Разработка трехосной тележки с радиальной установкой колесных пар с осевой нагрузкой 25 тс

УДК 629.4.027.25

Л. В. Цыганская, В. С. Коршунов

РАЗРАБОТКА ТРЕХОСНОЙ ТЕЛЕЖКИ С РАДИАЛЬНОЙ УСТАНОВКОЙ КОЛЕСНЫХ ПАР С ОСЕВОЙ НАГРУЗКОЙ 25 ТС

Дата поступления: 28.11.2017 Решение о публикации: 15.11.2017

Цель: Создание железнодорожной трехосной тележки с новой конструктивной схемой, отвечающей всем современным требованиям и имеющей улучшенные технические и эксплуатационные характеристики. Методы: Использованы аналитический метод исследования конструкций трехосных тележек и численный метод расчета рессорного подвешивания, принимая во внимание нестандартное расположение рессорных комплектов по сравнению с двухосными тележками. Результаты: Разработана новая конструктивная схема трехосной тележки с возможностью обеспечения радиальной установки колесных пар с учетом недостатков находящихся в эксплуатации трехосных тележек, к которым относятся быстрый износ опорных поверхностей боковых рам, приводящий к заклиниванию крайних колесных пар в челюстных проемах, интенсивный износ гребней колесных пар и сходы колесных пар в кривых, а также повышенное сопротивление движению вагонов на криволинейных участках пути. В результате расчетов были установлены основные параметры рессорного комплекта четырех вариантов центрального подвешивания, рассчитаны величины рамной силы и коэффициента вертикальной динамики и определена величина сопротивления трехосной тележки относительному продольному перемещению между боковыми рамами при перемещении, равному 10 мм. Практическая значимость: Итогом проделанной работы является создание новой схемы трехосной тележки, на основании которой в настоящее время проводится разработка эскизного проекта трехосной тележки с осевой нагрузкой 25 тс с радиальной установкой колесных пар.

Ключевые слова: Тележка, трехосная тележка, тележка вагона, конструктивная схема, радиальная установка колесных пар, рессорное подвешивание.

Lyudmila V. Tsyganskaya, Cand. Sci. Eng., associate professor, tcyganskaya@gmail.com; *Vladimir S. Korshunov, postgraduate student, kormir91@mail.ru (Petersburg State Transport University) DEVELOPMENT OF THE THREE-AXLE BOGIE WITH RADIAL INSTALLATION OF THE AXLES WITH AXLE LOAD 25 T

Summary

Objective: To develop a railway three-axle bogie with a new design scheme, that meets all modern requirements, having improved technical and operational characteristics. Methods: Analytical research method was applied to study the design of three-axle bogies and numerical method was used for spring suspension calculation, given the non-typical arrangement of spring kits compared to bogie trucks. Results: A new constructive scheme of a three-axle bogie with the possibility of providing radial installation of wheel pairs was developed with account of the deficiencies of three-axle bogies in operation, which include quick wear of the bearing surfaces of the side frames, which leads to jamming of extreme wheelsets in the jaw openings, heavy wear of the wheelset ridges and convergence of wheel pairs in curves, as well as the car movement increased resistance on curved track sections. As a result of the conducted calculations the basic parameters of spring set of four variants of bolster suspension were determined, values of frame force and the coefficient of vertical dynamics were estimated, as well as the resistance value of the three-

axle bogie to relative longitudinal movement between the side frames when moving that equals 10 mm. Practical importance: The conducted research made it possible to create a new scheme of a three-axle bogie on the basis of which the development of a conceptual design of a three-axle bogie with axle load of 25 t with radial installation of wheel pairs is currently being carried out.

Keywords: Bogie, three-axle bogie, bogie of railcar, constructive scheme, radial installation of the axles, bogie suspension.

Разработке и созданию трехосных тележек грузовых вагонов посвящено много работ в России и за рубежом. В разные годы ведущие вагоностроительные заводы занимались проектированием и производством трехосных тележек грузовых вагонов [1, 2]. Однако, учитывая конструктивные недостатки разработанных трехосных тележек, их применение не получило широкого распространения. Поэтому вопрос создания трехосной тележки с новыми конструктивными схемами, отвечающей всем современным требованиям и имеющей улучшенные технические и эксплуатационные характеристики, остается открытым [3].

Находящиеся в эксплуатации трехосные тележки с центральным рессорным подвешиванием имеют ряд недостатков, связанных с их конструктивным устройством. Во-первых, это быстрый износ опорных поверхностей боковых рам, который приводит к заклиниванию крайних колесных пар в челюстных проемах, не позволяя им смещаться при проходе кривых. Во-вторых, быстрый износ гребней колесных пар, а также сходы колесных пар в тележках в кривых, причиной которых является увеличенные силы бокового воздействия на путь, возникающие из-за большого сопротивления при смещении колесных пар в пределах зазоров в буксовых проемах [4]. Также отмечается повышенное сопротивление движению вагонов на криволинейных участках пути [5, 6].

Для создания новой конструкции трехосной тележки предложен вариант тележки с центральным рессорным подвешиванием с возможностью обеспечения радиальной установки колесных пар [7].

В конструкции трехосной тележки для передачи вертикальной и горизонтальной

нагрузок на надрессорные балки от пятника кузова вагона предлагается использовать соединительную балку, установленную с опорой через «плоский пятник-подпятник» на две надрессорные балки, в отличие от традиционной конструкции жесткого болтового крепления шкворневой балки с надрессорными в отечественных трехосных тележках [8]. Предлагаемое техническое решение позволит обеспечить поворот надрессорных балок вместе с боковыми рамами при прохождении вертикальных и горизонтальных неровностей пути, а также улучшит прохождение кривых малого радиуса [9]. Схема распределения вертикальной и горизонтальной нагрузок от кузова вагона на колесные пары представлена на рис. 1.

При входе тележки в кривой участок пути происходит набегание колеса на рельс первой по ходу движения колесной пары, вследствие чего боковая сила (Н) приводит к беспрепятственному повороту надрессорных балок вместе с боковыми рамами вокруг осей пятников соединительной балки, при этом хоботы боковых балок со стороны наружного рельса смещаются в пазах балансира навстречу друг другу (х - А), а со стороны внутреннего рельса расходятся (х + А), тем самым центрируя балансир и среднюю колесную пару, при этом расстояния между буксами крайних колесных пар со стороны внутреннего рельса уменьшается (1т - А), а со стороны внешнего рельса увеличивается (1т + А), за счет чего обеспечивается радиальная установка колесных пар.

Схема изменения геометрии трехосной тележки при набегании колеса на рельс в кривых участках пути показана на рис. 2.

В конструкции новой трехосной тележки предполагается применять балансир особой конструкции (рис. 3), представляющий

1520

Рис. 1. Схема распределения вертикальной (а) и горизонтальной (б) нагрузок от кузова вагона

на колесные пары: 1 - соединительная балка; 2 - надрессорная балка; 3 - боковая рама; 4 - рессорный комплект; 5 - балансир; 6 - колесная пара

//77* А

Л

__1т-Д__

Рис. 2. Схема изменения геометрии трехосной тележки при набегании колеса на рельс в кривых участках пути

собой стальную отливку 1 в виде коромысла с центральным проемом Б для размещения буксового узла средней колесной пары, в состав которого входят пята 3, адаптер 4 и прокладка 7, отличающийся тем, что в плечах балансира имеются пазы для опоры боковых рам 5 (см. рис. 4), опорная поверхность В их имеет три участка: центральный, находящийся в горизонтальной плоскости, и боковые наклонные симметрично расположенные под углом р.

Балансир работает следующим образом. Когда трехосная тележка находится на прямом участке пути (рис. 4) консоли боковых рам 5 располагаются по центру пазов балансира (расстояние между консолями составляет Ь).

При движении тележки излишние продольные колебания (виляние) центральной колесной пары гасятся за счет сил сухого трения между прокладками 7 и вкладышами 8, на которые через упругие элементы 10 опираются консоли боковых рам 5. Наличие наклонных поверхностей пазов балансира препятствует перемещению консолей боковых рам на прямых участках пути.

При входе тележки в кривой участок пути (рис. 5) консоли боковых рам 5 со стороны наружного рельса смещаются в пазах балансира 1 навстречу друг другу (-Д), а со стороны внутреннего рельса расходятся (+Д), тем самым центрируя балансиры 1 и среднюю ко-

Рис. 3. Общий вид балансира

6 5 i }

Рис. 4. Принцип работы балансира на прямом участке пути

Рис. 5. Принцип работы балансира в кривом участке пути со стороны наружного (слева) и внутреннего (справа) рельса

лесную пару 2, при этом расстояние между буксами крайних колесных пар со стороны внутреннего рельса уменьшается (Ь - 2Д), а со стороны внешнего рельса увеличивается (Ь + 2Д), за счет чего обеспечивается радиальная установка колесных пар.

При переходе тележки из кривого в прямой участок пути под действием сил тяжести боковые рамы, скользя по наклонной поверхности балансира, смещаются к центрам пазов балансира, тем самым центрируя его и предотвращая излишние колебания средней колесной пары.

Валики 9 при нормальных режимах работы тележки не воспринимают нагрузку и служат как предохранительные устройства, препятствующие самопроизвольному расформированию тележки при нештатных ситуациях (сходах), а также при ремонтных манипуляциях, связанных с подъемом тележки.

Также особенностью трехосной тележки с центральным подвешиванием является наличие двух пар рессорных комплектов, при этом нагрузка на одну пару рессорного комплекта в 1,5 раза ниже, чем у двухосных тележек с центральным подвешиванием и соответствующей осевой нагрузкой [10]. По-

этому при выборе характеристик рессорного подвешивания решалась задача по снижению жесткости в сравнении с двухосной тележкой модели 18-9855 [11]. Было рассмотрено несколько вариантов исполнения рессорного подвешивания, отличающегося количеством, жесткостью и расположением как наружных, так и внутренних пружин [12].

Коэффициент относительного трения определялся по формуле

Ф =

P - P

вниз вверх

P +P

вниз вверх

в которой Р и Р - сила при движении

г вниз вверх г

клина соответственно вниз и вверх:

Pbho = P + • fr х

х sin а - fN • cos а (1 + fr • fN) • cos а + (fN - fr) • sin а'

PBBepx = P - 2PKn • fT X

x sin а + fN • cos а (1 + fr  fN) • cos а - (fN - fr) • sin а'

о

4,0Е+05 3,5Е+05 3,0Е+05 2,5Е+05 2,0Е+05 1,5Е+05 1,0Е+05 5,0Е+04 0,0Е+00

4 £>

0 1 2 3 /

0,02

ОД

0,12

0,04 0,06 0,08 Прогиб, м

О Вертикальная силовая характеристика рессорного комплекта

— — Нагрузка на рессорный комплект при массе тары

— • — Нагрузка на рессорный комплект при массе брутто

Рис. 6. Вертикальная силовая характеристика рекомендуемого варианта рессорного комплекта трехосной тележки

где Ркл - нагрузка, действующая на двухрядную пружину, расположенную под клином, для порожнего и груженого вагона:

D _ вн . вн I Ркл - c кл -А + С

нар _

кл

нар .

Лвн Л г

, А

^нар - прогиб внутренней и наружной подклиновых пружин под весом порожнего или груженого вагона; /т - коэффициент трения между вертикальной поверхностью клина и фрикционной планкой боковой рамы, /т = 0,38; /м - коэффициент трения между наклонной поверхностью клина и карманом надрессорной балки, /м = 0,15; Р- нагрузка, действующая на рессорный комплект под весом порожнего или груженого вагона.

В результате были установлены основные параметры рессорного комплекта четырех вариантов центрального подвешивания, рассчитаны величины рамной силы и коэффициента вертикальной динамики, определено сопротивление трехосной тележки относительному продольному перемещению между боковыми рамами при перемещении, равном 10 мм. Из рассматриваемых вариантов рекомендуется

использовать вариант, для которого получены наилучшие результаты расчетов (рис. 6).

Итогом проделанной работы является создание новой схемы трехосной тележки, на основании которой на данный момент разрабатывается эскизный проект трехосной тележки с осевой нагрузкой 25 тс с радиальной установкой колесных пар.

Библиографический список

1. The Car and Locomotive Cyclopedia / Red. William W. Kratville. - Omaha : Simmons-Boardman Books Inc., 1997. - 1136 р.

2. Альбом-справочник тележки грузовых вагонов колеи 1520 мм № 745-2011. - М. : ПКБ ЦВ ОАО «РЖД», 2011. - 226 с.

3. Бороненко Ю. П. Стратегические задачи вагоностроителей в развитии тяжеловесного движения / Ю. П. Бороненко // Транспорт Российской Федерации. - 2013. - № 5. - С. 68-73.

4. Мордвинкин Н. А. Трехосные тележки грузовых вагонов большой грузоподъемности / Н. А. Мордвинкин. - М. : ЦИНТИАМ, 1964. - 58 с.

5. International heavy haul association STS-con-ference "Wheel/rail interface" = Международная конференция Ассоциации тяжеловесного движения «Проблемы взаимодействия колеса и рельса». - М. : Интекст, 1999. - 440 с.

6. Комарова А. Н. Сравнительная оценка сопротивления движению грузовых вагонов на тележках различных типов / А. Н. Комарова, Ю. П. Боронен-ко // Транспорт Российской Федерации. - 2014. -№ 5. - С. 69-72.

7. Михальченко Г. С. Оценка износа колес грузового тепловоза с радиальной установкой колесных пар / Г. С. Михальченко, А. С. Юршин // Вестн. БГТУ. - 2007. - № 2. - С. 13-18.

8. Грачева Л. О. Конструктивные особенности и динамические качества трехосной тележки типа УВЗ-9м / Л. О. Грачева, П. С. Анисимов. - М. : Транспорт, 1966. - 33 с.

9. Орлова А. М. Влияние параметров, характеризующих состояние тележек грузовых вагонов, на боковой износ гребней колес / А. М. Орлова, Е. И. Артамонов // Транспорт Урала. - 2008.- № 3. -С. 36-40.

11. Орлова А. М. Тележка модели 18-9810 по технологии Barber S-2 // VI Междунар. науч.-технич. конференция «Подвижной состав XXI века : идеи, требования, проекты» / А. М. Орлова, Е. А. Щербаков. - СПб. : ПГУПС, 2009. - С. 48-52.

10. Манашкин Л. А. Моделирование и особенности работы клиновых фрикционных гасителей колебаний четырехосных грузовых вагонов / Л. А. Манашкин, С. В. Мямлин // Транспорт Российской Федерации. - 2016. - № 3. - С. 20-24.

12. Гарбузов В. Н. Расчет поперечной жесткости винтовых цилиндрических пружин рессорного подвешивания вагона / В. Н. Гарбузов, В. И. Фльчен-ко. - М. : Транспорт, 1966. - 255 с.

References

1. The Car and Locomotive Cyclopedia. Ed. William W. Kratville. Omaha, Simmons-Boardman Books Inc. Publ., 1997, 1136 p.

2. Albom-spravochnik telezhky gruzovykh vagonov kolei 1520 mm no. 745-2011 [Manual and reference

book on freight-car trucks of 1520 mm gage no. 7452011]. Moscow, PKB TsV OAO "RZhD" [Design bureau of OAO "RZhD" rolling stock] Publ., 2011, 226 p.

3. Boronenko Y. P. Strategycheskiye zadachy vagonostroiteley v razvitii tyazhelovesnogo dvy-zheniya [Strategic objectives of car constructors in heavy haul traffic development]. Transport of the Russian Federation, 2013, no. 5, pp. 68-73.

4. Mordvynkyn N. A. Trekhosniye telezhky gruzovykh vagonov bolshoy gruzopodyemnosty [Three axle bogies of high capacity freight cars]. Moscow, Central institute of scientific and technical information on automation and mechanical engineering Publ., 1964, 58 p.

5. Mezhdunarodnaya konferentsiya Assotsiatsii tyazhelovesnogo dvyzheniya "Problemy vzaimodeyst-viya kolesa i relsa" [International heavy haul association STS-conference "Wheel/rail interface "]. Moscow, Intekst Publ., 1999, 440 p.

6. Komarova A. N. & Boronenko Y. P. Sravny-telnaya otsenka soprotyvleniya dvyzheniyu gruzovykh vagonov na telezhkakh razlychnykh typov [Comparative valuation of resistance to freight cars operation on different types of bogies]. Transport of the Russian Federation, 2014, no. 5, pp. 69-72.

7. Mykhalchenko G. S. & Yurshyn A. S. Otsen-ka iznosa koles gruzovogo teplovoza s radialnoy ustanovkoy kolesnykh par [Wheel wear assessment of a diesel freight locomotive with radial wheel pair installation]. Bulletin of Bryansk State Technical University, 2007, no. 2, pp. 13-18.

8. Gracheva L. O. & Anysymov P. S. Konstruktyv-niye osobennosty i dynamycheskiye kachestva trekhos-noy telezhky typa UVZ-9m [Design features and dynamic qualities of an UVZ-9m type three axle bogie]. Moscow, Transport Publ., 1966, 33 p.

9. Orlova A. M. & Artamonov Y. I. Vliyaniye parametrov, kharakteryzuyushykh sostoyaniye tele-zhek gruzovykh vagonov, na bokovoy iznos grebney koles [The influence of parameters, characterizing the state of freight bogies]. Transport of the Urals, 2008, no. 3, pp. 36-40.

11. Orlova A. M. & Sherbakov Y. A. Telezhka mo-dely 18-9810 po tekhnologii Barber S-2 [Model 18-

9810 bogie constructed on the basis of Barber S-2 technology]. VI Mezhdunarodnaya nauchno-tekhniches-kaya konferentsiya "Podvyzhnoy sostav XXI veka: idey, trebovaniya, proyekty" [The 6th International scientific and technical conference "Rolling stock of the 21st century: ideas, requirements,projects"]. Saint Petersburg, PGUPS Publ., 2009, pp. 48-52.

10. Manashkyn L. A. & Myamlyn S. V. Modely-rovaniye i osobennosty raboty klynovykh friktsion-nykh gasyteley kolebaniy chetyrekhosnykh gru-

zovykh vagonov [Modeling and peculiarities of a wedge-type friction shock absorbers operation of four axle bogies]. Transport of the Russian Federation, 2016, no. 3, pp. 20-24.

12. Garbuzov V. N. & Phylchenko V. I. Raschet poperechnoy zhestkosty vyntovykh tsylyndrycheskykh pruzhyn ressornogo podveshyvaniya vagona [Lateral stiffness calculation of coiled springs of bogie suspension of a car]. Moscow, Transport Publ., 1966, 255 p.

ЦЫГАНСКАЯ Людмила Валериевна - канд. техн. наук, доцент, tcyganskaya@gmail.com; *КОР-ШУНОВ Владимир Сергеевич - аспирант, kormir91@mail.ru (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I).