Анализ конструкции литой и сварной боковых рам трехэлементных тележек грузовых вагонов

Значение шероховатости материала рабочей поверхности коллектора ТЭД после обработки достигает порядка 0,3 мкм при регламентированной технологическим процессом ремонта 3,2 мкм. Исходя из изложенного выше осуществляется выбор генератора импульсов. Наиболее подходящим является высокочастотный транзисторный генератор импульсов типа ГТИ-3.

Таким образом, использование предлагаемой инновационной технологии ремонта тяговых электрических машин и установки для формирования углеродистого слоя на рабочей поверхности медных пластин коллектора позволит повысить износостойкость рабочей поверхности коллектора, улучшить физико-механические и эксплуатационные свойства рабочей поверхности коллектора, что приведет к увеличению ресурса работы электрической машины постоянного тока.

Список литературы

1. Анализ технического состояния электровозного парка по сети железных дорог России за 2009 год [Текст] / Департамент локомотивного хозяйства ОАО «РЖД». М., 2009. - 77 с.

2. Харламов, В. В. Диагностирование состояния коммутации коллекторных электродвигателей с использованием прибора ПКК-5М [Текст] / В. В. Харламов, П. К. Шкодун, А. П. Афонин // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2011. -№ 3 (7). С. 52 - 57.

3. Авилов, В. Д. К вопросу о повышении коммутационной устойчивости коллекторных электрических машин постоянного тока [Текст] / В. Д. Авилов, П. Г. Петров, Е. М. Моисее-нок // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2010. - № 2 (2). -С. 2 - 6.

4. Белан, Д. Ю. Повышение надежности работы коллекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей [Текст] / Д. Ю. Белан, В. М. Лузин // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2010. - № 4 (4). - С. 6 - 11.

5. Гадалов, В. Н. Локальное избирательное нанесение электрофизических покрытий на металлообрабатывающий инструмент [Текст] / В. Н. Гадалов, Д. Н. Романенко, И. М. Горякин // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2008. № 4. - С. 20 - 24.

6. Пат. 121659 Российская Федерация, МПК Н 01 R 43/06. Устройство для формирования углеродистого слоя на рабочей поверхности медных пластин коллектора [Текст] / Белан Д. Ю., Ражковский А. А., Волошин А. С., Логвиненко А. А.; заявитель и патентообладатель Омский гос. ун-т путей сообщения. - № 2012119539/07; заявл. 11.05.12; опубл. 27.10.12. Бюл. № 30.

УДК 629.46:629.4.027.23

А. О. Вельский

АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИИ ЛИТОЙ И СВАРНОЙ БОКОВЫХ РАМ ТРЕХЭЛЕМЕНТНЫХ ТЕЛЕЖЕК ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ

В статье выполнен анализ конструкции литой и сварной боковых рам трехэлеметных тележек. Рассмотрены направления дальнейшего совершенствования конструкции боковой рамы тележки.

В последнее время на сети железных дорог ОАО «РЖД» сложилась крайне неудовлетворительная ситуация, связанная с эксплуатацией тележек грузовых вагонов [1, 2]. С 2002 по 2011 г. включительно произошло 89 изломов боковых рам тележек грузовых вагонов. При этом число изломов боковых рам из года в год постоянно увеличивается (рисунок 1).

14) 3

ю о S о к

со S О ю н о

<D

tr s к

о «

2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 200В 2009 2010 2011

Год -

Рисунок 1 - Распределение изломов

На вагонных ремонтных предприятиях ОАО «РЖД» за 2011 г. было забраковано 17,8 тыс. боковых рам, на вагонных эксплуатационных предприятиях порядка 7,5 тыс. При этом вагоностроительные заводы не могут перекрыть образовавшийся дефицит, так как основные свои литейные мощности из-за сложившейся экономической ситуации в стране вынуждены направлять на выпуск новых вагонов.

По подсчетам НП «Объединение производителей железнодорожной техники» (НП «ОПЖТ») в конце 2011 г. на рынке не хватало 30000 вагонокомплектов литья. Можно констатировать, что дефицит боковых рам стал одной из причин увеличения срока ремонта вагонов, предусмотренного договорами между собственниками и вагонными ремонтными предприятиями. Так, если в 2007 г. средний простой одного вагона в деповском ремонте составлял четверо суток, то в 2011 г. - уже семь. Все это привело к тому, что цены на боковые рамы достигли рекордных значений: сегодня стоимость новой боковой рамы для собственника подвижного состава достигла 140000 р.

Руководство компании ОАО «РЖД» пытается перекрыть сложившийся дефицит боковых рам различными способами:

совершенствованием существующих моделей тележек; импортом литья из Китая; переходом на сварные конструкции.

В 2010 г. в соответствии с классификатором ИВЦ ЖА КЖА-211510 «Тележки грузовых вагонов. Классификатор» помимо тележки модели 18-100 на сети железных дорог колеи 1520 мм были допущены к эксплуатации еще 13 моделей тележек грузовых вагонов. Всего же на сегодняшний день разработано более 30 разнообразных моделей тележек грузовых вагонов. Новые решения связаны в основном с введением упругих скоб и полиуретановых элементов между буксой и боковой рамой тележки, износостойких элементов пары трения и амортизаторов беззазорных скользунов. Такой путь решения проблемы, особенно при необходимости увеличения осевой нагрузки и маршрутной скорости движения грузовых поездов, по мнению многих ученых, не является перспективным [2].

Импорт литья из Китая предназначен также для удовлетворения текущих потребностей, а создание сварных конструкций боковых рам должно сработать и на перспективу.

Возможность изготовления сварной конструкции боковой рамы предусмотрена как действующими [3], так и разрабатываемыми стандартами двухосных тележек для грузовых вагонов, однако до настоящего времени, кроме отдельных случаев для специальных вагонов, такая тележка для массового использования не создана. В вагонах стран Евросоюза такие конструкции тележки созданы, например 7-25, с нагрузкой на ось 23,5 т и подобные ей конструкции 25 т на ось [4]. Применение принципов, заложенных в конструкции тележки 7-25,

I

ИЗВЕСТИЯ Транссиба

для отечественных грузовых вагонов неприемлемо по нескольким причинам, главными из которых являются разные условия эксплуатации - горизонтальное формирование составов в Европе и роспуск с сортировочных горок в РФ и, соответственно, более высокие нормативные требования к прочности конструкции. Если же учесть перспективу создания тележек с увеличенной нагрузкой на ось [5], а также вопросы взаимозаменяемости элементов ходовой тележки и минимизации ее воздействия на железнодорожный путь, то становится ясно, что необходимо иметь свое направление в разработке тележки грузового вагона со сварными элементами взамен литых.

Для перспективных тележек грузовых вагонов ОАО «Крюковский вагоностроительный завод» (КВСЗ) создана конструкция сварной боковой рамы (рисунок 2) [6]. Боковая рама КВСЗ изготавливается из листового проката низколегированной стали 09Г2Д-12 или 09Г2С. Сварная боковая рама КВСЗ имеет аналогичные по форме элементы в конструкции, что и литая: объединенные пояса и колонки, образующие в средней части проем для размещения комплекта центрального рессорного подвешивания, а по концам - буксовые проемы для размещения корпусов букс колесных пар.

а б

Рисунок 2 - Чертеж сварной боковой рамы КВСЗ

Применение сварных боковых рам теоретически позволяет иметь следующие преимущества перед аналогичными литыми рамами:

меньший уровень брака, возникающего при изготовлении, из-за появления возможности исправления дефектов боковой рамы (вырезания окон, приварки ребер);

большая жесткость при одинаковом с литыми рамами габаритом сечений и при меньшем, чем у литых, весе;

уменьшенные затраты времени на изготовление, вследствие чего повышается конкурентоспособность изготовляемой боковой рамы;

экономия металла при изготовлении, которая может достигать 30 %, за счет уменьшения припусков на обработку и более высокой механической прочности сварных боковых рам;

уменьшение стоимости изготовления - капитальные затраты литейных цехов значительно превосходят затраты на сварочное оборудование (нет необходимости плавления большого количества металла);

возможность создания полностью автоматизированного и механизированного производства.

Расчет напряженно-деформированных состояний (НДС) на прочность сварной и литой боковых рам был выполнен в соответствии с «Нормами для расчета и проектирования грузовых вагонов железных дорог колеи 1520 мм Российской Федерации» [7] методом конечных элементов в программном комплексе SolidWorks Simulation.

SolidWorks Simulation обладает некоторыми преимуществами перед другими программными комплексами при решении подобных задач [8]:

- упрощен процесс создания модели конструкции;

- осуществляется задание силовых и граничных условий;

- возможность моделирования сложных сварных соединений в конструкции.

Расчет НДС был выполнен для I и III режимов нагружения:

I расчетный режим характеризует относительно редкое сочетание экстремальных нагрузок. Основное требование при расчете на прочность по этому режиму - не допустить появление остаточных деформаций (повреждений) в элементах боковой рамы. В эксплуатации I расчетному режиму соответствуют осаживание и трогание тяжеловесного состава с места; соударение вагонов при маневрах, в том числе при роспуске с сортировочных горок; экстренное торможение в поездах при малых скоростях движения;

III расчетный режим рассматривает относительно частое возможное сочетание умеренных по величине нагрузок, характерное для нормальной работы вагона в движущемся поезде. Основное требование при расчете по этому режиму - не допустить усталостного разрушения элементов боковой рамы. В условиях эксплуатации III расчетный режим соответствует движению вагона в составе поезда по прямым и кривым участкам пути и стрелочным переводам с допускаемыми скоростями, вплоть до конструкционной; при периодических служебных и регулировочных торможениях; периодических умеренных рывках и толчках; штатной работе механизмов и узлов вагона.

При расчетах на прочность принималось допущение, что литая и сварная конструкции боковых рам воспринимают идентичные нагрузки как по величине и направлению, так и по месту приложения. Модели боковых рам рассчитывались для осевой нагрузки 23,5 т. Для более точного сравнения результатов конечно-элементные модели боковых рам были составлены из конечных элементов, имеющих одинаковые свойства.

Анализ НДС (рисунки 3 и 4) показывает, что сварные боковые рамы имеют те же слабые элементы в конструкции, что и литые, а именно: внутренний и наружный угол буксового проема, углы рессорного проема, кромки технологических окон [9]. При этом напряжения в аналогичных сечениях в сварной боковой раме на 10 - 15 % ниже, чем в литой.

Рисунок 3 - НДС боковых рам при I расчетном режиме: сварная (а) и литая (б) конструкция

Рисунок 4 - НДС боковых рам при III расчетном режиме: сварная (а) и литая (б) конструкция

К недостаткам сварной боковой рамы, кроме этого, относятся трудности, возникающие при изготовлении сварных соединений, а именно:

необходимость обеспечения плотного прижатия верхнего и нижнего листов нижнего пояса к вертикальной перегородке по всей поверхности соединения при осуществлении сварочных работ, для обеспечения непосредственной передачи вертикальных усилий в эксплуа-

тации. Если это условие не будет выполнено хотя бы на небольшом отрезке боковой рамы, то вертикальное усилие будет передаваться посредством только сварного шва, что приведет к возникновению концентратора напряжений и, возможно, к образованию трещины;

изменение в сторону ухудшения механических свойств основного металла при сварке из-за нагрева места шва;

возникновение остаточных напряжений из-за неоднородного нагрева свариваемых листов и, как следствие, появление остаточных деформаций;

существенная анизотропия свойств материала в сварном шве;

возникновение в области сварного шва местных напряжений, существенно влияющих на его прочность, особенно в условиях переменного нагружения;

высокие концентрации напряжений и другие неблагоприятные факторы делают сварные соединения недолговечными при переменной внешней нагрузке и особенно в условиях ударного нагружения;

довольно сложный контроль качества сварного шва.

Сложность создания сварной боковой рамы, помимо всего, заключается в отсутствии в нормативных документах на расчет и проектирование железнодорожной техники полного объема критериев, характеризующих различные сварные соединения, в частности, коэффициентов концентрации и др.

В настоящее время вопросом создания сварной боковой рамы, кроме КВСЗ, занимаются многие научные и производственные организации России и СНГ, такие как ОАО «НПК «УралВагонЗавод» (УВЗ), НВЦ «Вагоны», НИЦ УК «РэйлТрансХолдинг» и др. Появление сварной боковой рамы откладывается на неопределенный срок, и, следовательно, сегодня необходимо параллельно рассматривать другие способы улучшения технических характеристик литых боковых рам трехэлементных тележек грузовых вагонов.

Одним из способов улучшения технических характеристик литых боковых рам является применение метода упругопластического деформирования (УПД), применяемого при изготовлении боковых рам на УВЗ. Применение метода УПД позволяет обеспечивать формирование в трещиноопасных зонах остаточных напряжений обратного знака рабочим напряжениям и, как следствие, повысить срок службы боковой рамы.

ПКБ ЦВ ОАО «РЖД» с 1999 г. для повышения технических характеристик боковых рам внедряется проект М1698. В настоящее время по нему модернизированы почти все тележки собственности ОАО «РЖД». Модернизация боковой рамы по проекту М1698 предусматривает установку сменной накладки в буксовый проем боковой рамы тележки на опорную поверхность, а также замену типовых фрикционных планок боковой рамы составными. Применение проекта М1698 позволяет снизить износ трущихся поверхностей, одновременно повышая межремонтный пробег со 120 до 160 тыс. км, но не позволяет снизить вероятность возникновения трещин.

На кафедре «Вагоны и вагонное хозяйство» ОмГУПСа рассматривается вопрос повышения технических характеристик боковой рамы путем ввода в буксовый проем дополнительных устройств, предназначенных для снижения и перераспределения нагрузок, действующих на элементы боковой рамы. Применение данного устройства теоретически позволяет снизить вероятность возникновения и развития трещин в буксовом проеме. В данный момент ведется подготовка к проведению натурных испытаний.

Список литературы

1. Галиев, И. И. Безопасность движения, проблемы тяги и динамики поезда и их исследование методом фракционного анализа [Текст] / И. И. Галиев, В. А. Нехаев, В. А. Николаев // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2010. - 1(1). -С. 98 - 106.

2. Галиев, И. И. Безопасность движения грузовых поездов и динамические свойства ходовой части вагона [Текст] / И. И. Галиев, В. А. Нехаев, В. А. Николаев // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2012. - 1(9). - С. 107 - 112.

14) 3

3. ГОСТ 9246-2004. Тележки двухосные грузовых вагонов магистральных железных дорог колеи 1520 мм. Технические условия [Текст]. - М.: Изд-во стандартов, 2005. - 18 с.

4. Лукин, В. В. Вагоны: Учебник [Текст] / В. В. Лукин, П. С. Анисимов, Ю. П. Федосеев. -М.: Маршрут, 2004. - 424 с.

5. Стратегические направления научно-технического развития ОАО «Российские железные дороги» на период до 2015 г. («Белая книга» ОАО «РЖД») [Текст]. - 2007. - 54 с.

6. Пат. 2246416 С2 Российская Федерация, МПК В 61 F 5/52. Двухосная тележка грузового вагона [Текст] / Дейнеко С. Ю., Приходько В. И., Бондарь Н. А. и др. (Украина). -№ 2002133547/11; заявл. 10.12.02; опубл. 20.06.04.

7. Нормы для расчета и проектирования грузовых вагонов железных дорог колеи 1520 мм Российской Федерации [Текст] / ВНИИЖТ. М., 1996. - 212 с.

8. Матяш, Ю. И. Выбор программного комплекса для расчета боковой рамы тележки [Текст] / Ю. И. Матяш, А. О. Бельский // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2011. - 1 (5). - С. 11 - 14.

9. Лукин, В. В. Расчет боковой рамы тележки грузового вагона методом конечных элементов [Текст] / В. В. Лукин, А. О. Бельский // Совершенствование технологии ремонта и технического обслуживания вагонов: Межвуз. темат. сб. науч. тр. / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2009. - 72 с.

УДК 629.4

Е. Г. Гурова, В. С. Курбатов, А. К. Воробьева

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВИБРОИЗОЛИРУЮЩЕЙ ПОДВЕСКИ С НЕЛИНЕЙНЫМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ КОМПЕНСАТОРОМ ЖЕСТКОСТИ И

С ЛИНЕЙНОЙ СИСТЕМОЙ ПЕРЕСТРОЙКИ

В статье выполнено математическое описание, позволяющее оценить свойства системы на стадии ее теоретической разработки. Рассмотрена модель виброизолирующей подвески с линейной системой перестройки, которая позволяет исследовать динамические характеристики виброизолирующей системы с электромагнитным компенсатором жесткости. Приведены результаты моделирования в программе Matlab.

Сегодня одними из главных проблем на железнодорожном транспорте являются шум и вибрация, создаваемые работающими двигателями и механизмами. Вредное влияние вибрации заключается в том, что она, распространяясь, разрушает машины и сооружения, оказывая влияние на их надежность и работоспособность, и нередко приводит к авариям. Решением проблемы снижения вибрационных колебаний занимается не один коллектив авторов по разработке пассивных, активных виброизоляторов, виброзащитных устройств. Наиболее перспективными следует считать виброизолирующие устройства с плавающим участком нулевой жесткости [4, 5]. В работах [1, 3, 6] предложено виброизолирующее устройство с электромагнитным компенсатором жесткости. Разработанный компенсатор характеризуется рядом преимуществ по сравнению с предлагаемыми ранее механическими компенсаторами [3, 6].

ЯН

1  1  1

Гп Рк

У : 1 \ т } \

1 1:1: : :

: : : X

1 :

I 7 !> К

: :

1

/ / 1 МП! / / ! ! / / / /

Рисунок 1 - Математическая модель виброизолирующей подвески с компенсатором жесткости без системы перестройки