Основные тенденции разработки и внедрения новых конструкций поглощающих аппаратов автосцепки грузовых вагонов

УДК 629.4.028.086

А. П. Болдырев, Д. А. Ступин, А. М. Гуров

ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗРАБОТКИ И ВНЕДРЕНИЯ НОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПОГЛОЩАЮЩИХ АППАРАТОВ АВТОСЦЕПКИ ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ

Дата поступления: 08.11.2017 Решение о публикации: 15.11.2017

Аннотация

Цель: Анализ состояния и путей совершенствования конструкций поглощающих аппаратов автосцепки грузового подвижного состава железных дорог, оценка свойств и перспектив внедрения аппаратов с применением полимерных и эластомерных материалов. Методы: Для оценки свойств аппаратов применены методы статистического моделирования. Результаты: Проанализированы существующие и перспективные конструкции поглощающих аппаратов автосцепки. Приведена современная классификация поглощающих аппаратов. Показаны достоинства и недостатки конструкций. Проведена сравнительная оценка эксплуатационных качеств аппаратов различных классов. Даны рекомендации по дальнейшему совершенствованию конструкций поглощающих аппаратов за счет современных полимерных и эластомерных материалов, а также новых упругих элементов и пар трения. Практическая значимость: Разработанные рекомендации позволяют значительно повысить эксплуатационные качества поглощающих аппаратов автосцепки - их надежность, энергоемкость, остаточный ресурс и др., что даст возможность более эффективно использовать грузовые вагонов, а также повысить безопасность движения.

Ключевые слова: Подвижной состав железных дорог, грузовой вагон, вагон-цистерна, поглощающий аппарат, автосцепка, маневровые соударения, продольные силы, нагруженность, безопасность движения, полимерные и эластомерные амортизаторы, фрикционные материалы, упругие элементы, подпорно-возвратные устройства, эксплуатационные характеристики, энергоемкость, надежность, остаточный ресурс.

*Aleksei P. Boldyrev, D. Eng. Sci., professor, apb.tubryansk@gmail.com (Bryansk State Technical University); Dmitry A. Stupin, Cand. Eng. Sci., head of laboratory, dstupin@list.ru (All-Russian Scientific-research Railway Transport Institute, Public Corporation); Aleksandr M. Gurov, Cand. Eng. Sci., technical director, gurov@diprom.ru (Co Ltd "NPP Diprom") MAIN TENDENCIES OF DEVELOPING AND IMPLEMENTING NEW CONSTRUCTIONS OF AUTOMATIC COUPLING CUSHIONING DEVICES OF FREIGHT CARS

Summary

Objective: Analysing state and ways of perfecting constructions of automatic coupling cushioning devices of freight railway rolling stock, evaluating properties and perspectives of implementing devices with application of polymeric and elastomeric materials. Methods: Methods of statistical modelling are applied for evaluating devices properties. Results: Existed and perspective constructions of automatic coupling cushioning devices are analyzed. Current classification of cushioning devices is presented. Virtues and shortcomings of constructions are shown. Comparative evaluation of operated devices qualities of different classes is performed. Recommendations for perfecting cushioning device constructions at the expense of polymeric and elastomeric materials, as well as new elastic elements and friction pairs are given. Practical importance: Developed recommendations allow significantly increasing operated

qualities of automatic coupling cushioning devices - their reliability, energy capacity, residual life etc. that will make possible more effective use of freight cars and also increase safety in operation.

Keywords: Railway rolling stock, freight car, tank-car, cushioning device, automatic coupling, shunting collisions, longitudinal forces, loading, safety in operation, polymeric and elastomeric buffers, friction materials, elastic elements, retaining-return devices, operating characteristics, energy capacity, reliability, residual life.

Проблемы защиты вагонов и грузов от продольных нагрузок в настоящее время остаются актуальными: массы составов продолжают увеличиваться, повышаются скорости движения и грузоподъемность вагонов, а также интенсивность маневровых операций [1]. Статистика поступлений в ремонт вагонов по причине неудовлетворительной работы автосцепного устройства подтверждает тот факт, что вагоны, оборудованные серийными аппаратами класса Т0, недостаточно защищены [2]. Это касается и поездных режимов: наблюдаются сходы вагонов в ситуациях торможения [3], обрывы автосцепок и др.

Для нормальной работы в реальных условиях эксплуатации поглощающие аппараты как основной элемент снижения продольной на-груженности вагонов должны обладать достаточными надежностью и прочностью, большей энергоемкостью, необходимой поглощающей способностью и оптимальной формой силовой характеристики.

Историю развития межвагонных амортизирующих устройств принято относить к переходу железных дорог на автосцепку от винтовой упряжи, что обусловило кардинальное повышение безопасности движения. За 80 лет замена винтовой сцепки (которая являлась сильным сдерживающим фактором для увеличения массы поездов) на автосцепку, а также ее постоянное совершенствование позволили достигнуть снижения количества разрывов поездов более чем в 750 раз при росте грузооборота в 13 раз [4]. Не последнюю роль в этом процессе сыграло применение эффективных амортизаторов удара (поглощающих аппаратов автосцепки).

До 2000 г. в эксплуатации на грузовых вагонах находилось несколько моделей по-

глощающих аппаратов автосцепки: Ш-1-ТМ, Ш-2-В и в меньших количествах - Ш-6-ТО-4 и ПМК-110 с энергоемкостью от 20 до 60 кДж. Однако классификации их не существовало, как и общих требований - на какой вагон какую модель аппарата допускается ставить. Лишь с появлением в конце 1990-х годов эластомерных поглощающих аппаратов повышенной энергоемкости, обеспечивающих большую защиту вагона, но и имеющих значительную стоимость, возникла потребность их классификации, чтобы обеспечить их установку, в первую очередь на вагоны для перевозки опасных грузов, где их применение наиболее эффективно. В результате были разработаны и приняты следующие документы: Технические требования МПС РФ на разработку автосцепного устройства грузовых вагонов нового поколения № 10/31-99 [5], Нормы безопасности НБ ЖТ ЦВ-ЦЛ 022-2000 [6], Изменение и дополнение № 2 в «Нормы для расчета и проектирования вагонов...» [7], Отраслевой стандарт ОСТ 32.175-2001 [8] и, наконец, ГОСТ 32913-2014 «Аппараты поглощающие сцепных и автосцепных устройств железнодорожного подвижного состава. Технические требования и правила приемки» [9]. В них появилась классификация поглощающих аппаратов.

В соответствии с ГОСТ 32913-2014 по способу поглощения энергии удара поглощающие аппараты делятся на фрикционные, гидравлические, эластомерные, аппараты из упругих элементов и комбинированные, использующие сочетание нескольких способов поглощения энергии. По эксплуатационным техническим показателям поглощающие аппараты для грузового подвижного состава делятся на следующие классы:

- класс Т1 - предназначенные для вагонов, перевозящих все виды грузов (кроме опасных), а также маневровых локомотивов массой до 100 т включительно;

- класс Т2 - для специализированных вагонов, перевозящих ценные грузы, опасные грузы классов 3, 4, 5, 8, 9 по ГОСТ 19433-88 [10], а также вагонов с расчетной массой брутто свыше 120 т и магистральных локомотивов;

- класс ТЗ - для вагонов, перевозящих особо опасные грузы классов 1, 2, 6, 7 по ГОСТ 19433-88, а также маневровых локомотивов массой свыше 100 т.

Основной особенностью конструкции фрикционных поглощающих аппаратов класса Т1 (РТ-120 и ПМКП-110) является использование блока упругих элементов вместо металлических пружин. Применение полимерных элементов позволило увеличить номинальную энергоемкость аппаратов до 70 кДж, а максимальную - до 90 кДж, а также исключить случаи разрушения, свойственные металлическим пружинам.

В 2004 г. ГК «Вагонмаш» в сотрудничестве с компанией «MINER» был разработан поглощающий аппарат РТ-120 с ходом 120 мм (рис. 1). Фрикционный узел в аппарате подпирается комплектом упругих элементов 4. Особенностью фрикционного узла, в отличие от других аппаратов шестигранного типа (таких как Ш-2-В), является наличие на внутренних

Рис. 1. Поглощающий аппарат РТ-120: 1 - корпус; 2 - фрикционный клин; 3 -шайба; 4 - упругий полимерный элемент; 5 -центрирующая пластина

поверхностях корпуса в зоне работы клиньев 2 бронзовых вставок. Они стабилизируют трение и позволяют снизить износы трущихся деталей. Кроме того, аппарат не имеет стяжного болта. Направляющий стержень служит для центрального сжатия упругого комплекта.

Несомненное достоинство данного аппарата - длительный ресурс, однако процесс его приработки занимает достаточно большой промежуток времени. К недостаткам можно отнести общую проблему фрикционных поглощающих аппаратов - нестабильность силовой характеристики (скачкообразное изменение силы при сжатии).

В 2005 г. была разработана модель пластинчатого аппарата ПМКП-110 [11] с ходом 110 мм (рис. 2). Его конструкция аналогична конструкции аппарата ПМК-110 А [12], только в отличие от предшественника фрикционный узел у новой модели подпирается посредством комплекта упругих элементов 4, имеющих большую энергоемкость по сравнению с комплектом винтовых пружин.

Фрикционный поглощающий аппарат ПМКП-110 стал первым, не требующим предварительной приработки для получения нормативной энергоемкости, благодаря чему он надежно защищает вагон от повреждений уже при первых ударах. Отличительной особенностью аппаратов пластинчатого типа, к которым относится ПМКП-110, заключается

Рис. 2. Поглощающий аппарат ПМКП-110:

1 - корпус; 2 - металлокерамическая пластина; 3 - опорная пластина; 4 - упругий полимерный элемент; 5 - центрирующая пластина

в том, что все главные рабочие поверхности деталей фрикционного узла имеют вид прилегающих друг к другу плоскостей.

Сравнивая конструктивные особенности поглощающих аппаратов класса Т1, можно заметить, что аппарат ПМКП-110 обладает более стабильной силовой характеристикой, а РТ-120 имеет более простую конструкцию и большую износостойкость фрикционных деталей.

Существенным недостатком поглощающих аппаратов с упругими элементами из термоэластопласта является их зависимость от температуры. При повышении температуры жесткость элементов снижается, а при понижении значительно увеличивается, что, в свою очередь, влияет на энергоемкость поглощающих аппаратов. Перегрев аппаратов в гаражах-размораживателях или воздействие крайне низких температур может привести к преждевременному выходу из строя упругих элементов.

Несмотря на указанные недостатки и наличие более эффективных поглощающих аппаратов (эластомерных, гидравлических и т. д.), совершенствование конструкции аппаратов фрикционного типа актуально. Результаты эксплуатации и опытов, проводившихся в нашей стране и за рубежом, позволяют выделить относительно небольшое число конструктивных схем, жизнеспособность и практическое осуществление которых несомненны. Можно выделить три основных направления совершенствования конструкций фрикционных аппаратов:

- применение современных фрикционных материалов на поверхностях трения;

- использование высокоэффективных под-порно-возвратных устройств;

- разработка новых способов создания давления на поверхностях трения.

Наилучший эффект достигается за счет применения специальных фрикционных материалов, работающих в паре со стальными поверхностями. В настоящее время лучшими признаны порошковые металлокерамические материалы, имеющие относительно простые

составы и при хороших фрикционных свойствах обладающие достаточной износостойкостью. Этим парам трения несвойственно схватывание, рабочие поверхности не имеют вырывов или наростов, на стальных поверхностях, работающих в паре с порошковым материалом, наблюдается полировальный эффект.

Существенно увеличить эффективность амортизирующих устройств можно в комбинированных фрикционных поглощающих аппаратах, получающих все большее распространение. Основное поглощение энергии в них происходит на поверхностях трения, однако применение современных высокоэффективных полимерных материалов, а также гидравлических и эластомерных амортизаторов в качестве рабочих элементов позволяет значительно улучшить характеристики аппаратов. По данным [13] энергоемкость подпорного блока можно существенно увеличить (до 30 % от общего усилия), если внедрить упругие полимерные элементы, теряющие устойчивость в процессе нагружения, что обеспечит выпуклую рабочую характеристику [14]. Это может в 1,5-2,0 раза увеличить энергоемкость подпора при неизменной максимальной силе. Подобную же (т. е. выпуклую) характеристику приобретает и поглощающий аппарат в целом, что дает возможность перевести его класс уровня Т1 в уровень Т2.

Актуальной с точки зрения экономической целесообразности является также разработка полностью металлических фрикционных поглощающих аппаратов.

В классах Т2 и Т3 представлены эластомер-ные поглощающие аппараты. В них используется эффект гидродинамических потерь при перетекании эластомера через малый кольцевой зазор.

Производство эластомерных поглощающих аппаратов в России началось в 90-х годах ХХ в., и первым стал 73ZW с ходом 90 мм. Позднее был запущен серийный выпуск аппарата 73ZWy2 с ходом 110 мм, который по характеристикам соответствовал классу Т3.

Другим примером эластомерного поглощающего аппарата является АПЭ-95-УВЗ с ходом 95 мм. Еще две модели поглощающих аппаратов выпускает АО «Авиаагрегат». Освоение производства началось с аппарата АПЭ-120-И с ходом 120 мм. Он имеет две внутренние камеры - цилиндрическую и сферическую, что позволило реализовать довольно большую силу статического закрытия. С 2009 г. началось производство аппаратов АПЭ-90-А.

Использование поглощающих аппаратов Т2 и Т3 понижает уровень продольных сил в вагонах, в сравнении с аппаратами класса Т1. Оборудование вагонов для перевозки опасных грузов (в том числе и при продлении их срока службы) такими поглощающими аппаратами значительно уменьшает вероятность возникновения нештатных и аварийных ситуаций, а также понижает степень повреждающего воздействия при их возникновении. Это подтверждает обоснованность требований действующих нормативных документов по оборудованию автосцепного устройства вагонов-цистерн и специализированных вагонов, перевозящих ценные и опасные грузы, поглощающими аппаратами классов Т2 и Т3.

Применение поглощающих аппаратов классов Т2 и Т3 увеличивает остаточный ресурс элементов конструкции вагона, воспринимающих продольную нагрузку, и обеспечивает более безопасное движение тяжеловесного поезда. Вместе с тем высокая стоимость аппаратов классов Т2 и Т3 обусловливает их внедрение только на вагонах для перевозки опасных грузов.

Таким образом, развитие конструкций поглощающих аппаратов, направленное на рост их энергоемкости, является одним из решающих факторов увеличения эффективности использования грузовых вагонов и повышения безопасности движения.

Библиографический список

1. Мачерет Д. А. Анализ долгосрочной динамики скоростей в грузовом движении / Д. А. Маче-

рет // Вагоны и вагонное хозяйство. - 2012. - № 5. -С. 66-71.

2. Сендеров Г. К. Анализ причин поступлений грузовых вагонов в текущий отцепочный ремонт / Г. К. Сендеров, Е. А. Поздина, В. Б. Митюхин,

B. П. Архипов, Л. Б. Володина // Железнодорожный транспорт. - Сер. Вагоны и вагонное хозяйство. Ремонт вагонов. - 1998. - Вып. № 3-4. - С. 29-44.

3. Клавдиенко О. А. Сохранность вагонного парка: проблемы остаются / О. А. Клавдиенко // Вагоны и вагонное хозяйство. - 2013. - № 1. - С. 23-25.

4. Беляев В. И. Классификация поглощающих аппаратов автосцепки и безопасность движения грузовых вагонов / В. И. Беляев, Д. А. Ступин, И. А. Харыбин // Вагоны и вагонное хозяйство. -2016. - № 2. - С. 18-21.

5. Технические требования на разработку автосцепного устройства грузовых вагонов нового поколения № ЦВА-10/31-99. - М. : МПС России, 1999.

6. НБ ЖТ ЦВ-ЦЛ 022-2000. Устройства автосцепные подвижного состава железных дорог. Нормы безопасности. - М. : МПС России, 2000.

7. Нормы для расчета и проектирования вагонов, железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). - М. : ГосНИИВ ; ВНИИЖТ, 1996. - 317 с.

8. ОСТ 32.175-2001. Аппараты поглощающие автосцепного устройства грузовых вагонов и локомотивов. Общие технические требования. - М. : МПС России, 2001.

9. ГОСТ 32913-2014. Аппараты поглощающие сцепных и автосцепных устройств железнодорожного подвижного состава. Технические требования и правила приемки. МКС 03.220.30. - М. : Стандар-тинформ, 2015.

10. ГОСТ 19433-88. Грузы опасные. Классификация и маркировка. - М. : Изд-во стандартов, 1990 ; 2-е изд. - М. : Изд-во стандартов, 2004.

11. Болдырев А. П. Разработка и исследование фрикционно-полимерного поглощающего аппарата ПМКП-110 класса Т1 / А. П. Болдырев, Б. Г. Кеглин, А. В. Иванов // Вестн. ВНИИЖТ. - 2005. - № 4. -

C. 40-44.

12. Кеглин Б. Г. Улучшение конструкции поглощающих аппаратов / Б. Г. Кеглин, Л. Н. Никольский, А. Г. Стриженок // Железнодорожный транспорт. -1980. - № 6. - С. 23-26.

13. Артюх Г. В. Перспективы совершенствования поглощающих аппаратов железнодорожных вагонов / Г. В. Артюх, Е. И. Иванов, Ю. В. Сергиенко, Т. В. Корчагина, В. В. Лысенко // Защита металлур-

гических машин от поломок : межвуз. тематич. сб. науч. трудов. - Мариуполь : ПГТУ, 2012. - Вып. 14. -С. 174-179.

14. Пенкин Н. С. Гуммированные детали машин / Н. С. Пенкин. - М.: Машиностроение, 1977. - 200 с.

References

1. Macheret D. A. Analiz dolgosrochnoi dinamiki skorostei v gruzovom dvizhenii [Analysis of long-term speed dynamics in freight moving]. Cars and car facilities, 2012, no. 5, pp. 66-71.

2. Senderov G. K., Pozdina E. A., Mityukhin V. B., Arkhipov V. P. & Volodina L. B. Analiz prichin postu-plenii gruzovykh vagonov v tekushchii ottsepochnyi remont [Analysis of reasons of freight cars incoming to current cut repair]. Railway Transport. Series: Cars and car facilities. Car repairing, 1998, issue 3-4, pp. 29-44.

3. Klavdienko O.A. Sokhrannost vagonnogo parka: problemy ostayutsya [Safety of car park: problems remain]. Cars and car facilities, 2013, no. 1, pp. 23-25.

4. Belyaev V. I., Stupin D. A. & Kharybin I.A. Klas-sifikatsiya pogloshchayushchikh apparatov avtostsepki i bezopasnost dvizheniya gruzovykh vagonov [Classification of automatic coupling cushioning devices and safety in operation of freight cars]. Cars and car facilities, 2016, no. 2, pp. 18-21.

5. Tekhnicheskie trebovaniya na razrabotku avtost-sepnogo ustroistva gruzovykh vagonov novogo poko-leniya [Technical requirements for developing automatic coupling device offreight cars of new generation], no. ^A-10/31-99. Moscow, Ministry of communication lines of Russia Publ., 1999.

6. NB ZhT ShB-ShL 022-2000. Ustroistva avtost-sepnye podvizhnogo sostava zheleznykh dorog. Normy bezopasnosti [Automatic coupling devices of railway rolling stock. Standards of safety]. Moscow, Ministry of communication lines of Russia Publ., 2000.

7. Normy dlya rascheta iproektirovaniya vagonov zheleznykh dorog MCL kolei 1520 mm (nesamokhod-nykh) [Standards for accounting and projecting cars,

MCL railways of 1520 mm track

8. SSS [State Standard Specification] 32.175-2001. Apparaty pogloshchayushchie avtostsepnogo ustroistva gruzovykh vagonov I lokomotivov. Obshchie tekhnicheskie trebovaniya [Cushioning devices of automatic coupling of freight cars and locomotives. General technical requirements]. Moscow, Ministry of communication lines of Russia Publ., 2001.

9. SSS [State Standard Specification] 32913-2014. Apparaty pogloshchayushchie stsepnykh i avtost-sepnykh ustroistv zheleznodorozhnogo podvizhnogo sostava. Tekhnicheskie trebovaniya i pravila priemki [Cushioning mechanisms of coupling and automatic coupling devices of railway rolling stock. Technical requirements and acceptance rules]. MKS 03.220.30. Moscow, Standard inform Publ., 2015.

10. SSS [State Standard Specification] 19433-88. Gruzy opasnye. Klassifikatsiya i markirovka [Cargo dangerous. Classification and labeling]. Moscow, Standard publishing house, 2004.

11. Boldyrev A. P., Keglin B. G. & Ivanov A. V. Raz-rabotka i issledovanie friktsionno-polimernogo po-gloshchayushchego apparata PMKP-110 klassa T1 [Developing and investigation of friction-polymeric cushioning device of PMKP-110 class T1]. JSC "VNIIZHT" Bulletin, 2005, no. 4, pp. 40-44.

12. Keglin B. G., Nikolsky L. N. & Strizhenok A. G. Uluchshenie kostruktsii pogloshchayushchikh apparatov [Improving cushioning devices construction]. Railway Transport, 1980, no. 6, pp. 23-26.

13. Artyukh B. G., Ivanov E. I., Sergienko Yu. V., Korchagina T. V. & Lysenko V. V. Perspektivy sover-shenstvovaniya pogloshchayushchikh apparatov zhe-leznodorozhnykh vagonov [Perspectives of perfecting cushioning devices of railway cars]. Protection of metallurgic machines from breakage: interacademic thematic collection of scientific papers. Mariupol, Pryazovskyi State Technical University Publ., 2012, issue 14, pp.174-179.

14. Penkin N. S. Gummirovannye detali mashin [Rubberized machine details]. Moscow, Engine building Publ., 1977, 200 p.

*БОЛДЫРЕВ Алексей Петрович - доктор техн. наук, профессор, apb.tubryansk@gmail.com (Брянский государственный технический университет); СТУПИН Дмитрий Алексеевич - канд. техн. наук, заведующий лабораторией, dstupin@list.ru (ОАО «ВНИИЖТ»); ГУРОВ Александр Михайлович - канд. техн. наук, технический директор, gurov@diprom.ru (ООО «НПП Дипром»).