динамических качеств, удовлетворяющих требованиям государственных стандартов. Кроме того, тележка модели 18-9855 отличается от остальных возможностью использования под сочлененными вагонами в качестве средней тележки и в «легкотарных» вагонах с массой 19-21 т. Конструкция тележки и ее узлы защищены большим количеством патентов, тележка не нарушает прав третьих лиц.

К отрицательным характеристикам тележки модели 18-9855 можно отнести обеспечиваемые динамические качества (для коэффициентов динамической добавки обрессоренных и необресоренных частей наблюдаются наибольшие значения в сравнении с остальными тележками), которые в совокупности со всеми показателями не снижают ее рейтингового места в итоговом распределении.

Тележка модели 18-9800 занимает последнее место в общем рейтинге – обеспечивает худшие экономические показатели, требует наибольших затрат на изготовление и ремонт, способствует возникновению повышенных до 2,75 раз по сравнению с остальными тележками рамных сил при движении как в порожнем, так и груженом режимах. Опыт эксплуатации данной конструкции минимален по сравнению с тележками 18-9855 и 18-194-1 и недостаточен для оценки ее надежности, при этом заявляемые межремонтные пробеги наименьшие. Конструкция тележки может попадать под действие патентов третьих лиц.

_____________________________________________________________________________________________________________________________

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