Без сомнения, проблема износа пары "колесо - рельс" является актуально, несмотря на совершенствование элементов ходовых частей рельсовых экипажей и верхнего строения пути. Однако с течением времени изменилась не только конструкция тележек и пути, но и нормативная база по их техническому содержанию. Несмотря на наличие более ста факторов, влияющих на износ колес и рельсов, некоторые из них играют определяющую роль. Остановимся подробно на некоторых аспектах этой сложной проблемы.

На страницах газеты "Гудок" напечатано множество статей по проблеме "колесо - рельс" [1,5].

Интенсивный боковой износ рельсов и подрез гребней колес ряд ученых [1] объясняют исчезновением самопроизвольной смазки в контакте рельса и гребня колеса за счет перевода подвижного состава на подшипники качения. Явно то, что авторы [1] не полно рассматривают расположение колеса относительно рельса (рисунок 1). Даже при условии вытекания смазки из корпуса буксы подшипника скольжения, она не может попасть в место контакта гребня колеса и внутренней грани рельса. Данная конструкция буксы не предусматривает подобное техническое решение. Авторы не одиноки в своих утверждениях о том, что наличие букс с подшипниками скольжения смазка попадала в место контакта гребня колеса с рельсом.

Осмотрщик-ремонтник вагонного депо Бекасово [2], на наш взгляд, близок к разрешению загадки интенсивного износа пары "колесо - рельс".

Возьмем на себя смелость изложить свой взгляд на причину износа гребня колеса и внутренней грани рельса, рассмотрев конструкцию тележки грузового вагона ЦНИИ-Х3. Прототипом этой тележки была тележка МТ-50, в которой надрессорная балка опиралась на пружины и эллиптическую рессору, что позволяло воспринимать не только радиальную (вертикальную) нагрузку, но и за счет разбега, то есть возможности скольжения в продольном (осевом) направлении на шейке оси подшипников скольжения, гасить осевую нагрузку.

Рисунок 1. - Расположение колеса на рельсе: 1 - рельс, 2 - колесо, 3 - ось, 4 - букса

За последние 30 лет тележка грузового вагона ЦНИИ-Х3 (модель 18-100) претерпела значительную модернизацию. Так, заменены подшипники скольжения на подшипники качения; вертикальные рычаги тормозной передачи, состоящие из двух пластин, объединены межу собой перемычками, закрепленными электросваркой. По нашему мнению, эти, казалось бы, прогрессивные модернизации, наряду с другими причинами, могли привести к интенсивному износу гребней колесных пар.

Как известно, тележка ЦНИИ-Х3 хорошо воспринимает вертикальные нагрузки, однако клинья инженера А.Г. Ханина (а. с.46958 - 4.05.1935 г.) за счет трения об фрикционные планки не позволяют боковые перемещения при движении вагона в кривых участках пути.

Мировой опыт показывает, что одной из причин интенсивного износа (подреза) гребня является недостаточная радиальная самоустанавливаемость колесных пар в кривых участках пути и прижатое состояние гребней колес к одному из рельсов после выхода тележки на прямолинейный участок. Отсутствие возможности виляния колесной пары относительно оси пути тоже провоцирует износ гребней [6]. Указанные выше модернизации тележки модели 18-100 радиальному самоустанавливанию колесных пар не способствуют.

Доказывать значимость подшипников качения нет смысла: ликвидированы загрязнения от мазута в парках отправления поездов на станциях, осевая смазка не выливается из букс и не "обогащает" груз на вагоноопрокидывателях; повысилась надежность вагонов в эксплуатации, отцепки их и задержки поездов из-за нагрева букс уменьшились (известно, что на роликовых подшипниках задержки вагонов в несколько раз меньше, чем на подшипниках скольжения).

Надо сказать, что подобные вспышки (интенсивный износ гребней колес) наблюдались и раньше. Предыдущая вспышка была связаны с переходом от паровозов к тепловозам и электровозам, которые хуже вписывались в кривые [8]. Однако авторы не дают пояснений - почему, а только констатируют сам факт.

С 1982 года все новые магистральные грузовые вагоны колеи 1520 мм строят только на роликовых подшипниках, а с 1 января 1994 года эксплуатация вагонов с подшипниками качения была прекращена. На шейку оси колесной пары в переходный период замены подшипников скольжения устанавливали сферические роликовые подшипники, которые (отметим!) способствовали самоустанавливанию колесной пары [7].

Авторы работы [8] правильно делают вывод о том, что необходимо улучшать конструкцию и состояние тележек вагонов, что позволит колесам лучше вписываться в кривые, поддерживать согласованные профили рельсов и колес.

В настоящее время предлагается лубрикация (смазывание) внутренних граней рельсов. В результате лубрикации смазка попадает на поверхность катания, значительно падает сила сцепления колеса с рельсом и во много раз возрастает юз колес при торможении и буксование при тяге. Лубрикация - это действительно "…борьба с последствием, а не с причинами катастрофического износа".

Мы также ходим более 50 лет по железнодорожному пути. Однако "замазученные" с внутренней стороны рельсы не видим.

Автор в статье [4] пишет, что создан проект вагонной тележки, в которой нет ни одной кинематической пары с поверхностным трением, где кузов опирается на резинометаллические опоры, и внедрено ряд новшеств.

Авторы работы [8] предлагают уменьшить износ гребней колесных пар тележек модели 18-100, создав дополнительную подвижность боковых рам относительно колесных пар, что должно дать возможность колесным парам самоустановливаться в кривых участках пути [6].

Ученые ВНИИЖТ'а утверждают, что в большинстве случаев углы поворота двухосных тележек относительно кузова вагона не превышают соответственно 31 мрад в кривой радиусом 600 м и 22 мрад в кривых радиусами от 576 до 2500 м [9]. Следовательно, чтобы колесная пара заняла радиальное положение в кривом участке пути, ей необходимо повернутся на соответствующий угол и по отношению к раме тележки.

Однако в буксовом узле с подшипниками качения шейка оси с закрепленными на ней подшипниками имеет малый осевой и радиальный разбеги. Согласно [10] осевой разбег для двух цилиндрических подшипников с наружным диаметром 250 мм обеспечивается конструкцией и может составить 0,68.1,38 мм. Из-за такого малого разбега в буксовом узле колесная пара не имеет возможности самоустанавливаться, то есть принимать первоначальное положение после выхода вагона на прямолинейный участок пути после прохода кривой, а это значит, что она остается прижатой гребнем колеса к внутренней грани головки "наружного" рельса пути.

Оценим возможные зазоры в буксе при наличии цилиндрических роликовых подшипников, используя анализ размерных цепей в буксе [11].

Размер замыкающего звена А определяется выражением

, (1)

где _i - размер i-го звена; n - число составляющих звеньев; A_i - предельное отклонение, которое принимается положительным для увеличивающего и отрицательным для уменьшающего размера звена.

Диаметр внутренней цилиндрической части буксы из стального литья составляет: при новом изготовлении мм, при ремонте мм. Радиальный зазор в самих подшипниках составляет 0,115…0,170 мм.

Внутреннее кольцо подшипника закрепляется на шейке оси горячей посадкой.

Наружный диаметр радиального роликового подшипника равен мм [10]. Максимальный и минимальный радиальный зазоры между подшипником и корпусом буксы составят

А _max = 0,061 - (-0,038) = 0,099 мм;

А _min = 0,015 - 0,008 = 0,007 мм.

Следует отметить, что зазор между внутренней поверхностью буксы и наружным кольцом подшипника настолько мал, что при демонтаже буксового узла наружное кольцо подшипника часто приходиться выталкивать из буксы на прессе. Общая величина радиального разбега с учетом зазоров в самом подшипнике составляет:

А _max = 0,099 + 0,170 = 0,269 мм;

А _min = 0,007 + 0,115 = 0,122 мм.

Считают, что осевой разбег двух цилиндрических подшипников наружным диаметром 250 мм, установленных на одну шейку оси, обеспечивается конструкцией подшипника. Как уже отмечалось, осевой разбег составляет 0,68.1,38 мм.

Таким образом, между шейкой и корпусом буксы при использовании цилиндрических роликовых подшипников фактически существует только одноподвижная (вращательная) кинематическая пара, а не кинематическая пара третьего рода, которая была при наличии подшипников скольжения или сферических подшипниках [7].

Тележка ЦНИИ-Х3 состоит из нескольких звеньев, подвижно соединенных между собой: двух продольных балок (боковин), соединенных с колесными парами через буксы, и поперечной (надрессорной балкой), опирающейся на боковины через комплект пружин. Особенностью трехэлементной тележки грузового вагона является отсутствие жесткой рамы, которую имеют тележки пассажирских вагонов.

Как пространственный механизм детали трехэлементной тележки и рычажной передачи, монтируемые на подвижном основании, не должны испытывать стеснений в движении, то есть при структурном синтезе вид кинематических пар необходимо подбирать таким образом, чтобы детали тормозной передачи могли приспосабливаться к изменениям положения опорных точек звеньев при изменении их взаимного расположения и положения колесных пар. Этого можно достичь, создав статически определимый механизм рычажной передачи, то есть ликвидировав в тележке лишние связи. Число лишних связей q определим по формуле А.П. Малышева (как для пространственных механизмов) [7]:

q = W - 6n + 5p₁ + 4р₂ + 3р₃ + 2р₄ + р₅, (2)

где W - число степеней подвижности системы; n - число подвижных звеньев; р₁,.,р₅ - род кинематических пар.

Рассмотрим наличие кинематических пар в конструкции тележки ЦНИИ-Х3.

Конструкция существующей тележки является сложной механической системой, которая не обеспечивает равномерное распределение силы нажатия колодок тормозной рычажной передачи на колеса. В рычажной передаче силы действуют не в одной плоскости, что приводит к появлению распорных сил в шарнирах, во избежание которых посадка валиков рычажной передачи выполняется с большими зазорами. Это все можно объяснить рядом конструктивных несовершенств рычажной передачи, наличием в ней многих звеньев и шарниров, действием сил трения в шарнирах.

Работа рычажной передачи грузового вагона усугубляется тем, что она подвешена своими опорными (мертвыми) точками к необрессоренным (боковинам) и обрессоренным (надрессорной балке) частям тележки, а тормозной цилиндр чаще всего крепится к раме вагона. Все эти закрепления рычажной передачи меняют свое относительное линейное и угловое расположение при движении вагона и в силу его различной загруженности.

При торможении происходит замыкание колесных пар тормозными колодками, закрепленными на триангеле, которые меняют свое взаимное расположение при вписывании вагона в кривые участки пути.

При структурном анализе всякую тормозную передачу относят к плоским механизмам, руководствуясь тем, что таковой она становится при отпуске тормозов [13].

В связи с наличием линейных и угловых смещений мест закреплений передачи, а также в связи с неточностью изготовления звеньев нарушаются условия плоского движения механизма. Очевидно "плоскую" тормозную рычажную передачу (с точки зрения кинематики) следует рассматривать как пространственную (с точки зрения статики и динамики) [7, 13, 14]. Структурный анализ тележки грузового вагона как пространственной системы (рисунок 2а) рассмотрел Л.Н. Решетов [7].

Самоустанавливание тормозных колодок будет в том случае, если их число степеней подвижности будет соответствовать числу степеней подвижности колесных пар.

Кинематические соединения между рельсами и колесной парой могут быть двоякими: если колесная пара не прижата гребнями к рельсу, будет соединение пятого рода - наложено одно линейное условие связи по оси y (рисунок 2б); если колесная пара прижата гребнем к рельсу, будет соединение четвертого рода - наложено одно линейное условие по оси y и одно линейное по оси z. Для рычажной передачи тележки число степеней подвижности должно быть равным W = 10.

а)б)

в)г)

Рисунок 2. - Структурный анализ тележки грузового вагона:

а) кинематические пары в конструкции тележки;

б) кинематические пары в тормозной рычажной передаче;

в) структурная формула существующей тележки модели 18-100;

г) структурная формула с учетом модернизации вагонной тележки.

Профессор Л.H. Решетов, рассматривая соединение в тележке грузового вагона, оценил соединение колесной пары и буксы с подшипником скольжения и сферическими роликовыми подшипниками как кинематическую пару третьего рода р₃ [7].

Как определено выше, между шейкой оси и корпусом буксы с подшипниками качения существует вращательная кинематическая пара р₁.

Считается, что осевое перемещение колесной пары происходит за счет перемещения буксы в буксовом пространстве боковины тележки (корпус буксы и боковина образуют плоскую кинематическую пару). Однако между корпусом буксы и боковиной тележки существует сухое трение, а силы трения влияют на самоустановление звеньев механизма, и происходит следующее [7]:

силы трения могут устранять часть подвижностей кинематических пар механизма, который, будучи выполненным по структурной схеме без лишних связей, в действительности может оказаться статически неопределимым;

силы трения влияют на точность самоустановления звеньев, что иногда является решающим фактором.

Профессор А.А. Попов вычислил усилие прижатия переднего колеса передней тележки при вписывании груженого полувагона в кривую [15]. Это усилие составляет более 6-ти тонн, а при установившемся движении тележки в кривой на это колесо действует более 9-ти тонн.

Таким образом, центробежные силы при вписывании вагона в кривую прижимают колеса к наружному рельсу усилием в 6.9 тонн, а при выходе на прямолинейный участок силы трения между буксами и боковинами составляют

F=P=2450,15=36,7 кН, (3)

колесо рельсовый экипаж износ

где P - нагрузка на колесную пару, (Р=245 кН); - коэффициент трения (для сухого трения - сталь по стали - следует принять не менее =0,15)

Эта сила трения удерживает колесную пару прижатой к внутренней грани рельса, который в кривой был наружным, даже после выхода вагона на прямолинейный участок. По этой же причине не выбираются зазоры в соединении "боковина - букса", о чем говорилось ранее.

В русле сказанного выше отметим следующий факт: при испытаниях полувагонов обнаружилось, что зазоры между буксой и боковиной подолгу остаются неизменными, выбираются случайным образом после некоторых ударов в стыках и торможении поезда [16].

В результате обследования технического состояния боковин и букс тележек на многих боковых рамах зафиксирован износ верхней полки над буксовым проемом глубиной 1…8 мм, что свидетельствует о больших силах трения в сопряжении "букса - боковина" [17].

Составим структурную формулу тележки. За основу примем надрессорную балку IV (см. рис.2б), к которой прикреплена серьга 7 вращательной кинематической парой (р₁), в свою очередь через р₁ присоединенной к вертикальному рычагу 6. Боковины, к которым через резиновые втулки (р₃) прикреплены подвески 4, 5, 9, 10, связаны между собой через надрессорный брус сферическими соединениями р₃. Триангели 3, 8 вращательными кинематическими парами соединены с вертикальными рычагами 1, 6 и цилиндрическими парами р₂ - с подвесками. Между тормозной колодкой и колесной парой образуется кинематическая пара второго рода р₄.

Колесная пара имеет возможность вращаться (р₁). Между буксой (II, III, VIII, IX) и боковиной (V, VI) за счет силы трения (что уже отмечалось) кинематическая пара отсутствует. А между звеньями V-IV и IV-VI перемещение звена IV только в вертикальном направлении - кинематическая пара первого рода.

Следовательно, число степеней подвижности W=10, число подвижных звеньев n=5+10=15, а кинематические пары:

p₁ = 12 (I-V, I-VI, VII-V, VII-VI, IV-VI, IV-V, IV-7, 7-6, 6-8, 6-2, 2-1, 1-3);

p₂ = 4 (3-4, 3-5, 8-9, 8-10);

p₃ = 4 (V-10, V-4, 5-VI, 9-VI);

p₄ = 4 (VII-8, (VII-8), I-3, (I-3)).

Значит, число лишних связей, согласно (1), будет:

q=10-615+512+44+34+24=16.

На рисунке 2в приведена структурная формула рычажной передачи тележки, где цифрами обозначено число вносимых кинематической парой связей, а черточкой или фигурой - звено передачи или тележки с их порядковыми номерами, а на рисунке 2г - структурная формула с учетом предложенной авторами модернизации, о чем будет сказано далее.

Типовая вагонная тележка имеет 16 лишних связей, препятствующих самоустанавливанию тормозной колодки относительно поверхности катания колесной пары при изменении положения колесной пары, а также при перемещениях боковин и надрессорной балки. Это правомерно при условии исключения всех поддерживающих и предохранительных устройств, которые не нарушают закона движения звеньев и в расчете величины q не участвуют. Учет их значительно ухудшит самоустанавливаемость колесных пар.

Необходимо конструктивно гарантировать работу цилиндрических кинематических пар р₂ (соединение подвески и башмака), поскольку место их соединения не обрабатывается механически, а с учетом агрессивной среды, в которой они работают на вагоне, данные пары могут перерождаться во вращательные р₁. В этом случае q = 20.

Подшипники скольжения на шейке оси в эксплуатации, согласно [18], имели осевой разбег 6.12 (20) мм, и основным браком на поверхности катания колес был прокат, а не подрез гребня.

Надо полагать, что за счет разбега подшипника скольжения на шейке оси колесная пара имела возможность перемещаться (самоустанавливаться) в своем осевом направлении во время вписывания вагона в кривые участки пути, а по выходе из него занимать свое первоначальное положение. Этому способствовало наличие уклонов на поверхности катания колес, вкладыши подшипников, а также масляный клин, который имел место под подшипником скольжения при вращении колесной пары. Опыты показали, что толщина масляного клина под подшипником скольжения создавалась более 0,1 мм [19]. В поток масла, захватываемого вращающейся шейкой оси колесной пары, вбрасывали бритвенное лезвие толщиной 0,1 мм, которое затягивалось под подшипник и мгновенно выбрасывалось с другой стороны подшипника.

Следовательно, масляный клин под подшипником исполнял роль амортизатора и одновременно позволял колесной паре перемещаться вдоль продольной оси относительно подшипника в пределах допустимого их разбега. Колесная пара могла самоустанавливаться на рельсах.

В тележках с буксами, оборудованными подшипниками скольжения, соединение шейки оси с корпусом буксы образует кинематическую пару третьего рода р₃. Следовательно, число лишних связей q = 4.

Существенно меньше лишних связей было наложено и в деталях тележки. Распорка 2 жестко связывает между собой вертикальные рычаги 1, 6 и по этой причине триангели 3, 8 не могут без деформации своих деталей занимать положение колесных пар при торможении. Для устранения дефектов передачи представляется возможным (с учетом того, что распорка работает на сжатие) вращательные соединения распорки и соединения серьги заменить на сферические р₃ и сферические с пальцем р₂.

По мнению авторов, для облегчения радиальной самоустановки колесных пар необходимо уменьшить силу трения в соединении "боковина - букса" за счет создания в этом соединении кинематической пары третьего рода, что имело место между колесной парой и буксой при подшипниках скольжения [7]. В этом случае число степеней подвижности W = 10, число подвижных звеньев n = 15 + 4 = 19, а кинематические пары:

p₁ = 10 (I-II, I-III; VII-VIII; VII-IX; IV-7; 7-6, 6-2, 2-1, 6-8, 1-3);

p₂ = 4 (9-8, 10-8, 4-3, 5-3);

p₃ = 10 (II-V, V-VIII, VI-IX, III-VI, IV-V, IV-VI, V-10, 4-V, 9-VI, VI-5);

p₄ = 4 (VII-8, (VII-8), I-3, (I-3)).

Тогда число лишних связей q=10-619+510+44+310+24=0, то есть установка подвижности буксы относительно боковины позволит создать механизм без лишних связей.

Данные предложения подкреплены патентами [20, 21].

Правоту этих выводов подтверждает тот факт, что в пассажирских вагонах подрез гребня колес наблюдается значительно реже. По данным пассажирского вагонного депо Днепропетровска Приднепровской ж. д. только треть колесных пар за год обтачивается по причине тонкого гребня. Этому способствует наличие люльки и то, что букса опирается на пружины [6], то есть имеет относительную, по отношению к раме, подвижность, что можно оценить как кинематическую пару третьего рода.

Рычажная передача должна быть индифферентной к деформации рамы и деформации рессорного подвешивания, тем более, что подвески триангелей крепятся к кронштейнам на подрессоренных частях рамы тележки, из-за чего при движении вагона колодки и триангели непрерывно перемещаются относительно колес вследствие вертикальных колебаний, а также при изменении загрузки вагона.

Объединенные между собой пластины вертикального рычага 1 (распределительного) тормозной рычажной передачи тележки (см. рис.2б) с шириною между ними, равной толщине головки подосной тяги 2 (распорки), как и второго вертикального рычага 6 (ведомого), нижние концы которых связаны этой распоркой с достаточно большой жесткостью, не способствуют самоустановлению колесной пары в радиальном положении в кривом участке пути. До модернизации рычагов за счет зазоров в отверстиях и возможного углового перемещения каждой в отдельности пластины между собой и на валиках шарнирных соединений препятствий самоустановлению колесной пары было значительно меньше.

В подобной ситуации необходимо изменить конструкцию подосной распорки, что предложено в а. с. СССР № 1463599 [22] (рисунок 3). Эта конструкция будет способствовать не только самоустановлению колесной пары, но и повысит эффективность торможения при прохождении вагоном кривых участков пути. Отметим особенности конструкции рассматриваемой тормозной рычажной передачи. Вертикальные рычаги 9 и 10 посредством нижних отверстий шарнирно соединены распорной тягой 15, средняя часть которой выполнена в виде цилиндрической пружины с сомкнутыми витками. При этом торцы пружины 16 жестко защемлены в головках распорной тяги.

Во время торможения распорная тяга 15 воспринимает сжимающую нагрузку и возможен ее изгиб в пределах упругой деформации.

Узел I.

Рисунок 3. - Совершенствование подосной распорки рычажной передачи тележки

При вписывании вагона в кривой участок пути колесные пары 1 и 2 тележки занимают непараллельное между собой положение. Триангели 5 и 6 за счет угловой податливости распорной тяги занимают положение, параллельное осям колесных пар, а рычаги 9 и 10 поворачиваются в вертикальной плоскости взаимно на угол поворота колесных пар относительно друг друга. Этим обеспечивается равномерное нажатие колодок на поверхности катания колес при любом их положении и, следовательно, повышается эффективность тормозной силы.

Поскольку угол поворота колесных пар в раме тележки будет равен ранее указанной величине, изгиб распорной тяги не будет превышать 30 мм, что обеспечивается устойчивостью пружины 16.

Выводы