1. Ходовые части

1.1. Общие сведения

Рассматривая ходовые части, мы под этим термином понимаем те части вагонов, которые служат для:

- обеспечения и направления движения по рельсовой колее;

- восприятия и передачи нагрузок, действующих на вагон;

- создания в вагоне комфортных условий перевозки полезной нагрузки, и обеспечения необходимой плавности хода;

- формирования условий, создающих менее затратный механизм, содержания и обслуживания их в работе и при утилизации.

Ходовые части – важнейший элемент вагона. От их работы зависят перевозки на железной дороге вообще, безопасность и комфортные условия в частности.

Представление того, что это такое, дает ниже приведенная подборка наиболее характеристических типов ходовых частей (рис.1.1).

Рис. 1.1. Некоторые виды ходовых частей вагонов (слева-направо, сверху-вниз): ходовые части двухосных грузового и пассажирского вагона; типовая трехэлементная двухосная, трехосная и четырехосная тележки грузовых вагонов; французская тележка грузовых вагонов с одинарным буксовым подвешивание Y-25; тележка изотермического вагона; типовая тележка пассажирских вагонов; западно-европейская тележка грузовых вагонов и японская тележка высокоскоростных пассажирских вагонов; современные конструкции ходовых частей грузовых и пассажирских вагонов РФ

Как видно, ходовые части – это и простые и сложные конструкции, обеспечивающие перевозки полезной нагрузки в сложных условиях работы железных дорог. Влияние факторов на их эксплуатацию дает следующий анализ.

Среди факторов, определяющих выбор и обоснование того или иного типа ходовых частей выделяем:

- назначение; они служат для обеспечения передвижения вагонов и направления движения по рельсовой колее, восприятия и передачи действующих на вагон нагрузок, создания необходимой плавности хода, снижения затрат на создание, содержание и утилизацию конструкций и, главное, для обеспечения сохранности пассажиров и грузов при перевозках;

- составляющие элементы ходовых частей; это: колесные пары, различные преобразователи (механические, электрические и пр.), рессорное подвешивание, возвращающие и стабилизирующие устройства, объединительные элементы, тормозное оборудование и пр.;

- характер объединения элементов ходовых частей между собой для выполнения функций назначения; они могут работать независимо друг от друга, могут объединяться в единую конструкцию или создавать работоспособные другие комбинации;

- размещение ходовых частей на вагоне; они могут размещаться равномерно по длине или сосредоточено в районе направляющих сечений, на консолях рамы или в средней части вагона;

- соединения ходовых частей с рамой вагона; оно может быть жестким, упругим или жестко-упругим;

- тип предпочтительного вагона использования: универсальные (пассажирские, грузовые, изотермические, грузо-пассажирские), специализированные (вагоны городского и промышленного транспорта), специальные вагоны;

- ходовые части для железных дорогах одной колеи или нескольких; они могут ли они использоваться в бесперегрузочном, международном сообщении;

- ширину колеи, для которой они предназначены; на одну, только на широкую, среднюю, нормальную или узкую, или на несколько;

- габарит подвижного состава (ходовых частей); они могут создаваться для вагонов международного, государственного (Т, 1-Т, ВМ, 0-ВМ, 02-ВМ, 03-ВМ), отраслевого или местного стандарта.

Как нам представляется, учет приведенных выше факторов, создает условия для выбора такой конструкции ходовых частей, которая может обеспечить ее нормальную работу в будущем. Создание алгоритма упрощается, если использовать метод классификационного конструирования [1]. Он образует таблицу, левую часть которой занимают факторы, определяющие будущую работу ходовых частей. В правую часть таблицы включаем возможные проявления данных факторов. Далее, последовательно соединяя нужные варианты факторов влияния, получаем в графической или логико-математической форме цепь причинно-следственных связей для получения заданной конструкции (см. табл.1.1).

Таблица 1.1. Факторы, определяющие выбор ходовых частей вагонов

№ пп	Наименование факторов	Факторы, влияющие на выбор ходовых частей вагонов
1 2	Назначение ходовых частей: - передвижение - направления движения - передача нагрузки - обеспечение плавности хода - улучшение эксплуатации - сохранность груза - другие цели Составные элементы ходо-вых частей	За счет уменьшения За счет уменьшения За счет снижения трения скольжения и трения скольжения (1) трения качения (2) качения (3) Колесной парой в Воздушной подушкой внутри Магнитными силами отталкивания рельсовой колее (4) специального пути/лотка (6) в специальном пути/лотке (5) Контактным образом через Бесконтактным образом через систему «колесо-рельс» (7) систему подушек (8) Рессорным под- Состоянием пути и Условиями дви- вешиванием (9) вагонов (10) жения (11) Обслуживае- Доступностью Ремонтнопри- Диагностируе- Другими необходимыми качест- мостью (12) (13) годностью (14) мостью (15) вами снижающими расходы (16) Прочностью (17) Надежностью (18) Плавностью движения (19) Стабильностью эксплуатаци- онных свойств СЖОиГС (20) Оценочный показатель Экологическое Утилизируемость Другое (24) «цена-качество» (21) воздействие (22) конструкции (23) Колесные Преобразо- Рессорное под- Объединитель- Тормозное Возвращаю- Стабилизи- пары (25) ватели (26) вешивание (27) ные элементы оборудова- щие системы рующие (28) ние (29) (30) системы (31)

Продолжение табл. 1.1

3 4 5 6 7 8 9	Объединение элементов хо-довых частей между собой Расположение на вагоне Способ опирания на ходо-вые части Для каких вагонов предна-значаются ходовые части Трансформируемость ходо- вых частей Ширина колеи Габарит	Отсутствует (32) В тележках (33) Смешанное (34) На консолях рамы (35) В зоне направляющих сечений (36) В середине рамы (37) Жесткое (38) Упругое (39) Жестко-упругое (40) Пассажир- Грузовые (42) Изотерми- Грузо-пасса- Городского Промышлен- Спецвагоны ские (41) ческие (43) жирские (44) транспорта ного транс- (46) (44) порта (45) Неизменяемые (47) Изменяемые (48) Широкая (49) Нормальная (50) Средняя (51) Узкая (52) Т (53) 1-Т (54) ВМ (55) 0-ВМ (56) 02-ВМ (57) 03-ВМ (58) Государ- Отраслевой Местный (61) ственный (60) (59)
Логико-математическая фор-мула выбора пути создания хо-довых частей вагонов		Типовые тележки: 18-100 (ЦНИИ Х3) ← {{1^ 2 ^ 3}; 4; 7; {9 ^ 10 ^11}; {12 ^ 13 ^ 14 ^ 15 ^ 16}; {17 ^ 18 ^ 19 ^ 20}; {21 ^ 22 ^ 23 ^ 24}; {25 ^ 26 ^ 27 ^ 28 ^ 29 ^ 30 }; 33; 36; 40; 42; 47; 49; {53 ^ 54 ^ 55 ^ 56}} 68-4065 (КВЗ-ЦНИИ) ← {{1^ 2 ^ 3}; 4; 7; {9 ^ 10 ^11}; {12 ^ 13 ^ 14 ^ 15 ^ 16}; {17 ^ 18 ^ 19 ^ 20}; {21 ^ 22 ^ 23 ^ 24}; {25 ^ 26 ^ 27 ^ 28 ^ 29 ^ 30 ^ 31}; 33; 36; 40; 41; 47; 49; {53 ^ 54 ^ 55 ^ 56}}.

Рис. 1.2. Схематическое изображение классификационных факторов табл. 1.1.

Обозначения: G – собственный вес; P- действующая сила; F_{тр с} – сила трения скольжения; F_{тр к} – сила трения качения; N – условное обозначение одноименных полюсов магнитов; h_к – поперечное смещение консольной части тележки в кривой; h_c - поперечное смещение средней части тележки в кривой; n_k –длина консольной части вагона; ℓ - база вагона; Н, 2В – соответственно высота и ширина габарита подвижного состава; 2s – ширина колеи

Ходовые части называются так, что создаются, прежде всего, для передвижения. Передвижение начинается с преодоления состояния покоя. Далее оно будет происходить следующим образом: скользить 1 (здесь и далее см. табл. 1.1, рис. 1.2), катиться 2 с использованием промежуточных тел качения или использовать оба способа 3, катиться и скользить по поверхности. Скольжение при определенных условиях более затратный процесс, чем качение, особенно на начальной стадии движения. Поскольку ходовые части – это не один элемент, то одни из них могут скользить, другие катиться, но целом – преодолевать трение скольжения и качения одновременно.

Важнейшим фактором является направление движения. На железной дороге оно задается рельсовой колеей и колесными парами 4, при воздушном подвешивании - специальной конструкцией пути/лотка, внутри которого создаются взаимно уравновешивающие воздушные подушки 5, а при использовании магнитного подвешивания: за счет создания взаимно уравновешивающих коэрцитивных (от лат. coërcitio удерживание – сила притяжения/отталкивания, определяемая ферромагнитными свойствами материала) сил между магнитами 6 пути-лотка и боковых поверхностях вагонов и т.д.

С силовой точки зрения ходовые части выполняют промежуточную функцию; они воспринимают нагрузку от кузова и передают ее на путь и наоборот. Эта происходит контактно через систему «колесо-рельс» 2, 7 и бесконтактно 5, 6, 8 через воздушное и электромагнитное поля.

Ходовые части за счет рессорного подвешивания 9, состояния пути, подвижного состава 10 и в целом от условий движения 11 создают в вагоне тот уровень плавности хода, который обеспечивает комфортную перевозку полезной нагрузки.

Ходовые части создаются на достаточно продолжительное время (до 40 лет) работы. За этот период с ними происходит разное. Для улучшения и удешевления поддержания ходовых частей в работоспособном состоянии им придаются такие эксплуатационные качествами, как обслуживаемость 12, доступность 13, ремонтнопригодность 14, диагностируемость 15 и др. 16.

Мы уже неоднократно отмечали, что если в вагонах не будет гарантирована качественная перевозка, сохранность полезной нагрузки, то предложений на их использование от потенциальных грузоотправителей ждать не следует. Такие вагоны им не нужны. Значит сохранность перевозимой полезной нагрузки - это главное условие, которое должен безусловно выполнять перевозчик. Условно ее разделяют на физическую (сохранение физической целостности при перевозках) и коммерческую (сохранение потребительских свойств). Физическая сохранность обеспечивается прочностью 17, надежностью 18 конструкций, а коммерческая, - надежной работой внутренних СЖО и ГС 20, которая в значительной степени определяется той плавностью хода 19, которая обеспечивается ходовыми частями.

При создании ходовых частей большое внимание уделяется затратам на их производство и эксплуатацию. В последнее время это заключается в комплексном показателе «цена-качество» 21.

Важным является также воздействие ходовых частей на экологию 22. Ходовые части образуют воздушные потоки, которыми разносятся частицы верхнего строения пути, продукты взаимодействия вагонов между собой и путем, отходы «жизнедеятельности» полезной нагрузки и пр. Кроме того, при движении образуется достаточно сильный шумовой фон. Все это загрязняет окружающую среду. Особенно сильны загрязнения от аварий и катастроф и есть опасность при перевозках опасных грузов. На экологию влияет также утилизируемость 23 выработавших свой ресурс элементов ходовых частей.

К составляющим элементам ходовых частей относят колесные пары 25, разнообразные преобразователи (механические, электрические и пр.) 26, рессорное подвешивание 27, возвращающиеся и стабилизирующие устройства 30, 31, объединительные элементы 28, тормозное оборудование 29 и пр.

Самым ответственным элементом ходовых частей являются колесные пары 25, представляющие собой узел из двух колес, неподвижно закрепленных на оси. Колесная пара, вращаясь, передвигается по рельсовой колее; вращается и ось. В прикладной механике такой элемент принято называть валом. Однако в вагоностроении за ним прижилось слово «ось».

Колеса насажены на ось так, что они образуют консоли или шипы (рис. 1.2), на которые «надевают» буксы (немец. Вuksa втулка – цилиндрическая деталь с продольным отверстием для вставки другой детали; часто это элемент подшипника).

В буксах размещаются подшипники, которые создают приемлемое трение в узле. В них, как в преобразователях 26 вращательное движения колесной пары преобразуется в поступательное движение вагона.

В теории общего машиностроении под подшипником понимается опорная деталь, которая располагается под шипом, консольной частью вала. В вагоностроении мы называем подшипником ту часть, которая располагается над шейкой консольной части оси, шипом. Поэтому правильнее его бы назвать «надшипник». Однако в вагоностроении прижилось и повсеместно используется это неправильное слово «подшипник».

На буксы сверху опирается часть тележки, рама и кузов.

Преобразователями 26 в ходовых частях являются также приводные генераторные электрические устройства. Они преобразуют кинетическую энергию движения в электрическую и питают ею энергопотребители в вагонах.

Рессорное подвешивание 27 состоит из упругих и демпфирующих (нем. Dampfer глушитель – устройство ослабляющее колебательный процесс за счет сил трения) элементов и служит для уменьшения колебаний, динамических сил и не допускает проявление резонансных явлений. За счет рессорного подвешивания создается необходимая плавность хода.

Объединительными элементами 28 в ходовых частях являются жесткие и подвижные тележечные рамы. Заметим, что в теоретической механике есть четкое понятие рамы, как жесткого, составленного из неподвижных друг относительно друга стержней безраскосного соединения (рама с раскосами – ферма). Жесткие рамы образуют цельносварные стержневые системы. Они используются в тележках пассажирских вагонов. Подвижные рамы имеют так называемые трехэлементные тележки грузовых вагонов. У них две боковые конструкции сложной формы, называемые рамой, соединяются поперечной балкой и удерживаются вместе за счет собственного веса и жесткости расположенных между ними элементов рессорного подвешивания. Все это образует подвижную Н-образную конструкцию, раму, которую со строгих позиций науки называть рамами нельзя. На раму тележки опирается рама вагона и кузов.

Тормозное 29 оборудование создает искусственное сопротивление движению; оно регулирует скорость движения и задерживает вагон, стоящий на месте, не допуская его самопроизвольного перемещения. На тележках может располагаться весь комплект тормозного оборудования, как это имеет место у тележек с дисковыми тормозами, а может – частично, как на вагонах с традиционными пневматическими фрикционными тормозами. В таких вагонах на тележке размещается только часть рычажной передачи и тормозные колодки. Все остальные части тормоза – размещаются на раме и кузове вагона.

Возвращающие устройства 30 нужны тележкам, которые работают в зоне максимальных поперечных перемещений вагона относительно пути. Это имеет место при движении вагонов в кривых участках пути. Для возвращения тележек в исходное состояние при выходе вагона из кривой служат возвращающие устройства в виде пружин, люлек, поводков.

Стабилизирующие устройства 31 успокаивают колебания вагона. Это делают гасители колебаний, высоторегулирующие системы пневматического подвешивания и другие конструкции.

В начале на двухосных и трехосных вагонах (рис. 1.1) элементы ходовых частей 32 (а их много) размещались раздельно. Тогда, когда стали использовать многоосные вагоны (четырех-, шести-, восьми- и более осные), то оказалось, что лучше работают те ходовые части, которые расположены только в зоне направляющих сечений, расположенные в других частях вагона (на консолях и в середине), испытывали проблемы при прохождении кривых пути. Поэтому впоследствии пришли к необходимости опирать раму с кузовом вагона на две точки, расположенные в области направляющих смещений. Для этого все элементы ходовых частей пришлось собирать вместе в две объединенные конструкции. Их назвали тележками 33. Шкворнями фиксировали тележки на раме вагона; относительно их происходил поворот тележек в кривых. Уровень опорной части рамы вагона на тележку зависел от ее осности, чем больше осей она имела, тем выше располагалась эта опора. Расстояние между шкворнями стало одним из важнейших параметром вагона; его назвали «базой». Тележки создали условия для появления большегрузных вагонов (см. [2]).

Смешанное объединение элементов ходовых частей 34 есть у тормозов 29, у трехосных вагонов [1] и др.

Для создания лучших условий развески оборудования и нагружения рамы были попытки ходовые части по длине подвижного состава распределять равномерно. Чаще, такое распределение используется в локомотивостроении (например, электровозы ВЛ-85 и ВЛ-86). В вагонах из-за большой сложности опорных узлов оно рассматривается пока лишь теоретически. (При движении вагона в кривой тележки в концевые части 35 и середина 37 вагона смещаются поперек относительно пути. Первые,- наружу, а вторые,- внутрь кривой. При этом, чем круче кривая и длиннее вагон, тем больше такое смещение; при этом ходовые части, которые располагаются в зоне направляющих сечений 36, не смещаются).

Соединение большинства частей вагонов основано на удерживании друг друга за счет собственного веса. Так осуществляется соединение рамы вагона и кузова с ходовыми частями. При этом, различают центральное соединение, боковое опирание и опирание через люльку.

При центральном опирании на шкворневой балке рамы вагона размещается опорный узел – пятник. На раме тележки, на ее поперечной балке – подпятник. Их соединяет специальный стержень – шкворень. Взаимные вертикальные перемещения в системе «пятник-подпятник» не допускаются, разрешены только угловые перемещения относительно шкворня. Такое соединение относится к жестким 38.

При боковом опирании чаще всего используются упругие элементы рессорного подвешивания, которые располагают между боковыми балками рам тележек и рамы вагона. Соединение осуществляется за счет собственного веса и вертикальной жесткости подвешивания, а фиксация – за счет его поперечной жесткости. Такое соединение называют упругим 39.

Пассажирские вагоны опираются на ходовые части чаще всего через люльку. Она представляет собой систему из маятниковых подвесок, верхняя часть которых шарнирно прикреплена к раме тележки, а на нижние – опирается рессорное подвешивание. На нем лежит поперечная балка с центральной опорой системы «пятник-подпятник» вагона. Люлька может совершать колебательные движения поперек и вдоль вагона, компенсируя вызвавшие их нагрузки. Такое соединение относится к жестко-упругим (40).

Ходовые части для различных вагонов и различной ширины колеи различаются между собой [см. 2], образуя, как правило, оригинальные конструкции, имеющие свое обозначение и название.

До сих пор не сходит с повестки дня идея бесперегрузочного сообщения между странами с различной шириной колеи. Как известно, есть широкая 49 (1600 – 1680 мм), нормальная 50 (1435 – 1524 мм), средняя 51 (1000 - 1435 мм) и узкая 52 колея с размерами менее 1000 мм. На сегодня созданы многочисленные конструкции колесных пар с раздвижными колесами, рассчитанными на различную колею 48. Однако на практике эта сложная задача успешно решена только в Испании при создании поезда Talgo. Обычно ходовые части делают в расчете для работы на железных дорогах с фиксированной шириной колеи 47.

Размеры вагонов и его частей стандартизируют в рамках международных организаций типа UIC, Union Internationale des Chemis de Fer (Международный союз железных дорог) и их вписывают в установленный габарит подвижного состава. Стандартизованы и приняты в настоящее время следующие габариты подвижного состава: Т – для новых и реконструированных линий, Т_Ц – для цистерн, Т_П – для полувагонов 53, 1-Т – для всех железных дорог России 54, 1-ВМ (О-Т) – для реконструированных железных дорог ОСЖД 55, 0-ВМ (01-Т) – для всех железных дорог ОСЖД 56, 02-ВМ (02-Т) – для всех железных дорог Европы 57, 03-ВМ (03-Т) – для железных дорог Азии 58. При этом максимальные размеры габаритов составляют: приближения строений: ширина, 2В_С= 4900 мм, высота, h_c= 6400мм; габаритов подвижного состава (самого большого Т): 2В_Т= 3750 мм, h_Т= 5300 мм и самого малого (03-ВМ): 2В_03-ВМ= 3150 мм, h_03-ВМ= 4280 мм.