Безопасность движения грузовых поездов и динамические свойства ходовой части вагона

УДК 629.4.027

И. И. Галиев, В. А. Нехаев, В. А. Николаев

БЕЗОПАСНОСТЬ ДВИЖЕНИЯ ГРУЗОВЫХ ПОЕЗДОВ И ДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ХОДОВОЙ ЧАСТИ ВАГОНА

В статье выполнен анализ состояния проблемы обеспечения безопасности движения грузовых поездов в 2010 и 2011 гг. Представлены статистические данные о нарушениях и отказах в работе узлов грузовых вагонов на сети железных дорог ОАО «РЖД». Вскрыты причины, на них влияющие. Приведен способ принципиального решения многих аз обозначенных проблем.

Известно, что основным фактором повышения эффективности функционирования и конкурентоспособности ОАО «РЖД» являются грузовые перевозки, в связи с чем проблемы обеспечения безопасности движения грузовых поездов, повышения маршрутной и участковой скоростей их движения и снижения эксплуатационных расходов на тягу являются крайне актуальными. Несовершенство ходовой части грузовых вагонов является причиной обострения в последнее время взаимосвязанного комплекса проблем, главными из которых являются обеспечение требуемого уровня безопасности движения поездов, снижение интенсивности износа колес и рельсов, уменьшение расхода электроэнергии на тягу поездов и снижение затрат на ремонт подвижного состава и пути. На безопасность движения, работоспособность и надежность подвижного состава влияют прежде всего такие факторы, как динамические свойства системы «экипаж - железнодорожный путь» и качество текущего содержания и ремонта вагонов. Накопление расстройств верхнего строения пути (отклонений от норм его содержания) в свою очередь является источником повышенной динамической нагруженности механической части подвижного состава, приводящей к указанным выше явлениям, т. е. играет роль положительной обратной связи.

Вследствие не отвечающей современным требованиям конструкции ходовой части вагона участковые скорости грузовых поездов на отдельных участках не превышают 48 км/ч, что снижает провозную и пропускную способность этих участков. Существует острая необходимость роста конкурентоспособности железнодорожного транспорта в контейнерных перевозках, доля которых вследствие указанных причин составляет всего 1 % от мирового грузооборота контейнеров несмотря на благоприятные географические условия Транссиба.

Известно, что основой ходовой части грузовых вагонов российских железных дорог является тележка модели 18-100 - ухудшенный, как в свое время отмечал профессор М. Ф. Вери-го [1], аналог американской тележки Барбера, патент на которую получен в далеком 1928 г. -84 года тому назад!

Простые по конструкции и в обслуживании, но морально устаревшие трехэлементные тележки имеют ряд характерных недостатков:

значительная необрессоренная масса (масса необрессоренных узлов, приведенных к колесу, для тележки модели 18-100 равна 930 кг) и высокая частота собственных колебаний в вертикальной плоскости симметрии, что обусловливает повышенное силовое воздействие на раму тележки и на путь и накоплению расстройств верхнего строения пути, влияющих на безопасность движения;

интенсивный износ элементов системы «клин - фрикционная планка», обусловливающий нестабильность и несоответствие диссипативных характеристик рессорного подвешивания в порожнем и груженом состоянии вагона, что также оказывает негативное влияние на безопасность движения поезда;

недостаточный конструктивный зазор между узлами надрессорной балки и боковой рамой тележки в поперечном направлении, приводящий к ударному взаимодействию их эле-

№ 1(9) 2012

ментов, а последней - с элементами буксового узла, что является причиной повреждений торцов роликов, торцового крепления и нагрева буксовых узлов, а в результате - к большому количеству отцепок вагонов по подтвержденному нагреву;

интенсивный износ опорных поверхностей сопрягаемых узлов тележки и пятникового

узла;

увеличенные, по сравнению с тележкой Барбера, продольные и поперечные зазоры между буксами и боковыми рамами, приводящие к параллелограммированию тележки в кривых участках пути и вследствие этого - к увеличению сопротивления движению поезда в кривых, остроконечному накату и подрезу гребня, а также к повышенному износу боковой грани головки наружного рельса;

недостаточный, вследствие отмеченных факторов, межремонтный пробег, не превышающий 160-210 тыс. км и большие эксплуатационные расходы на ремонт вагонов;

недостаточная надежность боковых рам и надрессорной балки, обусловленная наличием дефектов литья, приводящая к излому боковых рам в эксплуатации с вытекающими отсюда известными тяжелыми последствиями.

Вследствие того, что вагон и железнодорожный путь представляют собой механическую колебательную систему, климатические условия и ужесточение модуля упругости пути играют большую роль в формировании сил взаимодействия в системе «колесо - рельс». Повышенная, по сравнению с деревянными шпалами, жесткость верхнего строения пути, выполненного из объемнозакаленных рельсов на железобетонных шпалах и щебеночном основании, большая необрессоренная приведенная масса пути, а также значительная твердость таких рельсов и колес марки «Т» обусловливают повышение динамических сил в контакте колеса с рельсом. Установлено [2], что при скорости 70 км/ч и статической колесной нагрузке 100,45 кН неровность на поверхности катания длиной 250 мм и глубиной 1 мм вызывает увеличение давления колеса на рельс до 215,6 кН для железобетонных шпал и до 192,1 кН для деревянных шпал.

В зимних условиях повышенной жесткости пути прохождение колесом рельсового стыка с зазорами, достигающими в зимнее время величины порядка 24 мм и более, сопровождается качественно иными (чем в средней части рельса) условиями взаимодействиям элементов системы «колесо - рельс». Вертикальное ускорение колеса достигает величины более Зg, что снижает коэффициент запаса устойчивости против вкатывания гребня колеса на головку рельса. Например, при прохождении колесом стыка с зазором 26 мм со скоростью 20 м/с сила удара в контакте колеса с торцом рельса достигает 400 кН, что приводит к выкрашиванию металла на торцах рельсов (дефект №17) и появлению других дефектов, а также к развитию труднообрабатываемых выщербин на поверхностях катания твердых колес.

В силу этого согласно данным Управления статистики главного вычислительного центра ОАО «РЖД», несмотря на принимаемые меры, количество дефектных рельсов, ежегодно снимаемых с пути на сети дорог, составляет свыше 50 тыс. штук [3]. При стоимости одного рельса свыше 28 тыс. р. затраты на их замену, с учетом выделения «окон» и других расходов, превышают сумму порядка 1,5 млрд р. в год.

В 2011 г. на совершенствование пунктов технического обслуживания сортировочных станций за счет внедрения современных технологий и технических устройств, ориентированных на выявление предотказного состояния узлов и деталей вагонов, минимизацию человеческого фактора в процессах оценки технического состояния вагонов и автоматизации производственного цикла, выделены значительные средства (более 1,5 млрд р.).

Вместе с тем уровень безопасности движения грузовых поездов и эффективность их эксплуатации не отвечают современным требованиям. Количество нарушений и отказов в работе узлов грузовых вагонов, несмотря на некоторое снижение их количества по сравнению с 2010 г., остается значительным (рисунок 1).

Наибольшее число нарушений безопасности движения допущено по неисправности тормозного оборудования - 47 %. Основное их количество случилось на Юго-Восточной (13 %), Забайкальской (12 %) и Северной (11 %) железных дорогах. 32% от всех событий составляют случаи по неисправности буксового узла: на Дальневосточной (17 %) и Сверд-

ловской (10 %) железных дорогах. Наиболее проблемными при этом являются автотормоза и буксовые узлы, на долю которых в 2011 г. в совокупности приходится 161 случай.

Автотормоза Буксовый узел Автосцепка Колёсные пары Кузов Тележка Прочие

Элементы -

Рисунок 1 - Количество событий, допущенных в вагонном хозяйстве за последние два года

Несмотря на значительное количество поступивших в эксплуатацию высокопрочных колес повышенной твердости (свыше 5 млн шт.) и на принимаемые меры по созданию новых предприятий и отдельных цехов ремонта вагонов, оснащенных современным оборудованием, количество отцепок грузовых вагонов в текущий ремонт на железных дорогах России в 2011 г. оставалось значительным. Основными причинами отцепок стали неисправности ку-зова(31 %), колесных пар (27 %) и тележек (26 %).

Анализ статистических данных повреждаемости стандартных и «твердых» вагонных колес в эксплуатации (рисунок 2) показывает, что стойкость твердых колес к образованию таких дефектов, как прокат, тонкий гребень и др., связанных со смятием и истиранием металла от давления на площадке контакта и действия сил трения качения и трения скольжения, более чем в два раза выше по сравнению со стандартными колесами. Основными видами дефектов твердых колес, имеющих, по сравнению с обычными, повышенное содержание углерода и марганца, являются труднообрабатываемые выщербины и ползуны.

Прокат Выщербина Ползун Навар Тонкий гребень

Дефекты _^

Рисунок 2 - Статистические данные повреждаемости стандартных и «твердых» вагонных колес в эксплуатации:  - твердые колеса;  - стандартные колеса

Интенсивные пространственные колебания порожних вагонов при скоростях движения свыше 60 км/ч негативно влияют не только на безопасность движения (из-за них ско-

Управление перевозочными процессами^ безопасность движения поезДОЁТ^

рость движения порожняковых составов в кривых не превышает 60 км/ч), но и на работу автотормозного оборудования (347 отказов в 2011 г., в частности - рычажной передачи, на долю которой пришлось 546 случаев). Только на Западно-Сибирской железной дороге, которая в минувшем году выполнила 21 % от общего объема погрузки всей сети дорог, количество отцепок вагонов составило 242988 случаев (рисунок 3), что негативно сказывается на участковой скорости грузовых поездов, обороте вагонов и на показателях работы всей отрасли в целом.

«

о к

и Я"

О

две МСК ОКТ СКВ юве

Направления железных дорог

Рисунок 3 - Количество отцепок в текущий ремонт на железных дорогах России в 2011 г.

Чрезмерно низкой остается надежность боковых рам тележек вагонов, особенно Азовского и Кременчугского сталелитейных заводов (Украина). Только за 11 месяцев 2011 г. осмотрщиками при техническом обслуживании грузовых вагонов на ПТО выявлены 7063 угрожающие безопасности боковые рамы, из которых 4132 (59 %) имели усталостные трещины, и 2931 деталь с видимыми пороками литья (рисунок 4). В результате изломов произошли два крушения грузовых поездов, две аварии, а также 16 случаев схода с рельсов подвижного состава, что привело к значительным задержкам поездов и убыткам. На пунктах технического осмотра вагонов осмотрщиками в прошедшем году не обнаружено (пропущено) 3387 трещин в боковых рамах. В 2011 г. произошло 25 изломов боковых рам тележек [4]. Вследствие низкой надежности отечественных литых деталей с мая 2011 г. ОАО «РЖД» приобрело в Китайской Народной Республике 10980 боковых рам тележек и 2508 надрессорных балок (заметим здесь, что по данным газеты «Транспорт России» стоимость одной боковой рамы в настоящее время составляет не менее 120 тыс. р.).

Очень острая ситуация с безопасностью грузовых поездов складывается в текущем году. В январе и феврале случилось семь изломов боковых рам, приведших к тяжелым последствиям и нескольким крушениям грузовых поездов, вызвавших задержки в работе транспортного комплекса страны.

По показаниям приборов контроля технического состояния магистрали в 2011 г. остановлено 15737 грузовых поездов. Вследствие этого допущено 7917 фактов опоздания пасса-

110 ИЗВЕСТИЯ Транссиба м!п1'9)

жирских поездов в пути следования, с увеличением на 10 %, или на 711 случаев по сравнению с 2010 г.

800

Направления железных дорог -

Рисунок 4 - Количество выявленных и пропущенных боковых рам с трещинами

Только на станциях формирования по отправлению задержано 78 пассажирских поездов против 72 в 2010 г.. Не лучшим образом обстоят дела и с пригородными поездами. В 2011 г. количество задержанных пригородных поездов к уровню 2010 г. возросло на 38 %, задержано 1175 поездов.

Такие события негативно влияют на привлекательность пассажиропотока и на конкурентоспособность ОАО «РЖД» по сравнению с другими видами транспорта.

На протяжении длительного времени совершенствованием тележек грузовых вагонов занимаются ПГУПС, МНИТ, ВНИКТИ, а также УрГУПС в тесном сотрудничестве с НПК «Уралвагонзавод» и другие научные организации. Большинство разработчиков грузовых тележек, обращающихся на российских железных дорогах, заняты модернизацией тележки модели 18-100 (в качестве примера можно назвать тележку модели 18-9771, созданную в ЗАО «Промтрактор-Вагон») или созданием тележек, основу которых составляет модифицированная тележка Барбера. При этом в конструкциях тележек во многом повторяются технические решения прежних лет, принятые за рубежом. Они имеют различное устройство буксы или адаптера, износостойкого элемента буксового узла, боковой рамы, пружин подвешивания, фрикционных клиньев, надрессорной балки, боковых скользунов и унифицированы только по колесным парам, кассетным подшипникам и тормозной рычажной передаче. Новые решения связаны в основном с введением упругих скоб и полиуретановых элементов между буксой и боковой рамой тележки, износостойких элементов в пары трения и амортизаторов беззазорных скользунов. Такой путь решения проблемы, особенно при необходимости увеличения осевой нагрузки и маршрутной скорости движения грузовых поездов, по нашему мнению, не является перспективным.

Решение проблемы повышения динамических качеств рессорного подвешивания и грузового вагона в целом можно осуществить на основе применения принципа компенсации внешних возмущений в буксовой ступени обрессоривания тележки [5], что эквивалентно (в динамике) снижению в несколько раз жесткости системы обрессоривания защищаемого объекта, в совокупности с изменением значений упругих и диссипативных параметров связи

надрессорной балки с боковой рамой в горизонтальной плоскостии с двукратным увеличением амплитуды перемещения надрессорной балки относительно боковых рам. В результате экспериментальных исследований установлено, что в зоне установленных скоростей движения грузовых поездов вертикальные ускорения кузова вагона с предлагаемой системой об-рессоривания на 60 - 80 % меньше, чем у вагона с типовой тележкой. Отметим здесь, что такой эффективности практически невозможно достичь для вагонов на тележках с традиционным рессорным подвешиванием (тележка Барбера, ZK6 и др.) в силу существующего жесткого ограничения на разность высот автосцепок сцепляемых вагонов. Для вагона с компенсирующим устройством максимальные ускорения проявляются в порожнем состоянии на частоте возмущения 3 Гц, в груженом состоянии - на частоте возмущения 2,5 Гц. Заметим, что собственная частота колебаний подпрыгивания кузова порожнего грузового вагона с тележками модели 18-100 равна 5,5 Гц. Это способствует снижению динамической нагружен-ности узлов вагона в целом и снижению затрат на его ремонт, стабилизации сил взаимодействия колеса и рельса, повышению плавности хода вагонов и сохранности перевозимых грузов, увеличению скорости движения поездов и эффективности железнодорожного транспорта в целом.

Список литературы

1. Вериго, М. Ф. Анализ методов математического моделирования динамических процессов в исследованиях интенсивности развития бокового износа рельсов и гребней колес [Текст] / М. Ф. Вериго // Вестник ВНИИЖТа. - 1997. - № 6. - С. 24.

2. Шарапов, С.Н. Проблемы создания малообслуживаемого пути [Текст] / С. Н. Шарапов // Железнодорожный транспорт. - 2001. - № 3. - С. 25 - 32.

3 Иванов, П. С. Анализ дефектов рельсов [Текст] / П. С. Иванов // Железнодорожный транспорт. - 2010. - № 10. - С. 58 - 60.

4. Лосев, Д. И. По единой технологии [Текст] / Д. Н. Лосев // Транссиб. - № 2. - 2012. - С. 7.

5. Галиев, И. И. Методы и средства виброзащиты железнодорожных экипажей: Монография [Текст] / И. И. Галиев, В. А. Нехаев, В. А. Николаев / Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте. - М., 2010. - 340 с.

УДК 656.259.12

Е. М. Тарасов

ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ КЛАССИФИКАТОРА СОСТОЯНИЙ

РЕЛЬСОВЫХ ЛИНИЙ МНОЖЕСТВОМ ИНФОРМАТИВНЫХ ПРИЗНАКОВ

В статье рассмотрены вопросы построения многопараметрического классификатора состоянии рельсовых линий: исследованы вопросы изменения проводимости изоляции рельсовых линий, предложена структурная схема классификатора, использующего в качестве информативных признаков амплитуды и фазы напряжения и тока на входе и выходе рельсового линии, представлены формулы расчета ошибок первого и второго рода.

Проблема повышения качества функционирования и надежности устройств железнодорожной автоматики и телемеханики приобретает все большее значение в связи с ростом требований к ритмичности функционирования систем интервального управления движением поездов, в которых устройством, достоверно определяющим состояние рельсовой линии участка контроля, являются классификаторы состояний.

Традиционно отечественные и зарубежные классификаторы состояний рельсовых линий [1,2] строятся по одно канальной схеме с одним источником питания в начале или середине

112 ИЗВЕСТИЯ Трансс^а ¡¡¡¡¡И