Новые пути развития конструкции буксовых узлов

С целью повышения эффективности работы железнодорожного транспорта во всех вагоноремонтных предприятиях внедряется новое оборудование, которое отвечает всем современным техническим требованиям. Как известно, во многих странах мира в буксовых узлах пассажирских и грузовых вагонов установлены конические подшипники кассетного типа.

Большинство грузовых вагонов, эксплуатирующихся сегодня, проектировались и изготавливались еще во времена СССР. В результате вагонный парк неуклонно стареет как физически, так и морально. По своим технико-экономическим характеристикам подвижной состав уже не может обеспечить движение с высокими скоростями и повышенными нагрузками на ось при минимальном воздействии на верхнее строение пути. Кроме того, согласно требованиям нового поколения, необходимо обеспечить безремонтный пробег грузовых вагонов и их элементов до 1 млн. км.

Одними из наиболее важных и ответственных деталей вагонов являются буксовые узлы, от безотказности и долговечности которых в значительной мере зависит безопасность движения на дорогах. На железных дорогах СССР с начала 60-х годов XX века в буксовых узлах используются цилиндрические роликовые подшипники (они используются массово и поныне в странах СНГ и Балтии).

В те годы проблемы, вызванные отказами роликовых буксовых узлов, были не так актуальны, как в настоящее время. Это объясняется тем, что состояние пути, скорости движения и нагрузки на ось вполне удовлетворяли сложившимся условиям эксплуатации. Считалось, что достаточно внести незначительные изменения в конструкцию буксы и самих подшипников, усовершенствовать методы диагностирования и ремонта буксовых узлов, создать подшипниковые стали с более высокими прочностными характеристиками, разработать более эффективные смазочные материалы — и тогда такой буксовый узел будет работать более надежно.

Однако, несмотря на все усилия ученых и специалистов-практиков, в 1995 году произошло 348 случаев отцепки вагонов в пути следования из-за чрезмерного нагрева букс. Далее все шло только по резко возрастающей.

В результате служебных расследований, проводимых специалистами после каждой отцепки вагонов из-за нагрева букс, выяснялось, что причиной отказа является низкое качество ремонта (изготовления). То есть предполагалось, что почти все проблемы вызваны «человеческим» фактором. Но если, несмотря на все проводимые в течение многих лет организационные мероприятия, число отказов роликовых букс не уменьшается, то очевидно, что не все зависит от качества ремонта и технического обслуживания.

Техническое состояние буксовых узлов в значительной мере связано с состоянием поверхностей катания колесных пар. При движении вагона на буксовый узел действуют радиальные и осевые силы. Действие радиальных сил зависит от массы тары вагона и перевозимого груза, а также от скорости движения и состояния пути. Осевые силы вызваны нагрузками при вписывании в кривые участки пути, боковыми колебаниями вагона, динамическим взаимодействием при прохождении боковых неровностей верхнего строения пути. Причем величина этих сил может достигать больших значений. Но в 60-е годы XX века при первоначальных проверочных расчетах подшипников наличие осевых сил не учитывалось.
Проведенные научные исследования показали, что во время эксплуатации буксовые узлы с цилиндрическими подшипниками воспринимают радиальные и осевые силы по-разному, а именно: радиальные силы воспринимаются трением качения, а осевые силы трением скольжения торцов роликов о борта колец.

Схема взаимодействия торцов роликов с направляющими бортами колец

В результате действия значительных давлений, возникающих в зоне контакта роликов с бортами колец, смазка выдавливается из зоны контакта. Поэтому в подшипниковом узле происходит интенсивный нагрев металла, сопровождающийся существенным износом направляющих бортов колец подшипников и торцов роликов (износ типа «елочка»). Он способствует появлению трещин, сколов или даже полному разрушению бортов.

Помимо этого наблюдается повышенное сопротивление подшипников вращению, сопровождаемое местным нагревом в зоне контакта, что ускоряет процесс старения смазки и приводит к ее загрязнению продуктами износа.

Под действием осевых сил возникает перекос роликов, который создает дополнительную концентрацию напряжений в зоне контакта ролика с дорожками качения колец, что приводит к интенсивному образованию раковин. Жесткая передача осевых сил на резьбу торцового крепления вызывает на первом этапе ослабление усилия затяжки. Впоследствии это может привести к смятию резьбы торцового крепления с полным его разрушением. В результате возможен излом шейки оси колесной пары и возникновение аварийной ситуации.

Очевидно, что большинство внезапных отказов роликовых букс вызвано действием осевых сил.

Следует отметить еще одну особенность эксплуатации цилиндрических буксовых подшипников. Практически во всех отраслях машиностроения подшипники относятся к невосстанавливаемым изделиям. То есть во время эксплуатации они не демонтируются, не разбираются и не ремонтируются, а при отказе или достижении предельного состояния заменяются новыми. Вагонные цилиндрические подшипники демонтируются с колесной пары при проведении полных ревизий. На вагоноремонтных предприятиях они подвергаются ремонту, который сводится к зачистке и шлифовке незначительных повреждений. При этом начальная геометрия контактирующих поверхностей подшипника, полученная при изготовлении на автоматических линиях, нарушается.

Кроме того, при проведении плановых ревизий не сохраняются исходные места подшипников на колесных парах и собранные блоки наружных колец подшипников с сепараторами и роликами устанавливаются на иную колесную пару. В результате такой буксовый узел представляет собой совершенно новую конструкцию, и вероятность отказов в начальный период эксплуатации увеличится.

На протяжении многих лет специалистами организаций разных стран проводились работы по повышению надежности конструкции буксовых узлов с подшипниками качения. Усилия инженеров были направлены не только на создание надежной конструкции буксового узла, но и на формирование соответствующей системы ремонта и технического обслуживания. Важную роль в этих работах сыграли специалисты лаборатории буксовых узлов Всесоюзного научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (ныне Всероссийский НИИЖТ, г. Москва). В этом же направлении работали специалисты Российского государственного открытого технического университета путей сообщений (ранее ВЗИИТ, г. Москва) и других организаций. Некоторые исследования выполнялись специалистами Днепропетровского национального университета железнодорожного транспорта им. В. Лазаряна (ранее ДИИТ). Также над проблемой повышения надежности торцевого крепления плодотворно работали специалисты Украинской государственной академии железнодорожного транспорта (г. Харьков).

За рубежом над вопросами повышения надежности буксовых узлов работают ведущие компании, которые изготавливают подшипники и подшипниковые узлы SKF (Швеция), Timken и Brenco (США), FAG (Германия), NSK (Япония).

В конструкцию существующего буксового узла с цилиндрическими роликовыми подшипниками было внесено более 50 изменений. Как наиболее удачные из них можно отметить: внедрение торцового крапления подшипников на оси шайбой и четырьмя болтами М20, использование в торцевом креплении гаек М110 с выточками, изменения криволинейного профиля качения (бобины) на роликах, внедрение «развала» бортов колец подшипника, использование полиамидного сепаратора. Но все эти изменения не решили основную проблему одновременного восприятия буксовым узлом радиальных и осевых сил в режиме трения качения.

В обеспечении надежной работы буксового узла немаловажная роль принадлежит смазочным материалам. Смазка ЛЗ-ЦНИИ на натриево-кальциевой основе имеет характерный недостаток — активное поглощение влаги, в результате чего происходит развитие коррозии деталей подшипника. Более перспективными являются смазки на литиевой основе. Контрольные эксплуатационные испытания роликовых подшипников с использованием различных типов смазок показали, что использование подобных смазок позволяет существенно уменьшить вероятность возникновения на бортах колец подшипников и торцах роликов задиров и повреждений.

Другой путь повышения надежности букс заключается в использовании двухрядных конических подшипников кассетного типа.

Подшипниковый узел с двухрядным коническим подшипником кассетного типа

Двухрядный конический подшипник состоит из единого наружного кольца, двух рядов конических роликов, двух внутренних колец и расположенного между ними дистанционного кольца. Кроме того, подшипник имеет собственное уплотнение. Монтаж подшипникового узла на ось осуществляется прессовым способом.

Буксовые узлы с коническими подшипниками кассетного типа получили широкое распространение на железных дорогах Австралии, Австрии, Канады, Швеции, США, Великобритании, Китая и стран Азии.

Преимущества таких подшипников заключаются в следующем:

• надежное восприятие как радиальных, так и осевых сил поверхностями качения роликов;
• осуществление сборки узла с запрессовкой подшипника в виде кассеты на ось;
• снижение необрессоренной массы бескорпусного буксового узла;
• из жизненного цикла колесной пары исключается промежуточная ревизия буксового узла;
• уменьшается расход смазки, в процессе эксплуатации дозаправка узла смазкой не требуется;
• увеличивается длительность жизненного цикла колесной пары за счет уменьшения износа гребней колес;
• существенно (до 1 млн. км) увеличивается пробегбуксовых узлов без ремонта.

На основании этого становится более понятным название «подшипник кассетного типа», поскольку все операции по изготовлению, сборке и заправке смазкой подшипника осуществляются на заводе-изготовителе. Потребителю (вагоностроительному заводу или вагоноремонтному предприятию) остается только произвести монтаж такого подшипника на шейку оси колесной пары.

Естественно, что обеспечение такой долговечности требует совершенно иного подхода к проектированию, изготовлению и контролю качества конических подшипников.

Их изготовлением занимаются ведущие мировые производители SKF, Timken и Brenco. Например, одним из наиболее современных предприятий является завод компании SKF в Виллар Пероза (Италия).

Завод компании SKF в Виллар Пероза (Италия)

Это предприятие производит в год 98 тыс. подшипниковых узлов, которые поставляются на железные дороги мира. Производственные операции на заводе максимально автоматизированы. Для изготовления колец технологический процесс предусматривает токарную обработку заготовок с последующей термической (сквозная закалка и науглероживание).

Затем кольца подвергаются шлифованию и фосфатированию (насыщению поверхностного слоя металла). На всех этапах производится контроль твердости и геометрических параметров заготовок с помощью компьютерной техники.

Конвейерная линия по обработке колец

Монтаж подшипников полностью автоматизирован и проводится поэтапно на конвейере. На первом этапе происходит сборка блока подшипника (наружное и внутреннее кольца, сепаратор и ролики) и его обкатка с последующим контролем осевого зазора. Затем в подшипник закладывается строго дозированное количество смазки и выполняется запрессовка уплотнений с последующим контролем узла в целом и автоматической регистрацией результатов контроля с записью в память

Автоматизированный контроль качества

Такая многоступенчатая система контроля практически исключает появление брака. В результате случаи рекламаций крайне редки.

Высокое качество продукции завода подтверждается многочисленными сертификатами, выданными железными дорогами Италии, Германии, США, Швеции, России и др. Также в 2006 году был получен европейский сертификат IRIS (стандарт международной железнодорожной промышленности).

С 1998 года ведутся научные работы по созданию буксового узла повышенной надежности для грузовых вагонов. Проведенные многочисленные исследования с применением компьютерного моделирования свидетельствуют о том, что для отечественных железных дорог в условиях использования трехэлементной тележки модели 18-100 или ее аналогов оптимальным вариантом является применение в конструкции буксового узла двухрядных конических подшипников. Проведенные теоретические расчеты показали, что буксовые узлы с такими подшипниками могут обеспечивать долговечность не менее 1 млн км пробега, что было подтверждено в 2000 году в ходе стендовых испытаний.

Были проведены эксплуатационные испытания колесных пар, оборудованных коническими подшипниками SKF (Швеция) и Европейской подшипниковой корпорации (Россия). Исследования подтвердили предположения, что конические подшипники наиболее благоприятны для использования на отечественных железных дорогах.

В 2007 году 1 000 новых вагонов, изготовленных на Крюковском вагоностроительном заводе (КВСЗ, г. Кременчуг) были запущены в эксплуатацию на железные дороги Украины.

Колесная пара с бескорпусным буксовым узлом

Во всех вагонах установлены так называемые бескорпусные буксы, в которых нагрузка передается через специальную полубуксу-адаптер. Это означает, что наружное кольцо подшипника и уплотнения фактически выполняют функции корпуса буксы, являясь преградой на пути попадания грязи и влаги внутрь узла.

Общий вид полубуксы (адаптера)

Кроме того, КВСЗ выпустил несколько пассажирских вагонов с коническими подшипниками.

Массовая эксплуатация полувагонов, оборудованных подшипниками кассетного типа, началась с весны 2007 года. Ее результаты можно считать успешными. Использование подшипников SKF вообще не вызывало никаких проблем, они работают практически в таком же температурном режиме, что и цилиндрические подшипники. То есть для приборов контроля нагрева букс не составило труда распознать новые буксовые узлы.

С апреля 2007 года на вагонах устанавливают конические подшипники американской компании Brenco. На начальном этапе эксплуатации были зафиксированы перегревы новых подшипников. Выяснилось, что это обусловлено их конструктивными особенностями, достаточно длительным периодом приработки (до 4 тыс. км пробега) в сравнении с другими подшипниками. Также перегреву способствуют особенности смазки Mobilit.

Температурные режимы конических и цилиндрических подшипников могут отличаться. Это связано с конструктивными особенностями новых тележек. На грузовых вагонах приборы контроля измеряют непосредственно температурный режим подшипника, а не корпуса буксы. Естественно, что температура подшипника будет выше. Кроме того, на новых тележках установлена поддерживающая планка, которая также влияет на тепловой поток.

Схема контроля температуры буксового узла на американских железных дорогах

На американских железных дорогах требования к температурным режимам отличаются от отечественных нормативов. В США железные дороги частные, поэтому там нет единых требований к предельным уровням нагрева. Температурный режим контролируется каждой железной дорогой индивидуально. Существует три типа сканеров: внутренний сканер контролирует внутренний край внешнего кольца и внутреннее уплотнение, внешний сканер охватывает переднюю крышку буксового узла и торцевого крепления, вертикальный внутренний сканер охватывает внутренний край внешнего кольца и задние уплотнения.

Внедрение двухрядных конических подшипников сопровождается созданием соответствующей правовой базы для обеспечения их изготовления, сертификации, ремонта и эксплуатации.

В процессе создания конструкции буксового узла повышенной надежности не раз возникали комичные ситуации. В основном это было связано с необходимостью коренного изменения психологии людей. На начальном этапе испытаний и в последующем не раз получалось так, что осмотрщики, не увидев на колесной паре привычного корпуса буксы, отказывались выпускать вагоны в рейс. Посылали телеграммы: «При проведении полной ревизии в депо забыли поставить корпус буксы!». На научно-техническом совете в Главном управлении вагонного хозяйства представитель ревизорского аппарата подвергал сомнению крамольную (с его точки зрения) мысль о том, что подшипник должен и может проработать без постороннего вмешательства не менее 5 лет. Он настаивал, что чем чаще подшипники будут демонтироваться, разбираться и перебираться, тем выше будет их надежность.

Нельзя утверждать, что путь к внедрению конических подшипников легок. Имеется целый ряд как технических, так и правовых вопросов, требующих своего решения. О проблеме с контролем температуры нагрева кассетных подшипников уже говорилось ранее. До сих пор не закуплены стенды для проведения монтажно-демонтажных работ. Не урегулированы вопросы финансовой ответственности служб за возникшие по их вине транспортные происшествия с вагонами, оборудованными коническими подшипниками.

Следует обратить внимание на российский опыт внедрения подшипников кассетного типа. Компания SKF в настоящее время строит в России завод по изготовлению таких подшипников. Предположительно он начнет работать в 2010 году. По иному пути пошла американская корпорация Brenco, которая вместе с Европейской промышленной корпорацией создает совместное предприятие на базе Самарского подшипникового завода. Активно действует еще одна американская компания Timken, продукция которой эксплуатируется на локомотивах и электропоездах.

Труфанова А.В.