CC BY
42
УДК 629.4.016.15
Разработка метода ресурсных испытаний тормозной системы тележки
И. В. Назаров 1, Е. И. Артамонов 2, А. Л. Ковязин 3
1 Акционерное общество «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта» (АО «ВНИИЖТ»), Российская Федерация, 129626, Москва, 3-я Мытищинская ул., 10
2 Общество с ограниченной ответственностью «Тихвинский испытательный центр железнодорожной техники» (ООО «ТИЦЖТ»), Российская Федерация, 187556, Ленинградская обл., Тихвин, Промплощадка, 6, стр. 1
3 Общество с ограниченной ответственностью «Центр транспортных технологий» (ООО «ВНИЦТТ»), Российская Федерация, 199106, Санкт-Петербург, Васильевский о-в, 23-я линия, 2, лит. А
Для цитирования: Назаров И. В., Артамонов Е. И., Ковязин А. Л. Разработка метода ресурсных испытаний тормозной системы тележки // Известия Петербургского университета путей сообщения. -СПб.: ПГУПС, 2019. - Т. 16, вып. 2. - С. 230-240. DOI: 10.20295/1815-588X-2019-2-230-240
Аннотация
Цель: Проведение ресурсных испытаний в рамках комплексных испытаний тормозной системы с механической частью, полностью установленной на тележке Barber, для вагонов нового поколения. Апробация методики ресурсных испытаний на опытном образце тележки. Методы: Для разработки методики ресурсных испытаний тормозных систем, в том числе интегрированных в тележку, выявлены параметры, условия эксплуатации и нагруженности тормозного оборудования в составах поездов, курсирующих по реальным маршрутам. По полученным из эксплуатации данным определена нагруженность по циклам «торможение-отпуск» тормозной системы среднестатистического вагона. Результаты: Разработана методика ресурсных испытаний тормозной системы для вагонов нового поколения. Она апробирована на системе, интегрированной в тележку, и проведены ее комплексные испытания с оценкой работоспособности тормозной системы тележки до и после ресурсных торможений. Практическая значимость: Испытания проведены в рамках комплексных исследований по подтверждению ресурса и работоспособности тормозной системы, при освоении производства тележек для грузовых вагонов нового поколения. Предложенная методика ресурсных испытаний подтвердила отсутствие опасных отказов тормозной системы за установленный период. Она может быть применена к любым видам тормозных систем грузовых вагонов.
Ключевые слова: Тормозная система, ресурсные испытания, тормозные испытания, тележка Barber, грузовые вагоны.
Введение
Появление в настоящее время грузовых вагонов с повышенными осевыми нагрузками и скоростями движения [1, 2] при развитии и совершенствовании железных дорог требует улучшения характеристик основных подсистем вагонов, в том числе тормозной системы, для которой эффективность торможения и от-
сутствие юза при безотказной работе служат ключевыми параметрами. Поэтому при освоении производства вагонов с новыми тормозными системами необходимы их тщательный анализ, расчет и испытания.
Перед освоением производства тележки Barber с увеличенной до 27 т осевой нагрузкой была разработана уникальная тормозная система, интегрированная в конструкцию
тележки (рис. 1). Данная тормозная система имеет размещенную на тележке исполнительную часть, включающую тормозной цилиндр, авторегулятор, два триангеля с башмаками и рычаги с распоркой. Перед производством и испытаниями тормозной системы в сборе на первом этапе были проведены испытания по постановке на производство отдельных основных частей тормозной системы - тормозного цилиндра, авторегулятора, триангеля и башмака. Определялись их прочность при действии эксплуатационных нагрузок, соответствие применяемых материалов требованиям конструкторской документации, а для тормозного цилиндра и авторегулятора дополнительно -функциональная работоспособность, в том числе при действии повышенных и пониженных температур. Результаты испытаний составных частей были положительны.
После этого была поставлена задача провести испытания тормозной системы в сборе для подтверждения соответствия характеристик системы заданным требованиям и проверки ее тормозной эффективности, прочности, плотности, надежности и работоспособности во всех режимах, возможных в эксплуатации, с учетом [3-5].
Подтверждение тормозной эффективности, прочности и работоспособности производили
при стационарных тормозных испытаниях. Тормозную эффективность оценивали, подавая в пневматический силовой орган сжатый воздух с давлениями, соответствующими порожнему и груженому режимам торможений, и контролируя при этом силу, реализуемую при различных толщинах колодок, с максимальными и минимальными зазорами между колодками и колесами. Дополнительно определяли стабильность работы тормозной системы и время наполнения тормозного цилиндра. Для оценки плотности тормозной системы контролировали отсутствие утечек сжатого воздуха из пневматической части тормозной системы по величине падения давления за фиксированное время. Прочность тормозной системы устанавливали подачей максимально возможного давления, которое может возникнуть в пневматической системе вагона - 0,6 МПа, - в силовой пневматический орган, контролируя при этом отсутствие разрушения. Работоспособность тормозной системы определяли, как возможность авторегулятора поддерживать зазор между колодками и колесами в заданном диапазоне.
Для проверки надежности тормозной системы было необходимо убедиться в отсутствии опасных отказов после числа торможений, соответствующих межремонтному
Рис. 1. Общий вид тормозной системы и ее составные части: 1 - тормозной цилиндр; 2 - авторегулятор двустороннего действия; 3 - горизонтальные рычаги; 4 - триангели; 5 - башмаки; 6 - тормозные колодки; 7 - рычаг стояночного тормоза; 8 - распорная тяга цилиндра; 9 - направляющие башмаков, при помощи которых происходит
взаимодействие с боковыми рамами
периоду, а также подтвердить характеристики и параметры, оцененные при стационарных испытаниях до их проведения и по оценке ресурса. Критерием, подтверждающим надежность системы в течение всего межремонтного интервала, является соответствие тормозной эффективности, плотности, прочности и работоспособности тормозной системы после осуществления торможений за межремонтный интервал требованиям, заданным техническим заданием.
В соответствии с техническим заданием на разработку тормозной системы ее межремонтный период составляет 10 лет, а назначенный срок службы - 20 лет [6]. Поэтому для проведения испытаний на надежность и подтверждения межремонтного интервала по числу циклов «торможение-отпуск» необходимо сначала оценить нагруженность тормозного оборудования реально эксплуатируемых вагонов.
Определение нагруженности тормозного оборудования в эксплуатации
Для установления уровня нагруженности и условий эксплуатации тормозного оборудования была поставлена задача по выявлению параметров среднестатистической поездки грузового вагона в составах поездов.
В процессе работы для получения достоверных сведений были собраны и проанализированы данные с 169 поездов, двигающихся по дорогам, имеющим как равнинные, так и горные участки, с различными грузонапряженностью и скоростью движения, с локомотивами, использующими электрическое торможение и без него. Суммарная наработка по пробегу для таких поездов составила более 25 000 км, при этом исследовано было 1436 торможений [7].
Эксплуатационную нагруженность тормозов подвижного состава на конкретных типичных участках пути оценивали следующими спектрами распределений парамет-
ров, характеризующих отдельное торможение:
- снижение магистрального давления сжатого воздуха Ар;
- начальная скорость торможения V0;
- коэффициент снижения скорости при торможении х, представляющий собой отношение скорости поезда в конце торможения V к начальной скорости V0;
- длительность торможения
- длительность пауз между торможениями t (учитывается только при наличии последовательных торможений, промежуток времени между которыми не превышал 15 мин);
- число торможений в тормозном цикле п.
На основании анализа спектров распределения параметров нагруженности тормозного оборудования в эксплуатации было установлено, что выделенные классификационные признаки - характеристики исследуемых участков, наличие или отсутствие электрического торможения локомотива - не оказывают существенного влияния на вид распределения. Основными влияющими факторами были выбраны скорость начала торможения, величина снижения магистрального давления воздуха, длительность пауз между торможениями и коэффициент уменьшения скорости. Исходя из этого, были построены обобщенные спектры (частости w) без учета весовых характеристик данных классификационных признаков (рис. 2-6).
Оценка и анализ построенных зависимостей по результатам исследования позволили прийти к следующим выводам о нагруженно-сти тормозного оборудования в эксплуатации:
- основная доля торможений в эксплуатации приходится на вторую и третью ступени торможения с начальной скоростью от 0-10 либо 50-60 км/ч;
- распределение ступеней торможения при отсутствии электрического торможения локомотива характеризуется несколько увеличенной долей первой ступени и снижением доли третьей;
- торможение на сложном переломном профиле при включении воздухораспредели-
30
25
20
15
10
Рис. 3. Гистограмма распределения скорости начала торможения
80 70 60 50 s 40 30 20 10 0
70
о
m I
о
о о
чо о\
I I
о о
m чо
о
<N
7
О о\
0 0 0 0 0 0
о m О ОО о о о О о m
о <N о m о ОО о <4 о <N о <N
t'y, С
Рис. 6. Гистограмма распределения длительности торможения
теля на горный режим характеризуется более глубоким снижением давления в тормозной магистрали;
- основная часть торможений обеспечивает либо остановку, либо понижение скорости до 20 %;
- наиболее вероятная длительность торможения не превышает 30 с. При отсутствии электрического торможения доля коротких торможений - 0-60 с - уменьшается, при этом возрастает число более длительных торможений;
- длительность пауз между торможениями существенно сокращается при отсутствии электрического торможения локомотива.
Рассмотрим, как распределялось число торможений на 1000 км пробега среднестатистического вагона: среднее значение: 68,6; минимальное значение: 28,2; максимальное значение: 137,4; дисперсия: 1446,7; стандартное отклонение: 38; эксцесс: 1,006; асимметрия: 0,02.
Анализ распределения количества торможений (рис. 7) показал, что общее количество торможений в год на условном грузовом вагоне в пути следования (без станционной работы) с учетом среднесуточного пробега, равного 340 км [8], составляет 8600.
Современные условия эксплуатации грузового подвижного состава нового поколения предполагают, что условный грузовой вагон эксплуатируют на определенных маршрутах с максимальной эффективностью, т. е. минимальным порожним пробегом и при максимальной грузоподъемности. Потому вместо использования в расчетах среднестатистических условий нагруженности тормозного оборудования необходимо рассматривать условия его максимальной нагруженности, что особенно важно при определении количества и глубины торможений. Исходя из этих положений, число торможений условного грузового вагона при максимально нагруженном режиме эксплуатации составляет 20 660 в год.
В проведенной работе не было зафиксировано ни одного экстренного торможения и были использованы результаты испытаний
п1000
Рис. 7. Распределение количества торможений на 1000 км пробега
2011-2015 гг. [9], согласно которым в расчетное число торможений в год должно входить не менее 9 экстренных торможений.
В соответствии с действующей нормативно-технической документацией существующей на дорогах РФ технологии проведение полного обслуживания тормозов предусматривает не менее 3 торможений в сутки. Дополнительно к этому каждые 8 ч производят смену локомотивных бригад и сокращенное опробование тормозов, что добавляет еще 3 торможения в сутки. Таким образом, количество торможений условного грузового вагона при маневровой работе составляет по предварительной оценке порядка 6 % относительно общего количества торможений в год.
Таким образом, общую нагруженность тормозного оборудования инновационного грузового вагона можно оценить в 24 200 торможений в год.
Уточнение параметров метода ресурсных испытаний тормозной системы для вагонов нового поколения и апробация метода на системе, интегрированной в тележку
Данные о нагруженности тормозного оборудования условного вагона, полученные по
результатам исследования реальных составов, были использованы для испытаний тормозной системы, интегрированной в тележку.
Учитывая специфику эксплуатации вагонов нового поколения, имеющих минимальный порожний пробег, для ресурсных испытаний тормозной системы, интегрированной в тележку, была установлена следующая характеристика цикла: давление в тормозном цилиндре 0,33 МПа - соответствующее полному служебному торможению, без учета ступеней; время наполнения тормозного цилиндра - 5 с; время удержания давления в тормозном цилиндре - 5 с; сброс давления - 2 с. Давление в тормозном цилиндре было принято из тех соображений, что инновационные вагоны эксплуатируются в основном при максимальной загрузке на среднем режиме работы воздухораспределителя, при котором давление в тормозном цилиндре составляет 0,31-0,35 МПа, а время наполнения - из соображений плавного функционирования системы и снижения времени, затраченного на испытания, так как длительность приложения статической нагрузки не влияет на накопления усталостных повреждений, которые определяются количеством циклов.
Так как все компоненты тормозной системы - тормозной цилиндр, авторегулятор, триан-гели в сборе с башмаками и рычаги - подтвер-
Результаты проверки параметров тормозной системы до и после ресурсных испытаний
Показатель Допустимое значение показателя Результат испытаний Заключение по испытаниям
до ресурсных торможений после ресурсных торможений
Прочность деталей и узлов тормозной системы при максимальном давлении (0,6+002 МПа) Отсутствие разрушений и видимых остаточных деформаций Разрушения и остаточные деформации отсутствуют Результат положительный
Плотность пневматической части тормозной системы при давлении 0,6+002 МПа Падение давления не более 0,01 МПа за 3 мин Падение давления 0,001 МПа за 3 мин То же
Обеспечение автоматического поддержания зазора между тормозными колодками и колесами Средний зазор (5-8 мм) после замены новых колодок на предельно изношенные Средний зазор 6-7 мм ?? ??
Действительная сила тормозного нажатия, кН, для давления: (0,1-0,12) МПа (0,3-0,34) МПа 6,34-10,02 19,21-37,43 6,63-7,95 21,8-25,44 6,28-8,12 19,87-23,52 ?? ?? ?? ??
Целостность тормозной системы Отсутствие видимых разрушений после 242 000 торможений - Разрушения отсутствуют после 360 000 торможений ?? ??
дили соответствие категории УХЛ1 по ГОСТ 16350-80 [10] при испытаниях по отдельности, то ресурсные испытания осуществляли при температуре окружающей среды 20±5 °С.
Согласно требованию технического задания [6], межремонтный период интегрированной в тележку тормозной системы составляет 10 лет, поэтому минимальное число циклов, необходимое для подтверждения отсутствия опасных отказов в межремонтный период, -242 000. Тормозная система испытывалась до числа циклов, равного 360 000, что отвечает 14,8 годам работы, для возможного подтверждения увеличенного ресурса.
После проведения ресурсных торможений в количестве 360 000 циклов были оценены
отсутствие разрушений тормозной системы как критерий опасных отказов, проверка ее тормозной эффективности, прочности, плотности и работоспособности во всех режимах, возможных в эксплуатации. Результаты данных испытаний приведены в таблице.
Заключение
Для проведения испытаний на надежность и подтверждения отсутствия отказов в межремонтный интервал 10 лет по числу циклов «торможение-отпуск» тормозной системы, интегрированной в тележку модели 186863 для грузовых вагонов нового поколения,
были получены данные о нагруженности тормозного оборудования реально эксплуатируемых вагонов. На основании этих данных была разработана методика испытаний по подтверждению работоспособности и отсутствия опасных отказов в межремонтный период для тормозной системы.
Проведенный комплекс испытаний установил соответствие системы заявленным требованиям, в том числе и отсутствие опасных отказов в межремонтный период: при задании 10 лет тормозная система подтвердила безотказную работу в течение 14,8 лет.
Библиографический список
1. Бороненко Ю. П. Стратегические задачи вагоностроителей в развитии тяжеловесного движения / Ю. П. Бороненко // Транспорт Российской Федерации. - 2013. - № 5. - С. 68-73.
2. Орлова А. М. Конструкция тележки с осевой нагрузкой 27 тс с интегрированной тормозной системой / А. М. Орлова, В. С. Бабанин, А. Л. Ковязин, И. В. Турутин // Железнодорожный транспорт. -2018. - № 7. - С. 61-67.
3. ГОСТ 33597-2015. Тормозные системы железнодорожного подвижного состава. Методы испытаний. - М. : Стандартинформ, 2016. - 24 с.
4. Общее руководство по ремонту тормозного оборудования вагонов 732-ЦВ-ЦЛ. - Утв. 54-м Советом по железнодорожному транспорту государств-участников содружества (протокол от 18-19 мая 2011 г.). - М. : Трансинфо, 2011. -216 с.
5. ГОСТ 33211-2014. Вагоны грузовые. Требования к прочности и динамическим качествам. - М. : Стандартинформ, 2016. - 56 с.
6. Техническое задание на разработку системы тормозной для двухосных трехэлементных тележек грузовых вагонов тип 4 ГОСТ 9246-2013. - Утв. А. М. Орлова. - СПб. : ПАО «НПК "ОВК"», 2016. -58 с.
7. Гудас М. В. Отчет о проведении работы по теме «Оценка нагруженности тормозного оборудования в эксплуатации. Анализ результатов данных с Московской, Восточно-Сибирской, ЗападноСибирской и Приволжской железных дорог. Требования к ресурсным испытаниям перспективного тормозного оборудования» / М. В. Гудас. - М. : ОАО «ВНИИЖТ», 2017. - 35 с.
8. Хусаинов Ф. И. Экономическая статистика железнодорожного транспорта / Ф. И. Хусаинов. -М. : Наука, 2016. - 100 с.
9. Протокол расшифровки файлов локомотивных систем безопасности (КЛУБ, КПД) экстренных торможений грузовых поездов на сети дорог: отчет о НИР (промежуточ.). - Утв. С. А. Сапожников, рук. Г. Н. Горюнов. - М. : ОАО «ВНИИЖТ», 2013. -15 с.
10. ГОСТ 16350-80. Климат СССР. Районирование и статистические параметры климатических факторов для технических целей. - М. : Изд-во стандартов, 1986. - 142 с.
Дата поступления: 31.01.2019 Решение о публикации: 14.02.2019
Контактная информация
НАЗАРОВ Игорь Викторович - заместитель заведующего отделением, nazarov.igor@vniizht.ru АРТАМОНОВ Евгений Игоревич - аспирант, eartamonov@railtest.ru
КОВЯЗИН Александр Леонидович - руководитель отдела, akovyazin@tt-center.ru
Development of the life test method for a bogie brake system I. V. Nazarov 1, E. I. Artamonov2, A. L. Kovyazin 3
1 Joint Stock Company "Scientific Research Institute of Railway Transport" (JSC "VNIIZhT"), 10, 3rd Mytishchinskaya ul., Moscow, 129626, Russian Federation
2 Limited Liability Company "Tikhvinsky Testing Center of Railway Engineering" ("TITZZHT" LLC), 6-1, Promploshchadka area, Tikhvin, Leningrad Region, 187556, Russian Federation
3 Limited Liability Company "Transport Technologies Center" (VNITSTT LLC), 2, lit. A, 23th line, Vasilievsky Island, Saint Petersburg, 199106, Russian Federation
For citation: Nazarov I. V., Artamonov E. I., Kovyazin A. L. Development of the life test method for a bogie brake system. Proceedings of Petersburg Transport University, 2019, vol. 16, no. 2, pp. 230-240. (In Russian) DOI: 10.20295/1815-588X-2019-2-230-240
Summary
Objective: Conducting life tests in the framework of complex tests of the brake system with the mechanical part, fully installed on the Barber bogie, for the new generation cars. Approbation of the life test methodology on a prototype bogie. Methods: In order to develop the methods for the life test of brake systems, including those integrated into the bogie, the parameters, operating conditions and the loading of brake equipment in trains running on real routes were identified. According to the data obtained from the operation, the load on the "braking-release" cycles of the braking system of an average car was determined. Results: The procedure for life tests of the brake system for new generation cars was developed. It was tested on a system integrated into the bogie, and its comprehensive tests were carried out with an assessment of the performance of the bogie's braking system before and after the resource braking. Practical importance: Tests were carried out in the framework of comprehensive studies to confirm the resource and performance of the braking system, while mastering the production of bogie for new generation freight cars. The proposed method of life tests confirmed the absence of dangerous failures of the brake system for a set period. It can be applied to any types of brake systems of freight cars.
Keywords: Brake system, endurance tests, brake tests, Barber bogie, freight cars.
References
1. Boronenko Y. P. Strategicheskiye zadachi vagonos-troiteley v razvitii tyajelovesnogo dvijeniya [Strategic tasks of car builders in the development of heavy traffic]. Transport Rossiyskoy Federatsii [Transport of the Russian Federation], 2013, no. 5, pp. 68-73. (In Russian)
2. Orlova A. M., Babanin V. S., Kovyazin A. L. & Turutin I. V. Konstruktsiya telezhki s osevoi nagruzkoi 27 ts s integrirovannoy tormoznoy sistemoy [The design of a bogie with 27 tf axle load with an integrated brake system]. Zheleznodorozhniy transport [Railway transport], 2018, no. 7, pp. 61-67. (In Russian)
3. GOST 33597-2015. Tormoznye sistemy zhe-leznodorozhnogo podvizhnogo sostava. Metody ispy-
tanii [State Standard 33597-2015. Brake systems for the railway rolling stock. Test methods]. Moscow, Stan-dartinform Publ., 2016, 24 p. (In Russian)
4. Obshcheye rukovodstvo po remontu tormoznogo oborudovaniya vagonov 732-TSV-TSL [General guidance on maintenance of brake equipment of 732-CV-CL cars]. Utv. 54-m Sovetom po zheleznodorozhno-mu transportu gosudarstv-uchastnikov sodruzhestva (protokol ot 18-19 maya 2011 g.). [Approved by the 54th Council for the Railway Transport of the Commonwealth Member States (Protocol dated May 18-19th, 2011)]. Moscow, Transinfo Publ., 2011, 216 p. (In Russian)
5. GOST 33211-2014. Vagony gruzovyye. Trebo-vaniya k prochnosti i dinamicheskim kachestvam [State Standard 33211-2014. Freight cars. Requirements for
strength and dynamic qualities]. Moscow, Standartin-form Publ., 2016, 56 p. (In Russian)
6. Tekhnicheskoye zadaniye na razrabotku sistemy tormoznoy dlya dvukhosnykh trekhelementnykh telezhek gruzovykh vagonov tip 4 GOST 9246-2013 [Terms of reference for the development of a brake system for two-axle three-element bogies of freight cars type 4 State Standard9246-2013]. Utv. A. M. Orlova [Approved by A. M. Orlova]. Saint Petersburg, PAO "NPK "OVK" [Public Joint-Stock Company "Research and Production Company "United Carriage Company"] Publ., 2016, 58 p. (In Russian)
7. Gudas M. V. Otchet oprovedenii rabotypo teme "Otsenka nagruzhennosti tormoznogo oborudovaniya v ekspluatatsii. Analiz rezultatov dannykh s Moskovskoy, Vostochno-Sibirskoy, Zapadno-Sibirskoy i Privolzhskoy zheleznykh dorogakh. Trebovaniya k resursnym ispy-taniyam perspektivnogo tormoznogo oborudovaniya " [Report on the work related to the topic of "Evaluation of loading of brake equipment in operation. Analysis of data results from the Moscow, East-Siberian, West-Siberian and Volga railways. Requirements for endurance testing of advanced brake equipment"]. Moscow, OAO "VNIIZHT" [OAO "Research Institute of Railway Transport"] Publ., 2017, 35 p. (In Russian)
8. Khusainov F. I. Ekonomicheskaya statistika zheleznodorozhnogo transporta [Economic statistics
of railway transport]. Moscow, Nauka Publ., 2016, 100 p. (In Russian)
9. Protokol rasshifrovki failov lokomotivnykh sistem bezopasnosti (KLUB, KPD) ekstrennykh tormozheniy gruzovykh poyezdov na seti dorog. Otchet o NIR (prome-zhutoch.) [Protocol for decrypting files of locomotive safety systems (CLUB, efficiency) of emergency braking of freight trains on a network of roads. Report on R & D (Intermediate)]. Approved by S. A. Sapozhnikov, head G. N. Goryunov. Moscow, OAO "VNIIZHT" [OAO "Research Institute of Railway Transport"] Publ., 2013, 15 p. (In Russian)
10. GOST 16350-80. Klimat SSSR. Rayonirovaniye i statisticheskiye parametry klimaticheskikh fakto-rov dlya tekhnicheskikh tseley [The climate of the USSR. Zoning and statistical parameters of climatic factors for technical purposes]. Moscow, Standards Publ., 1986, 142 p. (In Russian)
Received: January 31, 2019 Accepted: February 14, 2019
Author's information:
Igor V. NAZAROV - Deputy Head of Department, nazarov.igor@vniizht.ru
Evgeniy I. ARTAMONOV - Postgraduate Student, eartamonov@railtest.ru
Alexander L. KOVYAZIN - Head of Department, akovyazin@tt-center.ru
