01.09.2001.

Тормозные системы для грузовых вагонов нового поколения

Для перспективных условий эксплуатации грузовых вагонов Министерством путей сообщения Российской Федерации сформулированы и выданы промышленности для разработки конструкций основные параметры грузовых вагонов нового поколения с осевой нагрузкой до 25 тс при скорости до 120 км/ч. При меньших осевых нагрузках конструкционная скорость может достигать 140 км/ч. В соответствии с этим параметрами ВНИИЖТом  разработаны и утверждены МПС России технические требования к тормозным системам грузовых вагонов с осевой нагрузкой до 25 тс и максимальной скоростью 120 км/ч, а также грузовых вагонов, предназначенных для эксплуатации со скоростью 140 км/ч.

В.Г. ИНОЗЕМЦЕВ, член-корреспондент РАН
В.В. КРЫЛОВ, кандидат технических наук

ОРМОЗНЫЕ системы новых вагонов рассчитаны на работу в специализированных грузовых поездах, обращающихся со скоростями до 120 км/ч с составами до 50 вагонов и до 140 км/ч с составами меньшей длины, а также в обычных грузовых поездах любого установленного в эксплуатации веса и длины. Эти вагоны оснащаются композиционными тормозными колодками, при этом механическая часть тормоза рассчитывается именно на этот тип колодок. МПС может в техническом задании на разработку конструкции предусмотреть возможность установки на вагоны не только композиционных, но и чугунных тормозных колодок. Однако при принятии такого решения заказчику следует иметь в виду связанное с этим усложнение и утяжеление тормозной системы. При расчёте на применение только композиционных колодок система тормоза получается в оптимальном варианте.

На вагонах нового поколения целесообразно использовать разрабатываемую промышленностью модификацию воздухораспределителя №483 с ускоренными процессами наполнения тормозных цилиндров и пассажирским режимом торможения и отпуска (в дополнение к обычному грузовому режиму). Это позволяет при прочих равных условиях обеспечить заданный тормозной путь при несколько меньшем (на 10 – 15%) расчётном нажатии тормозных колодок, что важно с точки зрения обеспечения лучших условий работы колёсных пар и их сохранности. Прорабатывается также возможность применения электропневматического тормоза.

Существующая тормозная система грузовых вагонов с одним тормозным цилиндром и громоздкой рычажной передачей обладает рядом недостатков, затрудняющих её использование не только на грузовых вагонах нового поколения, предназначенных для скоростей движения до 120 – 140 км/ч, но и на вагонах с переменной по их длине загрузкой, а также вагонов-хопперов. К таким недостаткам относятся сложность регулировки рычажной передачи, неравномерность усилий нажатия колодок по тележкам, существенные потери усилий в рычажной передаче, отсутствие возможности регулирования тормозных сил в соответствии с нагрузкой на тележки. Это приводит в эксплуатации к нестабильности удельных тормозных сил тележек и вагона в целом, а также к повышенной повреждаемости поверхности катания колёс при торможениях с больших скоростей.

Для грузовых вагонов нового поколения в целях обеспечения повышенной и стабильной в эксплуатации тормозной эффективности рекомендуется применять два тормозных цилиндра, воздействующих на соответствующую тележку, или тормозные цилиндры, размещаемые на этих тележках. В последнем случае, естественно, количество тормозных цилиндров увеличивается, а сами они соединены с источником сжатого воздуха, т.е. воздухораспределителем или с реле давления через гибкие шланги. Для присоединения таких тормозных цилиндров целесообразно использовать резино-текстильные рукава, бронированные металлом в целях защиты их от повреждений.

Обязательно применение автоматических регуляторов грузовых режимов торможения (авторежимов). Для вагонов, эксплуатирующихся в порожнем состоянии или с загрузкой более 90% от максимально расчётной (цистерны и ряд других специализированных вагонов), допускается использование специального автоматического переключателя режимов «порожний-гружёный» по давлению воздуха в тормозных цилиндрах.

На вагонах с неравномерной по длине загрузкой необходимо применять два авторежима (по одному на каждую тележку). При наличии двух авторежимов количество тормозных цилиндров должно быть также не менее двух и каждый авторежим должен работать на свой тормозной цилиндр или на группу цилиндров, расположенных на тележках.

ЕРСПЕКТИВНЫЕ вагоны должны иметь повышенную эффективность тормозных средств в связи с более высокими скоростями движения, и это предъявляет особые требованы к авторежиму по точности его работы и диапазону регулирования давления в цилиндре в зависимости от загрузки вагона. Грузовой авторежим должен регулировать давление в тормозном цилиндре практически во всём диапазоне (90 – 95%) грузоподъёмности вагона. 

Для перспективного авторежима потребуется применение специального рычажного привода для регулирования давления порожнего режима в зависимости от массы тары вагона. Давление в тормозном цилиндре при полной загрузке вагона, как известно, не может быть выше того, которое даёт воздухораспределитель. Рычажный привод необходим также и при использовании типового авторежима №265А-1 с целью увеличения диапазона регулирования давления в цилиндре до 90 – 95% от полной загрузки вагона. Без этого привода авторежим №265А-1 производит регулирование давления только до 55 – 60%.

В тормозном воздухопроводе должны применяться стальные усиленные бесшовные холоднодеформированные трубы: для тормозной магистрали с наружным диаметром 42 мм и толщиной стенки 4 мм; подводящих трубопроводов – с наружным диаметром 27 мм и толщиной стенки 3,2 мм. Для отвода от тормозной магистрали к воздухораспределителю следует применять устанавливаемый магистрали специальный тройник и вворачиваемый в него разобщительный кран с атмосферным отверстием. Магистральный воздухопровод между тройником и концевыми кранами не должен иметь резьбовых соединений. Только для отдельных специализированных грузовых вагонов могут допускаться резьбовые соединения по согласованию с МПС. Радиус изгиба трубопроводов для тормозной магистрали должен быть не менее 500 мм, для подводящего трубопровода – не менее 100 мм. Резьбу трубопровода следует выполнять методом накатки. Монтаж трубопровода тормозной магистрали необходимо выполнять без провисания его ниже горизонтальной плоскости, проходящей через продольную ось концевых кранов. Разобщительные и концевые краны, а также соединительные рукава должны быть типовыми. На вагоне необходимо применять один запасной резервуар независимо от количества тормозных цилиндров. Его тип определяется объёмом тормозных цилиндров из расчёта реализации нормативных величин давлений. Для выпуска сжатого воздуха из запасных резервуаров рекомендуется устанавливать на трубопроводе перед резервуаром выпускной клапан без поводка.

Конструкция тормозной рычажной передачи должна обеспечивать равномерное распределение сил, действующих на тормозные колодки, независимо от степени их износа, а также равномерный по длине колодок зазор между ними и поверхностями катания колёс при отпущенном тормозе вагона. Элементы тормозной рычажной передачи рассчитываются на механическую прочность при расчётном давлении в тормозных цилиндрах 4,5 кгс/см². Механическое тормозное оборудование должно обеспечивать надёжную работу тормоза вагонов при допустимых в эксплуатации выходах штоков тормозных цилиндров до полного износа тормозных колодок и круга катания колес и без взаимодействия элементов тормозной рычажной передачи с другими частями кузова и тележки вагона. Тормозная передача должна быть рассчитана на применение композиционных тормозных колодок толщиной до 65 мм. Ручное регулирование рычажной передачи в тележках с оптимальным расположением рычагов можно использовать только по мере износа поверхности катания колёс.

Количество автоматических регуляторов тормозной рычажной передачи на вагоне должно быть не менее одного регулятора на один тормозной цилиндр; в многоцилиндровых установках целесообразно использовать регуляторы, встроенные в тормозной цилиндр. Для авторегуляторов, расположенных на тормозной рычажной передаче, необходимо применять рычажный привод с усилием пружины авторегулятора, приведённым к штоку тормозного цилиндра, эквивалентным давлению воздуха в тормозном цилиндре не более 0,15 кгc/см².

Каждый вагон должен быть оснащён стояночным тормозом с приводом, размещённым на боковой стороне вагона. При этом отпуск тормоза должен обеспечиваться без вращения штурвала. Стояночный тормоз следует рассчитывать на удержание вагона с полной расчётной загрузкой на уклоне крутизной не менее 0,03.

Имеющиеся на вагоне переключающие устройства («равнинный-горный» и «пассажирский-грузовой» режимы, воздухораспределитель «включён-выключен») должны быть доступны с любой стороны вагона, и положение этих переключателей должно быть ясно видимым. Если вагон не имеет грузового авторежима, то для переключения вручную трёх режимов воздухораспределителя по загрузке вагона (порожний, средний, гружёный) должен быть установлен специальный привод с рукоятками, положение которых чётко зафиксировано и видно по типу используемого режима.

При наличии авторежима, одного или двух, делается соответствующая надпись на вагоне.

ОРМОЗНАЯ эффективность вагона по композиционным тормозным колодкам должна соответствовать расчётному тормозному коэффициенту 0,25 при включении воздухораспределителя на гружёный режим и расчётном давлении в цилиндрах 4 кгс/см² и 0,17-0,18 - при включении воздухораспределителя на средний режим и давлении в цилиндрах 3 кгс/см².

Для указанных значений расчётного тормозного коэффициента обращение грузовых поездов с составами из вагонов нового поколения возможно без ограничения скоростей или увеличения действующих (установленных) расстояний ограждения мест препятствий:

на гружёном режиме со скоростями до 120 км/ч на участках обращения пассажирских поездов с максимальными скоростями до 140 км/ч и до 140 км/ч на участках обращения пассажирских поездов с максимальными скоростями более 140 до 160 км/ч; 
на среднем режиме со скоростями до 100 км/ч на участках обращения пассажирских поездов со скоростями до 140 км/ч.
Кроме того, тормозная система должна быть обеспечена необходимыми условиями работы по тепловым процессам торможения. Проверяется мощность, приходящаяся на одну тормозную колодку (она регламентирована соответствующими нормами), а также условия работы колёс независимо от числа действующих на колесо колодок.

При действии на колесо не менее двух тормозных колодок осевая нагрузка вагонов практически ограничивается не колодками, а условиями работы колеса.

Предельная статическая нагрузка, приходящаяся на одно колесо, может быть рассчитана с учетом тепловых процессов и напряженного состояния колёс по формуле:

P = 0,427D Δτ / {[0,05(1+γ)V2 / (S – i)] α_R√VS}, mc

где D – диаметр колеса вагона, м; Δτ – расчетное максимально допустимое повышение температуры поверхности катания колеса (°C) при наиболее эффективном торможении (принимается 400 – 450 °C); V – максимальная скорость, м/с; i – уклон пути, ‰; S – тормозной путь, м; α_R  – коэффициент распределения тепловых потоков.

Входящая в формулу температура Δτ для высокоэффективных тормозных процессов с высоким градиентом температур по глубине от поверхности трения является параметром, характеризующим не только условия работы фрикционного материала, но и напряженное состояние колеса. При композиционных тормозных колодках, применение которых необходимо для грузовых вагонов нового поколения, можно принимать α_R  = 1.

Расчет мощности, приходящейся на одну колодку при экстренном торможении на площадке, выполняется по формуле N = 0,255PV³ / mS, кВт, где m – число колодок, воздействующих на колесо.

Допускаемая максимальная мощность при торможении, приходящаяся на одну композиционную колодку, – 70 кВт. Исходя из этого требования при указанных выше значениях тормозных коэффициентов на тележках грузовых вагонов для скоростей 120 – 140 км/ч при осевых нагрузках более 16 тс должно применяться двустороннее нажатие композиционных колодок на колесо либо одностороннее с использованием секционных композиционных колодок (по две колодки в одном башмаке).

В настоящее время по заданию Департамента вагонного хозяйства МПС РФ разработаны технические требования на ряд новых устройств и приборов для грузовых вагонов нового поколения – компактных авторегуляторов рычажной передачи и тормозных цилиндров, в том числе и со встроенным регулятором, авторежимов с увеличенным диапазоном регулирования давления в цилиндрах в зависимости от загрузки вагона, автопереключателя грузовых режимов «порожний-гружёный» и др. Ведутся также работы по модернизации тормозного оборудования тележек модели 18-100 эксплуатационного парка грузовых вагонов.

Фрикционные материалы для тормозов

Материалы тормозных колодок

Колодочный тормоз — классическая система, широко применяемая и в настоящее время как в пассажирских вагонах с максимальной скоростью движения 140 км/ч, так и в большинстве грузовых. В этой тормозной системе колодки воздействуют непосредственно на поверхность катания колеса, образуя с ним пару трения. В качестве фрикционных материалов колодок используются серый чугун, композиционные и металлокерамические материалы.

Серый чугун

Серый чугун в течение десятилетий был единственным фрикционным материалом, недорогим, технологичным и щадящим поверхность катания колеса. Самым большим его недостатком является значительная зависимость коэффициента трения от скорости в начале торможения, а также от усилия прижатия (тормозная сила равна силе прижатия, умноженной на коэффициент трения). Однако этот недостаток компенсируется оптимизацией управления процессом торможения (рисунок).

Вместе с тем по мере повышения скорости движения и осевых нагрузок все отчетливее проявляются другие недостатки серого чугуна, поэтому в определенных случаях альтернативой ему выступают композиты.

Композиционные материалы

Композиционные материалы, или композиты (V-BKS), представляют собой сочетание связующего (смолы или каучука) с волокнами, а также минеральными и органическими наполнителями разных видов и процентного содержания (использовавшийся ранее в качестве наполнителя асбест с 1989 г. запрещен к применению).

Сравнение свойств материала V-BKS и серого чугуна показывает:

• коэффициент трения V-BKS значительно стабильнее, его величина варьируется в диапазоне 0,12 – 0,35 в зависимости от состава материала;
• износ композитов более равномерен, а его величина в 2 – 6 раз ниже, чем серого чугуна;
• степень некруглости колес, образующейся при эксплуатации, значительно меньше;
• фрикционные свойства при наличии влажности такие же, как и у чугуна.

С ужесточением экологических требований проявился еще один недостаток колодок из серого чугуна. Исследования показали, что образование некруглости колес в виде многоугольника, имеющее место при использовании колодок из серого чугуна, вызывает повышение уровня шума при движении подвижного состава, поэтому только благодаря замене чугуна на композит V-BKS можно снизить уровень шума от проходящего поезда на 10 дБ(А), или в 2 раза.

По этой причине принимаются меры, направленные на создание фрикционного материала, адекватного различным условиям и областям эксплуатации, позволяющего без изменений в конструкции тормозов заменить серый чугун материалом V-BKS, естественно, без снижения уровня безопасности и увеличения эксплуатационных расходов.

Свойства и области применения различных фрикционных материалов приведены в табл. 1.

Колодочные тормоза типов LL и К могут покрывать потребность в них имеющихся и новых грузовых вагонов. При этом требования к фрикционному материалу очень высокие, так как тормоза должны разрабатываться с учетом особенностей эксплуатации на альпийских переходах. В табл. 2 приведены фрикционные материалы, разработанные фирмой BECORIT специально для этих групп тормозов и уже имеющиеся на рынке.

К проблеме тепла, выделяющегося при торможении, изготовители колес подходят с новой концепцией. Разработана, например, новая геометрия колесного диска, позволяющая снижать возникающие тепловые напряжения до безопасных значений. Речь идет о колесах с изогнутым диском, уже используемых на железных дорогах.

Рабочая группа МСЖД подготовила технические условия на применение композита V-BKS в международном масштабе. Допуск к эксплуатации колодок из этого материала позволит изготовителям подвижного состава сразу оснащать ими вагоны и подвижной состав других видов для международных сообщений. DBAG, SBB и SNCF намерены до 2005 г. оборудовать весь эксплуатируемый парк грузовых вагонов тормозными колодками на базе V-BKS.

Материалы накладок
для дисковых тормозов

С повышением скорости и массы поездов простой и экономичный колодочный тормоз уже не может обеспечивать требуемую эффективность торможения, так как термические нагрузки на колеса возрастают до недопустимых значений. Поэтому, в первую очередь в вагонах пассажирских междугородных высокоскоростных и пригородных поездов, стал широко использоваться альтернативный дисковый тормоз.

В противоположность колодочному тормозу здесь можно наилучшим образом согласовывать между собой компоненты пары трения как конструктивно, так и по выбору материалов. В результате получается тормозная система с низкими эксплуатационными расходами, работающая без резких толчков и сильного шума при остановке поезда. При разработке накладок, в частности, перешли на более мягкую систему связующего материала и тем самым улучшили теплоотвод от накладки за счет более плотного прилегания ее к диску.

Для компаний — изготовителей и потребителей накладок, по крайней мере для крупных, было также выгодным ограничение их номенклатуры несколькими типоразмерами. Благодаря тому что допуск на применение накладок выдает МСЖД, возможно их неограниченное использование в поездах международного сообщения.

Требования к фрикционным материалам дискового тормоза вкратце выглядят следующим образом:

• скорость начала торможения — до 300 км/ч;
• коэффициент трения — 0,32 – 0,44;
• материал диска — чугун (серый или с шаровидным графитом), стальное литье;
• удельное давление при нажатии — 20 – 150 Н/см².

Постоянное совершенствование фрикционных материалов для тормозов железнодорожного подвижного состава обусловлено возрастанием требований к ним. Благодаря этому появлялись новые специальные материалы, в том числе и предназначенные для конкретных областей применения.

Примером таких целенаправленных разработок могут служить альтернативные фрикционные металлокерамические материалы на основе железа, бронзы или меди. В табл. 3 приведены свойства и области применения различных накладок для дисковых тормозов. Материалы фирмы BECORIT аналогичного назначения приведены в табл. 4.

Эффективность торможения оценивается по количеству выделяемой и поглощаемой энергии, измеряемой в джоулях. Если до 1990-х годов специалисты в области тормозной техники считали высшим достижением обеспечение восприятия энергии торможения 11 МДж в расчете на один тормозной диск (поезда TGV-PSE первого поколения), в настоящее время уже без проблем достигнуты значения выше 15 МДж (поезда TGV-A); близки к конкретной реализации системы, рассчитанные на 22 МДж, испытываются на стендах материалы на энергию торможения 28 МДж и разрабатываются новые на 40 МДж и более.

Предельные напряжения в системе тормозной диск — накладка определяются:

• растягивающими напряжениями в тормозном диске, вызванными термической деформацией;
• максимально допустимой температурой материала накладки.

При этом следует иметь в виду, что вследствие деформаций контактирующих поверхностей накладки и тормозного диска передача энергии не является однородной. В зонах перегрева (пятнах прижогов) температура и обусловленные ею напряжения в диске превышают допустимые. Это означает, что, например, при максимальной расчетной температуре 600 °C в зоне пятен прижога диска и накладки фактическая температура достигает 800 – 1000 °C. В связи с этим тормозную систему следует проектировать в расчете на значительно более высокие температуры.

Следовательно, дальнейшая оптимизация возможна только при условии, что существующая неоднородная передача тепла может быть изменена на однородную соответствующими конструктивными мероприятиями, к которым можно отнести:

• тормозной диск: симметричное крепление к ступице, возможность свободного расширения в радиальном направлении;
• тормозная накладка: дальнейшее сегментирование поверхности трения для лучшего прилегания к диску, применение упругих элементов крепления отдельных сегментов или их групп.

В новом высокоскоростном поезде ICE3 DBAG используется разработанная компанией Knorr-Bremse (Мюнхен, Германия) система накладок, в которых шестиугольные сегменты из металлокерамики BECORIT ВМ 40 крепятся к основанию группами по три. Благодаря этому удалось снизить пиковые температуры и, как следствие, уменьшить износ накладок.

Альтернативные материалы
и перспективы

В течение нескольких последних лет изготовители тормозов для железных дорог исследуют на пригодность новые материалы для тормозных дисков. Диски из алюминия, армированного карбидом кремния SiC, уже серийно используются на городской железной дороге Копенгагена, а также проходят длительные эксплуатационные испытания в высокоскоростных поездах ICE.

Проводятся испытания дискового тормоза с использованием углеродных материалов, которые в настоящее время применяются в современных самолетах и гоночных автомобилях «Формулы-1», а также исследуются в нескольких научных лабораториях. В табл. 5 приведены известные на сегодня новые материалы и их свойства.

Срок службы железнодорожных колес

В условиях жесткого диктата экономических факторов определение срока службы конструктивных элементов подвижного состава, в том числе колес, становится важной проблемой для компаний — изготовителей и железнодорожных операторов. При этом необходимо соблюсти оптимальное соотношение между первоначальной стоимостью колес и расходами их жизненного цикла (на техническое обслуживание и ремонт в течение всего срока службы).

Колеса, смонтированные на осях колесных пар, взаимодействуют с рельсами и тормозными колодками, образуя таким образом пары трения колесо — рельс и колесо — тормозная колодка. Но, как правило, независимо от эксплуатационных условий определяющим является аспект качения колеса по рельсу.

Колеса выполняют ряд функций, важных с точки зрения безопасности движения поездов:

• восприятие нагрузок от кузова и тележек подвижного состава;
• направление движения тележек в рельсовой колее;
• обеспечение вписывания подвижного состава в кривые;
• обеспечение (в большинстве случаев) работы тормозов.

Износ колес

Износ колеса, в общем виде определяемый через уменьшение толщины обода, можно рассматривать как результат прерывистого процесса, включающего этапы «чистого» эксплуатационного износа и репрофилирования (обточки).

Регулярный износ в эксплуатации обычно небольшой и составляет 1 – 3 мм на 100 тыс. км пробега, а общий достигает 3 – 7 мм на 100 тыс. км. Срок службы колеса по износу определяется главным образом обточками, при которых снимается значительно большее, чем в эксплуатации, количество металла. Обточки выполняют для восстановления исходного профиля и, следовательно, поддержания должных ходовых характеристик по динамике тележек и всего экипажа, а также для обеспечения минимального уровня безопасности путем устранения поверхностных дефектов механического или термического происхождения.

Основные виды дефектов колес

Характерные места возникновения дефектов различного происхождения показаны на рис. 1.

Дефекты, связанные с эксплуатацией

К ним относятся неравномерный износ, ползуны, кольцеобразные выработки от взаимодействия с тормозными колодками и т. п. Неравномерный износ связан с интенсивным торможением и потерей сцепления между колесом и рельсом. Он сопровождается металлургическими преобразованиями, которые могут за счет механических нагрузок приводить к образованию выщербин и трещин на поверхности катания.

Дефекты механического происхождения

В число этих дефектов, связанных с воздействием на колесо динамических нагрузок, входят пластические деформации при качении (прокат, выдавливание металла наружу), расслоение металла, трещины, повреждения усталостного происхождения в зоне контакта колеса с рельсом.

Расслоение металла характеризуется общей деградацией поверхности катания в противоположность неравномерному износу или выщербинам, которые появляются в отдельных зонах. Эти дефекты часто связаны с неадекватным соотношением между механическими характеристиками колесной стали и воспринимаемыми нагрузками. В США обычно к таким дефектам относят раковины и выкрашивание. Раковины определяются как потери металла от воздействия усталостных контактных нагрузок, выкрашивание — как следствие проскальзывания колеса по рельсу, в результате которого на поверхности катания колеса возникают высокие температуры. Повреждения усталостного происхождения при контакте колеса с рельсом являются в настоящее время наиболее частыми. В течение последних 30 лет цикличность технического содержания и срок службы колес постепенно увеличивались, а техника торможения изменилась (преимущественными стали дисковые тормоза), что способствовало повышению вероятности появления дефектов по факторам усталостной прочности. Усталостные дефекты характеризуются небольшими трещинами, распространяющимися приблизительно на 10 мм в глубь металла от поверхности катания и у основания гребня. Эти микротрещины ориентированы на 45 град относительно направления качения и обычно не приводят к развитию опасных трещин.

Внутренние дефекты

Внутренние дефекты, как правило, немногочисленны и случаются примерно у одного из 10 тыс. колес, но они могут привести к катастрофическим последствиям. Трещины зарождаются в 15 – 20 мм под поверхностью катания в зоне посторонних включений типа алюминатов (оксидов алюминия). По своему происхождению эти дефекты металлургические, но возникают и развиваются под действием циклических нагрузок. Глубина возникновения дефектов не соответствует местоположению максимальных напряжений среза по Герцу, которые располагаются на уровне 5 – 6 мм. Дефекты распространяются под действием усталости параллельно поверхности качения и заканчиваются на наружной поверхности гребня. Развитие трещины внутрь может привести к отколу от 200 до 250 мм поверхности гребня, что приводит к потере направляющих функций колеса. Некоторые другие факторы, такие, как наличие водорода в стали, также могут быть причиной возникновения трещин. В металлургической промышленности реализована прогрессивная технология дегазации стали в вакууме, которая сокращает количество дефектов, возникающих от присутствия в стали водорода.

Дефекты термического происхождения

Раковины. Эти дефекты связаны с перераспределением температурных полей, имеющим место на ободе колеса в наиболее слабых его зонах под воздействием трения о материалы, агрессивные для стали (композиционные). Главное различие между чисто термическими трещинами и прямолинейными, направленными параллельно оси колесной пары, заключается в том, что последние — более многочисленные, грубые и образуются в зоне контакта тормозной колодки и поверхности катания колеса. Термические раковины возникают в основном на гребне и наружной угловой грани обода, т. е. в зонах, наиболее чувствительных к термическим воздействиям из-за их меньшего поперечного сечения. Этот эффект усиливается из-за содержания в стали углерода. Термические раковины могут приводить к появлению радиальных трещин, сдвигу металла и, как следствие, к сходу колеса с рельса. Дефекты указанного типа часто наблюдались, в частности, в 1994 – 1995 гг. на альпийских маршрутах. Это привело к созданию концепции колес с низкими напряжениями (документ МСЖД 510-5) и ужесточению требований к контролю прочности стали (документ МСЖД 812.3, стандарт prEN 13262) и остаточных напряжений в процессе эксплуатации.

Трещины. Обычно дефекты этого вида относительно неглубокие и распространяются примерно на 3 – 4 мм. Трещины развиваются под поверхностью катания радиально и затем с наклоном 45 град, причем зачастую соединяются с другими трещинами. В таких случаях можно говорить о сколах на поверхности катания колеса. Эти дефекты, по всей вероятности, связаны с изменением полей напряжений в результате остаточного нагрева поверхности материала.

Коробление. Остаточные напряжения в ободе и коробление обусловлены химическим составом металла, но столь же часто и общей геометрией заготовки.

Динамические дефекты

Дефекты этого типа связаны с искажением геометрии в контакте колеса с рельсом (износ гребня и поверхности катания). Механический износ происходит вследствие присутствия третьего тела между колесом и рельсом или коррозии, что приводит к изменению параметров контакта и, следовательно, к потере устойчивости колесной пары. Конструкция тележки и профиль пути тоже оказывают существенное влияние на контактирующие тела. Искажение профиля приводит также к сокращению срока службы. Обточка колес позволяет восстановить первоначальный профиль. Действительно, износ обусловливает необходимость глубоких обточек, однако снятие металла при обточках в 5 раз превышает потери металла по прокату.

Между тем следует отметить, что классификация дефектов по тем или иным категориям является непростым делом из-за взаимозависимости их происхождения. Так, дефекты термического характера приводят к деградации колеса под действием механических нагрузок, и, следовательно, их можно классифицировать по этой последней категории.

Классификация дефектов

Железные дороги пользуются так называемой дефектной ведомостью, представляющей собой перечень наблюдаемых в эксплуатации дефектов. Ассоциация американских железных дорог (AAR) в «Руководстве по эксплуатации» составила такой перечень, но терминология на английском и французском языках не вполне совпадает, из-за чего могут иметь место разночтения. Если изучить долевое распределение дефектов колес основных типов на железных дорогах Северной Америки и Европы, можно констатировать, что в Америке порядка 57 % всего числа колес грузовых вагонов заменяют по естественному износу, а остальные 43 % по техническим проблемам, в том числе 8,7 % по термическим дефектам (или связанным с торможением), 18,3 % по искажению геометрии и 15,7 % по выщербинам; на внутренние дефекты приходится ничтожно малая доля. В Европе колеса заменяют преимущественно по термическим дефектам (36 %), искажению геометрии (33 %) и выщербинам (9 %); доля естественного износа составляет 14 %.

Технические решения
компании Valdunes

Компания Valdunes (Франция), один из крупнейших изготовителей колес для железнодорожного подвижного состава, приняла ряд решений с целью уменьшения дефектности колес.

Дефекты термического происхождения

Применение средне- и малоуглеродистых колесных сталей. Сталь марки RXT содержит 0,22 % углерода и слегка легирована хромом, магнием и кремнием для того, чтобы гарантировать характеристики, удовлетворяющие техническим требованиям R8T, предусмотренным документом МСЖД 812.3. Такой химический состав стали позволяет ограничить формирование мартенсита, в особенности у колесных пар, эксплуатируемых в комплекте с дисковыми тормозами без противоюзных устройств. На железных дорогах Великобритании срок службы колес платформ для перевозки контейнеров был за счет этого увеличен в 3 раза.

Изменение конструкции колес. Колеса типа VMS обеспечивают лучший контроль тепловых деформаций и остаточных напряжений в ободе колеса, а также более низкий уровень напряжений. Эти колеса имеют диаметр 730 мм для осевых нагрузок до 18 т, 840 мм для 18 – 20 т и 920 мм для нагрузок 20 – 25 т.

Дефекты механического происхождения

Применение стали новой марки. Колесная сталь марки UCS была разработана согласно стандартам AAR (класс В и С) и МСЖД (R7T). Целью было за счет уменьшения содержания углерода в стали снизить ее склонность к образованию термических выщербин, а за счет увеличения содержания кальция и хрома повысить пределы упругости и усталостной прочности. Эти усовершенствования наряду с контролем технологического процесса выплавки стали позволили гарантировать хороший уровень чистоты по посторонним включениям. Сталь UCS, соответствующая требованиям R7T, изучается с точки зрения использования в европейских колесных парах при осевых нагрузках, повышенных до 25 т.

Сочетание указанных новшеств дало возможность существенно улучшить эксплуатационные характеристики колес.

Распределение колес по срокам службы

На рис. 2 приведено распределение сроков службы по пробегу для колес подвижного состава разных типов.

Срок службы колес подвижного состава по пробегу может варьироваться в пределах от 250 тыс. км у вагонов трамвая до более чем 2 млн. км, т. е. почти в 8 раз больше, у прицепных вагонов высокоскоростных электропоездов семейства TGV.

Если рассмотреть распределение по сроку службы, например, колес грузовых вагонов, оно будет выглядеть так, как показано на рис. 3. В одном случае, характеризующемся экстремальными условиями эксплуатации (а), средний срок службы составляет около 250 тыс. км (среднеквадратическое отклонение 67 тыс. км), в другом случае, при более легких условиях (б), приближается к 1 млн. км (среднеквадратическое отклонение 195 тыс. км). Видно, что практически идентичные колеса могут иметь существенно отличный срок службы. Этот пример, конечно, особый, но он дает наглядное представление о значимости условий эксплуатации.

Факторы, влияющие на износ колес

Качество пути

Специалисты отмечают, что при использовании одного и того же локомотива на линиях горного и равнинного профиля интервал между обточками его колес по пробегу составляет 100 тыс. км в первом случае и 300 тыс. км во втором.

Аналогично на срок службы колес, а также рельсов может влиять твердость рельсовой и колесной стали. В настоящее время исследуется целесообразность использования рельсов, термообработанных до твердости 1000 и 1300 МПа.

Тормозные колодки

Композиционные и металлокерамические тормозные колодки имеют более высокий коэффициент трения и, следовательно, повышают эффективность торможения по сравнению с чугунными, но вместе с тем вызывают значительно больший износ колес. Недавний пример применения на подвижном составе метрополитена тормозных колодок из нормализованного сплава марки R2N согласно документу МСЖД 812.3 (средняя твердость равна 800 МПа) показал, что срок службы колес составляет 400 тыс. км, в то время как при переходе на композиционные колодки он сокращается в 2 раза, т. е. до 200 тыс. км. Переход на колодки из термически обработанного сплава марки R9T (средняя твердость 1000 МПа) позволяет надеяться на увеличение срока службы колес до 800 тыс. км.

В то же время даже колодки из сходных по тормозной эффективности материалов могут оказывать на колеса разное воздействие. Так, применение композиционных колодок вместо металлокерамических позволило почти удвоить срок службы колес моторных вагонов поездов TGV и довести его до 1 млн. км.

Торможение

Применение дисковых тормозов представляется естественным решением проблем, вызываемых термическими нагрузками на колеса. В этом случае колесо не подвергается сильному нагреву, который охватывает весь его обод. Между тем поверхность качения может продолжать подвергаться термическому воздействию, особенно в случаях микропроскальзывания в конце процесса торможения. Наиболее подвержены таким нагрузкам колеса небольшого (680 и 730 мм) диаметра при отсутствии противоюзных устройств. Хорошим компромиссом может быть сочетание тормозных дисков с колодками, выполняющими в основном функции очистки поверхности катания колес; распределение тормозного усилия в таком случае равно 80/20 %.

Смазывание

Применение устройств (лубрикаторов) для смазывания гребней колес позволяет в большинстве случаев ожидать увеличения срока службы колес до 2 раз.

Смазывание особенно широко используется на железных дорогах Северной Америки. По данным американских специалистов, в случае применения консистентной смазки интенсивность износа рельсов снижается в 10 раз, а колес из высокотвердой стали в 5 раз.

Осевые нагрузки

В результате исследования соотношения между осевыми нагрузками и диаметрами колес, чаще всего встречающегося в настоящее время на железных дорогах Европы, установлено, что среднее значение этого показателя составляет примерно 11,2. Это соотношение (для новых колес) на железных дорогах с тяжеловесным движением, на которых приняты технические требования AAR, имеет более высокие значения и в среднем равно примерно 16,4, а на железных дорогах CVRD (Бразилия) и ВНР Iron Ore (Австралия), где осевые нагрузки превышают 30 т, оно достигает 18. Следует отметить, что европейские колеса в основном изготавливают из стали со средней твердостью 860 МПа, а американские — со средней твердостью 1200 МПа.

На одном из международных конгрессов по колесным парам было высказано мнение о том, что твердость и срок службы колес связаны зависимостью 0,991^{Н1 – Н2}, где величины твердости Н1 и Н2 соответствуют двум контактирующим телам. В этом случае снижение твердости на 1 НВ увеличивает износ на 1 % и наоборот. Это может объяснить тот факт, что характеристики износа колес грузовых вагонов, используемых в тяжеловесном движении и изготовленных из стали класса С, обработанной до твердости 363 и 401 НВ, в отдельных случаях обеспечивают их срок службы до 1,5 млн. км при осевых нагрузках от 25 до 34 т.

Необходимо также учитывать термические нагрузки, особенно при длительном торможении. Согласно правилам AAR, колеса должны выдерживать термические нагрузки в диапазоне тепловой мощности от 19,3 до 31,2 кВт в течение 20 мин. В Европе требования к сопротивляемости термическим нагрузкам более жесткие — от 38 до 50 кВт в течение 45 мин. Эти нагрузки влияют на геометрию колеса и механические характеристики поверхности катания, которые постепенно ухудшаются, способствуя развитию явлений контактной усталости.

Трение

Фактор трения, определяющий характеристики по сцеплению, имеет первостепенное значение для колес локомотивов, от которых требуется все более высокая тяговая мощность. Трение является основной причиной развития напряжений среза под поверхностью катания колеса. В среднем допускается уменьшение толщины обода (бандажа) колес локомотивов в эксплуатации (по износу и при обточках) на 35 % от первоначальной величины.

Модель определения срока службы

Из вышеприведенного можно сделать вывод, что срок службы колес дискретен и характеризуется сильной дисперсностью, что требует осторожности при создании модели для его определения.

В общем случае может быть применен следующий принцип. Срок службы колеса определяется его полным допустимым эксплуатационным износом (уменьшением диаметра по кругу катания), деленным на фактический коэффициентa для данного колеса и условий эксплуатации. Полный допустимый износ, на железных дорогах Европы составляющий от 25 до 35 мм, включает «чистый» износ в результате взаимодействия колеса и рельса и снятие металла при обточках для восстановления профиля и удаления поверхностных дефектов (число обточек может достигать пяти). Значение коэффициента a зависит от твердости, структуры, термообработки металла и геометрических параметров колеса, от состояния и геометрических параметров пути, особенно профиля рельса, а также от конструктивных и динамических характеристик подвижного состава.

Это можно выразить как

где DRV — срок службы колеса по пробегу, км; PU — допустимый износ, мм; DEF — снятие металла при обточке, мм.

Следует, однако, иметь в виду, что по мере нарастания износа значение коэффициента a может изменяться. Кроме того, модель основана на случайных величинах, и ее достоверность во многом зависит от наличия обширной базы данных по колесам. Как полагают, она может дать удовлетворительные результаты после накопления информации в течение 3 – 4 лет по подвижному составу, годовой пробег которого составляет от 100 тыс. до 300 тыс. км.

Срок службы является дисперсной функцией и в основном подчиняется закону Гаусса. Его расчеты позволяют определить нижнюю и верхнюю границы. Используя нормальное распределение, можно получить целевое распределение колес по сроку службы.

Заключение

Можно констатировать тот факт, что дефекты колес, наблюдавшиеся в 1960 – 1970-х годах, сохранились и после 2000 г. Между тем положительным фактором является уменьшение за прошедшие 30 лет общего числа и снижение степени серьезности дефектов благодаря мерам, предпринимаемым изготовителями и эксплуатационниками.

Заметна также тенденция в сторону увеличения срока службы и снижения затрат жизненного цикла колес за счет уменьшения числа обточек и, соответственно, снятия металла при их выполнении, иначе говоря, в сторону увеличения доли «чистого» (естественного) эксплуатационного износа. Однако при этом следует иметь в виду, что при более длительных интервалах между обточками необходимо учитывать важный фактор накопления в колесах усталостных напряжений, что может повысить степень риска с точки зрения безопасности движения. Кроме того, целесообразно увязывать срок службы и межремонтные интервалы колес с аналогичными показателями других связанных с ними конструктивных элементов подвижного состава. Например, срок службы буксовых подшипников грузовых вагонов доведен в настоящее время до 19 лет, или 600 тыс. км пробега.

////////////////////////////////////////////////