Конструирование и расчет вагонов - часть 1

 

3

ВВЕДЕНИЕ 

 

Федеральный  железнодорожный  транспорт  остается  важнейшей  составной  частью 

транспортной системы государства, на его долю приходится около 86% грузооборота и 
более 38% пассажирооборота.  Поэтому  железнодорожные  перевозки  в  значительной 
мере  влияют  на  состояние  российской  экономики.  Этим  же  во  многом  определяется  и 
финансово-экономическое положение самого железнодорожного транспорта. 

После  распада  СССР  на  территории  России  остались  заводы,  общая 

производительность  которых  составила 45% от  прежней,  причем  со  специализацией  на 
выпуске 45% от  ограниченного  числа  типов.  В  частности,  среди  полувагонов 
эксплуатационного  парка 88,5% представляют  собой  конструкцию  универсального 
вагона  с  люками  и  лишь 11,5% – специализированные  вагоны  с  глуходонной 
конструкцией кузова. 

Отсутствие  систематического  пополнения  парка  вагонов  новыми  привело  к 

существенному старению парка, к увеличению эксплуатационных и ремонтных затрат на 
восстановление их работоспособности, к ухудшению безопасности движения. Ежегодно 
в  связи  с  истечением  срока  службы  должны  исключаться  из  инвентаря  десятки  тысяч 
вагонов, износ которых составляет 51,7%. 

Создание  новых  типов  и  конструкций  вагонов  включает  в  себя  этапы 

проектирования,  производства,  экспериментальных  исследований  опытных  образцов, 
освоения  серийного  выпуска  с  учетом  корректировки  рабочей  документации.  На  всех 
этапах  проектирования  и  постройки  учитывают  требования,  предъявляемые  к 
подвижному  составу  Госстандартами  и  другими  законодательными  и  нормативными 
документами. 

Дисциплина «Конструирование и расчет вагонов» – базовая для овладения другими 

специальными дисциплинами и служит основой для получения глубоких и всесторонних 
знаний по избранной специальности. 

 

4

1.  ВАЖНЕЙШИЕ НАПРАВЛЕНИЯ ОТЕЧЕСТВЕННОГО ВАГОНОСТРОЕНИЯ  

ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ КАЧЕСТВЕННОГО ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ 

ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ 

 
В 2001г.  Министерство  путей  сообщения  РФ,  ВНИИЖТ  совместно  с  научными 

организациями  и  заводами  вагоностроительной  промышленности,  основываясь  на 
результатах  многолетнего  опыта  эксплуатации  грузовых  вагонов,  на  результатах 
многочисленных исследований по реальной нагруженности вагонов, их узлов и деталей 
(статической,  динамической  продольной  и  вертикальной),  учитывая  зарубежный  опыт, 
прежде  всего  железных  дорог  Северной  Америки,  и,  принимая  во  внимание  низкие 
эксплуатационные  показатели  существующих  грузовых  вагонов  и  т.д.,  приступили  к 
разработке и внедрению в производство на российских заводах грузовых вагонов нового 
поколения. 

При  разработке  грузовых  вагонов  нового  технического  уровня  запланирована 

разработка трех категорий вагонов: 

ПЕРВАЯ 

–  стандартные с увеличенной грузоподъемностью до 71–75 тонн с нагрузкой на ось 25тс 

(245кН)  и  с  конструкционной  скоростью 120 км/ч  и  большегрузных  с 
грузоподъемностью 90–94 тонн  с  нагрузкой  на  ось 30 тс  с  конструкционной 
скоростью 100 км/ч; 

ВТОРАЯ 

–  скоростные с конструкционной скоростью до 140 км/ч с нагрузкой на ось до 20 тс и 

грузоподъемностью 50–60 тонн; 

ТРЕТЬЯ 

–  международные с грузоподъемностью 55–65 тонн с возможностью быстрого перехода 

с колеи 1520 мм на 1435 мм. 

Переход  к  вагонам  нового  поколения  предусматривает  улучшение  их 

потребительских  свойств  и  технико-экономических  параметров.  При  этом  следует 
руководствоваться следующими критериями. 

Первый  –  соответствие  всем  действующим  нормативным  документам  заказчика  и 

прогнозам развития экономики в течение назначенного срока службы. 

Второй  –  удобство  пользования,  обеспечение  сохранности  грузов,  возможности 

механизации погрузки и выгрузки. 

Третий  –  статистически  значимое  (не  менее 5%) улучшение  показателей 

производительности  (грузоподъемности)  в  сравнении  с  лучшим  из  имеющихся  в 
эксплуатации прототипов. 

Четвертый – сокращение капитальных вложений (не менее 5%) на поставки новых 

вагонов для освоения требуемого объема перевозок. 

Пятый – экономия (не менее 10%) эксплуатационных расходов. 
Шестой – применение тележек улучшенной конструкции с усовершенствованными 

системами  рессорного  подвешивания  и  автоматического  тормоза,  безремонтными 
конструкциями  естественных  пар  трения  в  течение  пробега  до  капитального  ремонта, 
статистически значимым снижением динамических нагрузок в несущих узлах вагонов и 
в элементах верхнего строения пути. 

Седьмой  –  снижение  удельной  материалоемкости  на  единицу  грузоподъемности, 

объема кузова и площади пола. 

Восьмой  –  экологическая  безопасность,  возможность  утилизации  после  окончания 

назначенного срока службы, предотвращение потерь груза через неплотности кузовов и 

 

5

выветривание с открытой поверхности. 

 

Колесная пара для вагонов нового поколения 

 

При  разработке  конструкции  колесной  пары  использованы  результаты  научно-

исследовательских  работ,  выполненных  различными  организациями  России,  и 
зарубежный  опыт  по  применению  колесных  пар  с  кассетными  подшипниками  для 
грузовых вагонов. 

Колесная  пара  представляет  собой  элемент  тележки  грузового  вагона, 

обеспечивающий движение поезда и передачу нагрузок от вагона на элементы верхнего 
строения пути и состоит из: 

–  оси,  представляющей  собой  сплошной  (или  полый)  вал  переменного  по  длине 

сечения, состоящий из двух шеек оси диаметром 150 мм, на которые устанавливаются на 
прессовой  посадке  двухрядные  конические  роликовые  подшипники  кассетного  типа  и 
буксовые  узлы;  двух  предподступичных  частей  диаметром 185 мм,  на  которые 
устанавливаются на прессовой посадке задние крышки с уплотнениями буксовых узлов; 
двух  подступичных  частей  диаметром 210 мм,  на  которые  на  прессовой  посадке 
устанавливаются два колеса, и средней части оси диаметром 180 мм; галтели переходов 
от одной части к другой выполняются в соответствии с ГОСТ 22780–93. Все части оси 
механически  обрабатываются  и  упрочняются  накатыванием  роликами  в  соответствии  с 
"Технологической  инструкцией  по  упрочнению  накатыванием  роликами  осей  колесных 
пар вагонов" ТИ32ЦВ-ВНИИЖТ-86. Торцевые части оси имеют три резьбовых отверстия 
М24, расположенные равномерно (120°) на окружности диаметром 100 мм. Материал оси 
по  ГОСТ 4728–96. Оси  в  необходимом  количестве  будут  изготавливаться  ГУП  «ПО 
Уралвагонзавод»; 

–  двух  колес  наружным  номинальным  диаметром 957 мм,  установленных  на 

подступичные части оси методом прессовой посадки, обеспечивающей надежную работу 
на весь срок службы колеса в соответствии с ГОСТ 4835–80. Колесо состоит из ступицы, 
диска и обода; зоны переходов от ступицы к диску и от диска к ободу выполняются без 
«перегибов»  таким  образом,  чтобы  максимально  снизить  влияние  концентраторов 
напряжений;  диск  упрочняется  наклепом  дробью  или  другим  методом;  толщина  обода 
обеспечивает  возможность  многократного  восстановления  профиля  поверхности 
катания, который выполняется по ГОСТ 9036–88. Колесо изготавливается из материала 
по  ГОСТ 10791–89 или  из  специального  химического  состава,  обеспечивающего 
повышенную твердость после термообработки до 350–380 НВ, позволяющего поднять в 
1,5–2 раза износостойкость гребня колеса и в 1,5–2 раза снизить выщербинообразование. 
Поверхности  колеса  механически  обрабатываются  в  соответствии  с  ГОСТ 9036–88. В 
настоящее  время  фактические  мощности  двух  российских  заводов  (Нижнетагильский 
металлургический  комбинат  и  Выксунский  металлургический  завод)  составляют  около 
480  тыс.  цельнокатаных  колес  в  год  при  минимальной  потребности  около 680 тыс. 
Учитывая недостаточные мощности российских заводов по производству цельнокатаных 
колес,  а  также,  принимая  во  внимание  необходимость  улучшения  эксплуатационных 
свойств  колес,  развернуты  работы  по  строительству  специальных  заводов  для 
изготовления стальных литых колес; 

–  двух  буксовых  узлов  с  подшипниками  качения,  передающих  вертикальную  и 

горизонтальную  нагрузки  от  тележек  и  кузова  вагона  через  колесную  пару  на  верхнее 
строение пути; буксовый узел состоит из одного двухрядного конического подшипника 
кассетного  типа  габарита 150x250x175 мм  с  общим  наружным  кольцом  и  встроенными 

 

6

уплотнениями,  нагрузка  на  который  от  тележки  передается  через  специальный  адаптер 
(седло).  Конические  подшипники  кассетного  типа  заправлены  консистентной  литиевой 
смазкой  на  заводе-изготовителе,  кольца  и  ролики  подшипников  изготавливаются  из 
цементуемых марок стали, за счет чего образуется твердый поверхностный слой и мягкая 
сердцевина,  лабиринтные  уплотнения  бесконтактного  типа.  Гарантированный  ресурс 
работы подшипников составляет не менее 10 лет; допускаемый диапазон температур для 
работы  подшипников  буксового  узла –60°С...+120°С.  Конструкция  адаптеров 
обеспечивает ограниченную свободу перемещения колесных пар относительно боковых 
рам  тележки,  исключая  возможность  кососимметричного  их  защемления  в 
направляющих  боковых  рам,  опорные  поверхности  адаптеров  обеспечивают  их 
безремонтную  работу  до  капитального  ремонта  тележки.  При  использовании  упругого 
элемента  в  узле  сочленения  колесных  пар  с  боковыми  рамами  он  контактирует  с 
наружной поверхностью подшипника и соответствующей формой проема боковой рамы 
или адаптера. Боковая рама тележки имеет устройство, предотвращающее от выпадения 
адаптера  в  эксплуатации.  Торцевое  крепление  подшипников  на  шейках  оси 
осуществляется при помощи шайбы крепительной и трех болтов М24. 

Монтаж  и  демонтаж  буксовых  узлов  кассетного  типа  производится  на 

автоматической  установке  в  течение 60 секунд,  способ  посадки  узлов  прессовый 
(холодный),  не  требующий  температурной  выдержки  после  монтажа  (напрессовки) 
подшипника. 

При  обточке  колесной  пары  при  всех  видах  ремонта  не  требуется  демонтаж 

элементов торцевого крепления и узла в целом, центр колесо-токарного станка проходит 
через специальное отверстие в передней крышке узла в торец оси. 

Диагностирование  кассетных  буксовых  узлов  в  пути  следования  осуществляется 

имеющейся напольной аппаратурой типа ДИСК (ПОНАБ), а при ремонте колесных пар 
виброакустическими установками типа УДП–85. 

В  настоящее  время  опытные  образцы  отечественных  кассетных  подшипников, 

изготовленных  ВПЗ–15 (г.  Волжский,  Волгоградская  область)  проходят  испытания  в 
буксах  грузовых  вагонов  на  экспериментальном  кольце  ВНИИЖТ  и  пассажирских 
вагонов постройки ОАО "Тверской вагоностроительный завод". 

 

Тележка для грузовых вагонов нового поколения 

 

К настоящему времени разработано, согласовано и утверждено техническое задание 

на  тележку,  а  также  разработан  технический  проект  новой  тележки.  Отличительной 
особенностью данной тележки является широкое использование накопленного опыта по 
конструкциям тележек на железных дорогах США и Канады (разработки американской 
фирмы  "А.Стаки").  Отсюда – наличие  целого  ряда  новых  конструктивных  решений, 
направленных на улучшение ходовых качеств тележки в порожнем и груженом режимах 
движения, а также на значительное повышение ее эксплуатационной надежности. 

Отличительные особенности новой тележки: 

–  увеличение осевой нагрузки с 23,5 до 25 тс; 
–  увеличение диаметра подпятника с 300 до 350 мм; 
–  применение  рессорного  подвешивания  повышенной  гибкости  с  билинейной 

характеристикой,  позволяющего  улучшить  ходовые  качества  тележки  в  порожнем  и 
груженом режимах движения; 

–  применение  фрикционного  термоупрочненного  клина  с  уретановой  накладкой  и 

планки  повышенной  износостойкости  с  измененной  конструкцией  клина  для