Тяжеловесы железных дорог

В России разработаны и уже прошли испытания принципиально новые грузовые вагоны с повышенной осевой нагрузкой. Одним из главных элементов вагонов седьмого поколения являются инновационные пружины рессорного подвешивания тележек, которые амортизируют высокие нагрузки, сохраняя долговечность как ходовой части вагона, так и железнодорожного полотна.

Сейчас из 1 млн грузовых вагонов в России большую часть (88%) составляют традиционные вагоны с нагрузкой на ось 23,5 тс. Их постепенное замещение происходит за счет обновления железнодорожного парка вагонами повышенной грузоподъемности с нагрузкой 25 тс на ось.

Новые вагоны

В 2017 году Объединенная вагонная компания (ОВК) разработала полувагоны следующего, седьмого поколения — на тележках с нагрузкой на ось 27 тс. На Тихвинском вагоностроительном заводе (входит в ОВК) разработаны, сертифицированы и изготовлены универсальные полувагоны на тележках с осевой нагрузкой 27 тс. Их испытания в 2017–2018 годах на участке Качканар—Смычка признаны успешными.

Работы по мониторингу состояния железнодорожной инфраструктуры и самих вагонов проводились в течение четырех сезонов. В полевых тестах было задействовано несколько испытательных центров и научно-исследовательских институтов. За год они провели ходовые динамические испытания вагонов и мостов, экспериментальные исследования и оценку воздействия тяжеловесных поездов на путь и высокие насыпи, оценку экономической эффективности.

Одним из важных показателей была оценка вибрационного воздействия на земляное полотно и высокие насыпи. Наблюдения показали, что на пути с деревянными шпалами на асбестовом балласте в период промерзания грунтов изменения уровня вибродинамического воздействия на полотно нет, а его рост — допустимый — в период оттаивания обусловлен не вагонами, а факторами, связанными с техническим состоянием земляного полотна и рельсового стыка. Не приводит движение вагонов с нагрузкой на ось 27 тс и к ухудшению показателей устойчивости насыпей откосов: амплитуды виброскорости не увеличиваются, коэффициенты затухания колебаний по длине откоса не уменьшаются, а интенсивность колебаний в полосе частот 0,1–10 Гц не возрастает.

Плановые осмотры самих вагонов и контроль их состояния в ходе испытаний выявили, что эксплуатационная надежность полувагонов с тележками 27 тс на ось стремится к 100%. За время пробега, который в среднем достиг почти 100 тыс. км, отказов по причине конструктивных недостатков не было. Для примера, самая распространенная для вагонов причина попадания в ремонт — ускоренный износ гребня колеса. Сравнительный анализ отцепок двух типов вагонов — на тележках 18-100 с осевой нагрузкой 23,5 тс и на тележках 18-6863 с осевой нагрузкой 27 тс — показал, что у последних темп износа гребней в два раза ниже.

В 2019 году предстоит уточнить экономический эффект коммерческой эксплуатации вагонов модели 12-9548-02 (грузоподъемность 82 тонны и объем кузова 103 куб. м) с нагрузкой 27 тc на маршруте от Кузбасса на Дальний Восток (перевозка угля в порты для поставок в Азиатско-Тихоокеанский регион). Ожидается, что с внедрением тяжеловесных составов из вагонов с нагрузкой 27 тс на ось вывоз экспортных грузов, в первую очередь угля, руды, зерна и минеральных удобрений, вырастет на 60 млн тонн в год, а для РЖД экономическая выгода может составить до 100 млрд руб. в год.

Наноструктурные пружины

Ходовая часть вагона представляет собой новаторскую разработку. В ней применены элементы из износостойких материалов, например высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Использованы такие экзотические материалы, как сверхвысокомолекулярный полиэтилен, обеспечивающий крайне низкое трение между фрагментами конструкции. Полностью переработана система гашения колебаний, которая снижает динамическое воздействие на путь. Использовано в полтора раза более мягкое рессорное подвешивание. Новая тележка имеет увеличенную на 20 мм колесную базу и специально подобранный для снижения воздействия на путь коэффициент относительного трения. В колесных парах применены колеса из стали марки «Т», которые при работе с композиционными тормозными колодками с чугунной вставкой дают существенное снижение числа дефектов на поверхностях катания.

Особо следует выделить ключевой элемент — цилиндрические винтовые пружины рессорного подвешивания тележек грузовых вагонов. Высокая гибкость рессорного подвешивания позволила обеспечить сумму статической и динамической составляющей вертикальной силы такой же величины, как у типовой тележки с гораздо более низкой осевой нагрузкой — 23,5 тс.

Технология инновационных пружин

В основу производства положена отечественная технология контролируемого формирования наносубструктур в материале. Как пояснил «Ъ-Науке» один из авторов патента, профессор Олег Шаврин, технология базируется на использовании упрочняющего воздействия на пружинные стали высокотемпературной термомеханической обработки. В дополнение к этому методу при изготовлении пружин применяются локальные малые деформации, что позволяет получать в металле наноразмерные субструктуры, увеличивающие прочностные характеристики пружин.

Технология включает следующие операции:

• неразрушающий стопроцентный контроль металла методом акустической дефектоскопии;
• мерная резка при поставке прутков удвоенной длины;
• навивка и закалка пружин, выполняемая на едином технологическом модуле;
• роботизированная плазменная подрезка опорных витков;
• заневоливание пружин с контролем силовых характеристик;
• шлифование опорных витков;
• контроль геометрических параметров и твердости;
• дробеструйная обработка;
• покраска сухими полимерными красками в электростатическом поле с последующей полимеризацией.

Разработанная технология отличается от традиционной тремя операциями.

Первая — горячая навивка и закалка пружины в едином технологическом модуле, в котором выполняются последовательно три функционально и кинематически связанных процесса:

а) индукционный непрерывно-последовательный нагрев прутка,

б) навивка пружины на оправку,

в) повитковая закалка навиваемой пружины в закалочной среде.

В качестве закалочной среды используется универсальный раствор полимера, обеспечивающий закалку пружин из сталей 60С2ХФА и 55С2.

Вторая отличительная особенность — формирование опорных витков плазменной резкой на роботизированном технологическом модуле.

Третья — покраска пружин порошковыми полимерными красками в электростатическом поле с последующей полимеризацией. Получаемое покрытие отличается высокой прочностью, стойкостью к воздействию окружающей среды. Это было установлено при тестовых испытаниях пружин выдержкой в «солевом тумане» и при обдувании песком.

Основной операцией формирования высоких прочностных характеристик является горячая навивка пружин с повитковой закалкой по определенной схеме, при которой реализуется упрочняющий эффект малодеформационной высокотемпературной термомеханической обработки. При этом формируется контролируемая наноразмерная субструктура материала пружины, которая обеспечивает повышение его прочностных свойств. Важным результатом применяемой схемы навивки-закалки является постоянство повышенных прочностных характеристик материала по длине (витков) пружин, доказательством чему является минимальное колебание межвиткового зазора в готовой пружине. В пружинах рессорного подвешивания грузовых вагонов для тележек моделей 18-6863 и 18-9855, произведенных по данной технологии, предельные отклонения составляют не более 1%. Следствием применения индукционного нагрева прутков является отсутствие на поверхности материала пружин обезуглероженного слоя.

Отличительные характеристики технологии следующие:

• структура стали характеризуется большой однородностью, повышенной плотностью дислокаций, наноразмерами субзерен;
• уменьшен (по сравнению с обычной обработкой) размер равномерно распределенных частиц карбида — цементита;
• внутри отдельного зерна создается наносубструктура с малоугловыми границами;
• средний размер субструктурного элемента ферритной матрицы составляет 20–40 нм, весь интервал встречающихся размеров находится в пределах 20–100 нм.

Это позволяет использовать стандартные пружинные стали и получать из них пружины с уникальными характеристиками для применения в тележках с увеличенной осевой нагрузкой.

По результатам испытаний в Уральском отделении Всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта пружины, произведенные по данной запатентованной технологии, показали следующие характеристики:

• число циклов до разрушения увеличено не менее чем в десять раз;
• уровень допустимых рабочих напряжений выше на 35–40%;
• в пять-шесть раз улучшены показатели по осадке пружин.

Владимир Тесленко, кандидат химических наук