Стратегические задачи вагоностроителей в развитии тяжеловесного движения Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Стратегические задачи вагоностроителей в развитии тяжеловесного движения

Ю. П. Бороненко,

доктор техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Вагоны и вагонное хозяйство» Петербургского государственного университета путей сообщения, заместитель председателя НТС НП «Объединение вагоностроителей»

Представители некоммерческого партнерства «Объединение вагоностроителей», логистических и лизинговых компаний, собственников и арендаторов вагонов, владельцев инфраструктуры, а также ученые и конструкторы, работающие в области создания нового подвижного состава, приняли участие в VIII международной научно-технической конференции «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты», прошедшей в ФБГОУ ВПО ПГУПС в июле 2013 г. В рамках конференции были рассмотрены и одобрены предложения по созданию нового облика грузовых вагонов с четкой дорожной картой выхода на технический уровень XXI века.

Привлекательность железнодорожного транспорта для грузоотправителей, рост объемов грузовых перевозок, увеличение производства вагонов - взаимосвязанные факторы. В современных условиях способность грузовых вагонов интегрироваться в систему логистики, обеспечить минимальные финансовые и энергетические затраты на транспортировку грузов имеют важнейшее значение для экономики.

Предварительным условием успешности создания новых вагонов должна стать взаимоувязка всех решений на стадии обоснования и разработки конструкции. В вагоностроении имеется масса инновационных идей и предложений по созданию новых вагонов и их узлов, но с ними связано большое количество рисков из-за растянутости во времени процесса проектирования, испытаний, сертификации и подконтрольной эксплуатации, а также неустойчивого финансирования НИОКР.

Новым вагоном, который устраивает всех участников процесса, может стать только вагон с существенно увеличенной производительностью, который позволит:

• ОАО «РЖД» - сократить расходы на тягу и содержание инфраструктуры;

• вагоностроителям - получить заказ на замену всего парка вагонов, а не на замену исключенных;

• собственнику вагонов - обновлять свой парк приобретением вагонов, а не продлевать назначенный срок службы имеющемуся;

• оператору - сократить расходы на эксплуатацию и порожний пробег;

• грузоотправителям - снизить расходы на отправку грузов.

Созданные в последние годы вагоны нового поколения не позволяют далеко продвинуться в этом направлении. Максимальная грузоподъемность увеличена на 5-6 т, а объем кузова - на 1-2 м3. По мнению операторов, этого недостаточно. По данным рейтинга операторских компаний, средний доход на тонну перевозимого груза составил 500 руб. Это дает прибавку только 2 500 руб. за рейс, и срок окупаемости новых вагонов даже при рентабельности 20 % превышает 10 лет.

Как же добиться существенного повышения производительности вагонов с точки зрения всех участников перевозочного процесса и какие задачи должны решить вагоностроители при создании инновационных вагонов?

Ответ на этот вопрос излагается в данной статье на основе многолетних исследований и разработок новых вагонов, выполненных в ФГБОУ ВПО ПГУПС и ОАО «НВЦ „Вагоны"» и обсуждений на конференциях «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты».

Увеличение грузоподъемности за счет увеличения допустимых нагрузок от колес на рельсы

Производительность вагона напрямую связана с грузоподъемностью, которая зависит, в первую очередь, от допустимой осевой нагрузки, поэтому выбор максимально допустимой осевой

0,7

О

5 0,6

с; га

О.

01 со

<и

0,5

ас 0,4

11 -е-га

"§"5- о,з о ч:

ас

л

г

си га ас

О

0,2

0,1

-база тележки 1,85 м

база база тележки тележки !,0 м :Д5 м

22 23 24 25 26 27

Нагрузка на ось, тс

28

29

30

Рис. 1. Допустимый коэффициент вертикальной динамики обрессоренных частей вагонов по условиям непревышения динамической погонной нагрузки в зависимости от нагрузки на ось и базы тележки

нагрузки - важнейший фактор, определяющий технико-экономические характеристики проектируемых вагонов.

Вопрос о ее величине дискутируется многие десятилетия. Известен положительный зарубежный опыт тяжеловесного движения с вагонами, имеющими осевые нагрузки, превышающие 35 т. Многие ученые и специалисты в России считают, что повышение осевых нагрузок свыше 25 т вызовет существенное увеличение расходов на содержание пути.

Нормы допустимого воздействия на путь (ГОСТ Р 55050-2013) напрямую не устанавливают ограничений на нагрузку от колес на рельсы, но определяют максимальную динамическую погонную нагрузку от группы осей одной тележки [1]:

для непревышения динамической погонной нагрузки есть две возможности: улучшение ходовых качеств, т. е. уменьшение коэффициента динамики Кдо, и увеличение базы тележки I.

Из этого условия вытекает требование к коэффициенту динамики вагонов с увеличенными осевыми нагрузками:

(2)

(3)

= йР0(1 + ^до)<г 1 1 + 2,2 '

(1)

где п — число осей в группе;

Р0 — вертикальная статическая нагрузка колесной

пары на рельсы;

Кдо — коэффициент динамики, равный отношению динамической составляющей от колебаний подпрыгивания и галопирования к ее статической составляющей (определяется по экспериментальным данным с достоверной вероятностью 0,994; I — база тележки;

[•§д1ш] = 168 кН/м (17,1 тс/м) - допустимая динамическая нагрузка на путь.

Из неравенства (1) следует вывод, что при увеличении осевой нагрузки

вагонов [2], связывающие коэффициент вертикальной динамики и статический прогиб подвешивания ( .

Кдв=^ 1-Ы

1

где

Кдв=а + Ъ,6Л0~чв

_4 у-15

/ст

(4)

(5)

„ + 2,2) .

Кдо -----^

пР0

или требование к базе тележки пР0{1 + Кдо)

* - Г 1

\3дин\

На основе этих неравенств можно сформулировать требования к ходовым частям вагонов с увеличенными осевыми нагрузками, определив требуемые жесткости рессорного подвешивания и величину базы тележки.

На рис. 1 приведен график зависимости допустимого коэффициента динамики от осевой нагрузки и базы тележки.

ГОСТ Р 55050-2013 не предусматривает теоретического определения коэффициента динамики Кдо, предлагая его экспериментальное определение с вероятностью непревышения 0,994. На стадии проектирования новых вагонов для определения требований к рессорному подвешиванию тележек с увеличенной осевой нагрузкой было предложено использовать эмпирические формулы для коэффициента вертикальной динамики из норм для расчета и проектирования

Кдв — среднее вероятное значение коэффициента вертикальной динамики; в — параметр распределения, зависящий от условий эксплуатации (для грузовых вагонов в существующих условиях принимается 1,13); а — коэффициент, равный для обрессоренных частей кузова -0,05; V — расчетная скорость, м/с; /с, — эквивалентный статический прогиб рессорного подвешивания;

Ркд — вероятность непревышения допустимого значения.

Данная формула определяет полную динамическую нагруженность от всех видов колебаний кузова вагона, включая боковые, поэтому можно считать с некоторым запасом, что коэффициент вертикальной динамики больше или приблизительно равен коэффициенту динамики Кдо.

В дальнейшем на основе выражений (4) и (5) были произведены расчеты допустимых скоростей движения и требуемого статического прогиба для различных осевых нагрузок с вероятностью непревышения допустимых значений Рв = 0,994 (рис. 2-4).

Анализируя эти графики, можно сделать вывод, что для тележек со статическим прогибом ~60 мм и базой 1 850 мм допустима максимальная осевая нагрузка 27 т при скорости движения 90 км/ч (табл. 1). Для увеличения осевых нагрузок свыше 27 т необходима разработка новой тележки с увеличенным статическим прогибом или базой, обеспечивающей снижение динамической погонной нагрузки.

Правильность проведенной оценки пределов повышения осевых нагрузок подтверждают результаты работы ОАО «ВНИИЖТ» [3], в которой была определена длительная усталостная прочность пути при эксплуатации полувагонов на обычных тележках с осевыми нагрузками от 20 до 30 тс и показано превышение допустимых напряжений в основной площадке земляного полотна при осевой нагрузке 30 тс уже при скорости 60 км/ч.

0,2

0,1

— скорость 70 км/ч

скор ость 100 км/ ость 110 км/

— скор

скорость 120 км/ч

0,0

22 23 24 25 26 27 28 29 30 31

Осевая нагрузка (Р0), тс

Рис 2. Необходимый статический прогиб рессорного подвешивания грузового вагона в зависимости от осевой нагрузки при различных скоростях движения (вероятность непревышения 0,994; база тележки 1,85 м)

27 28 29

Осевая нагрузка (Р0), тс

Рис. 3. Необходимый статический прогиб рессорного подвешивания грузового вагона в зависимости от осевой нагрузки при различных скоростях движения (вероятность непревышения 0,994; база тележки 2 м)

Таким образом, первую стратегическую задачу вагоностроителей можно определить как разработку «друже-

ственных к пути» тележек с улучшенными динамическими качествами, обеспечивающих возможность экс-

плуатации вагонов увеличенной грузоподъемности на существующей инфраструктуре.

Увеличение

погонной нагрузки новых вагонов

Эффективность железнодорожного транспорта во многом определяется погонной нагрузкой вагона нетто, т. е. массой перевозимого груза, отнесенной к длине вагона по осям сцепления автосцепок, определяющей массу поезда нетто, размещаемую на станционных путях. Формирование поездов повышенного веса, превышающих длину приемо-отправочных путей, существенно снижает пропускную способность и вызывает дополнительные расходы на их обслуживание и формирование.

В настоящее время сеть железных дорог в основном рассчитана на погонную нагрузку 10,5 тс/м, однако существующие вагоны имеют нагрузку менее 8 тс/м, а в среднем погонная нагрузка не превышает 5-7 тс/м [4]. Увеличение погонной нагрузки до допустимой позволит увеличить массу поезда длиной в 71 условный вагон почти до 10 тыс. т. Причина неиспользования погонной нагрузки заключается в недостатке ширины и высоты габарита.

Путь повышения погонной нагрузки был намечен в Стратегии развития железнодорожного транспорта до 2030 г. в Российской Федерации, он заключался в переходе на габариты Тп и Тц [5]. Переход на массовое использование вагонов увеличенной ширины и высоты должен был обеспечить новый ГОСТ по габаритам.

Однако в первоначальной версии редакции нового ГОСТ 9238-13 «Габариты железнодорожного подвижного состава и приближения строений» в качестве первоочередных направлений для ввода в эксплуатацию полувагонов габарита Тп намечено только ограниченное число участков [6]. Намеченные

Таблица 1. Пределы повышения осевых нагрузок по условиям допустимой динамической погонной нагрузки

Статический прогиб Допустимая скорость, Допустимая нагрузка от оси на рельс, тс, при базе тележки

подвешивания, мм км/ч 1,85 м 2,0 м 2,15 м

60,0 90 27 28 29

80 28 29 30

70 29 30 30

90,0 90 28 29 30

80 29 30 30

70 30 30 30

г

3

26 27 28

Осевая нагрузка (Рп), и:

Рис. 4. Необходимый статический прогиб рессорного подвешивания грузового вагона в зависимости от осевой нагрузки при различных скоростях движения (вероятность непревышения 0,994; база тележки 2,15 м)

Рис. 5. Ограничения применения габарита Т на сети железных дорог России

участки не были увязаны с маршрутами перевозок экспортных грузов, не имели выходов к портам. В этих условиях рассчитывать на массовый выпуск вагонов в габарите Тп не приходилось. Вагоностроители практически не вели собственных разработок вагонов в габарите Тп , не видя рынка сбыта таких вагонов.

В 2013 г. ОАО «РЖД» проанализировало результаты ранее проведенных обследований габаритов приближения строений и готовности железных дорог к пропуску подвижного состава габарита Тп и пришло к выводу, что сооружения и устройства сети обеспечивает пропуск вагонов габарита Т за

исключением всего нескольких участков: Тисин - Сон Красноярской железной дороги; Суховская - Иркутск Сортировочный и Иркутск Сортировочный - Гончарово Восточно-Сибирской железной дороги и трех тоннелей: Тишинского, Облученского и Горноалтайского (рис. 5). Фактически полигон эксплуатации вагонов габарита Тп на Транссибе ограничен только Облучен-ским тоннелем и для вагонов габарита Тпр практически открыта вся инфраструктура ОАО «РЖД». К сожалению, отсутствуют данные обследований сети железных дорог СНГ и путей необщего пользования, но в целом можно сделать вывод о целесообразности

начала массового производства и эксплуатации вагонов габарита Тп .

Новый габарит Тп позволяет увеличить ширину вагона в прямоугольной части верхнего очертания габарита на 4,7 % и высоту на 18 % (рис. 6). Однако техническая реализация этих преимуществ встречает ряд трудностей.

Ширина габарита Тпр по ГОСТ 9238-13 в отличие от габарита Т по ГОСТ 9238-83

пр

увеличена только на высоте более 1270 мм. Это не позволяет использовать стандартные технические решения полувагонов, имеющих прямые вертикальные стенки. Увеличение высоты полувагонов связано с необходимостью модернизации или замены вагоно-опрокидывателей. Фактически высота верхней обвязки полувагона согласно приложению «В» в требованиях к ваго-ноопрокидывателям ограничена величиной 4350 мм, что увеличивает высоту прямоугольной части вагона только на 13 %. Общее увеличение площади сечения кузова не превысит 15 %. Это обеспечивает увеличение объема под расчетную грузоподъемность вагона при сохранении стандартной длины, при переходе на осевую нагрузку 27 т, но недостаточно для больших осевых нагрузок.

В новом габарите Тпр на кафедре «Вагоны и вагонное хозяйство» ПГУПС совместно с ОАО «Рузхиммаш» в рамках работ по созданию инновационных вагонов спроектирован новый полувагон модели 12-9893, объемом 99 м3

Рис. 6. Расчетные проектные очертания при вписывании в габарит 1Т и Тпр для наружного сечения полувагона

Рис. 7. Полувагон увеличенной грузоподъемности

(рис. 7) [7]. Погонную нагрузку удалось повысить до 7,76 тс/м. Это больше, чем у других полувагонов России и США.

Другим важным направлением увеличения погонных нагрузок должно стать сокращение межвагонных промежутков. Для этого эффективно применение многоосных вагонов. Преимущества использования шестиосных сочлененных вагонов подробно рассмотрена в работе [8]. В ней показано, что применение сочлененных вагонов эффективно только для перевозки легковесных грузов. В тяжеловесном движении потребуются увеличение длины консольной части вагонов до 1/3 базы вагона и, как следствие, уменьшение его ширины.

Традиционно считается, что существенный вклад в увеличение погонной нагрузки могут дать восьмиосные цистерны и полувагоны. В то же время опыт эксплуатации показал ряд их существенных недостатков, главным из которых является наличие соединительной балки, заметно увеличивающей массу тары вагона и снижающей погонную нагрузку нетто.

Учеными ПГУПС была предложена новая концепция восьмиосной цистерны, состоящей из двух котлов с рамами, шарнирно соединенных между собой беззазорным устройством, что позволило повысить погонную нагрузку до 8,3 тс/м (рис. 8) [9]. Испытания данной конструкции пока не завершены, но полученные результаты показывают перспективность данного направления, так как она не требует серьезной модернизации сливо-наливных эстакад.

Таким образом, можно констатировать, что второй стратегической задачей вагоностроителей должна стать разработка новых вагонов, использую-

Отличия:

г yumiWMj ГрукКНДЬсмкдсть до (76) Г (ipnottibH нагрузка 27 (25) т (4-20ОД);

f снижена маша тары вагона до 24 т;

* увсгичги ;íkm куиел до 99 м"1

г лрмшлвпй нй*ай теленка с дипуетнц.й itíípy пай от «и 25 (27) Г/ОЙ;

* УВСЛНЧГН МОЦСМОНТНЫИ ПРР&ГГ ДО 5Í& тыс. км;

Г приншн ндфый габарит Tw

Превосходит по технихо-акономнчкким ирлктерншмм вагоны стран СНГ иолом 1520 мм, Еврогы, Китая. Уступает Только гсолуслгоном США с н,1 грелкой ил ось II—35 te

щих преимущества габаритов Тп и Тц с увеличением погонной нагрузки до 8-10,5 тс/м. В сочетании с увеличением грузоподъемности это позволяет обеспечить потребности в увеличении пропускной способности на 20-30 %.

Снижение тары вагонов

Снижение тары вагона ставится в качестве важной задачи в Белой книге ОАО «РЖД» [10]. Меньшая тара позволяет повысить грузоподъемность, сократить расходы на закупку материалов, снизить стоимость вагона, сократить расходы на тягу и увеличить погонную нагрузку нетто. Однако успехи в этом направлении минимальны. В табл. 2 приведено сравнение показателей российских и американских полувагонов по коэффициенту тары. В чем причина существенного отставания российских вагонов по этому показателю?

Одна из причин - экономическая. Тарифы на российских железных дорогах рассчитываются за тонну перевезен-

ного груза либо за вагон или контейнер. Вес тары вагона не учитывается, несмотря на затраты энергии на транспортировку, поэтому призыв снизить массу тары на 25 % [5, 10] остается без ответа: он не подкреплен экономической выгодой.

Техническая причина связана с применением при производстве вагонов стандартного сортамента металлов и традиционных марок сталей, разработанных еще в СССР. Серийно применяемые и перспективные отечественные стали повышенной прочности (09Г2С, 10ХНДП, 10Г2ФБ, 16Г2АФ, 18Г2АФ) для изготовления рам и кузовов грузовых вагонов сейчас значительно уступают по механическим свойствам зарубежным аналогам (сталь SNY70 - Япония, сталь А514^ - США) аналогичного класса.

При схожих химическом составе, коррозионностойкости, пластичности, уровне свариваемости у высокопрочных отечественных сталей механические свойства ниже на 40-50 % (предел прочности и текучести), выше порог хладноломкости (температуры, при которой происходит хрупкое разрушение стали), ниже сопротивление усталостному разрушению и старению (межкри-сталлитному растрескиванию с течением времени).

Переход на новые материалы для отдельного вагона связан с большими инвестициями и длительным циклом испытаний, так что сроки создания нового вагона выходят за разумные пределы.

В результате получается: нет новых вагонов с меньшей тарой, так как нет новых материалов для их изготовления, и нет новых материалов высокой проч-

Рис. 8. Вагон-цистерна для бензина объемом 192 м3

Таблица 2. Сравнение лучших российских и американских полувагонов

Параметр Модель полувагона, производитель

12-132 УВЗ 12-196-01 УВЗ 12-9853 ТВСЗ 12-9869 ТВСЗ BethGon® II Freight Car America

Грузоподъемность, т 69,5 75 75 77 110,8

Тара, т 24 24,3 25 23 18,9

Коэффициент тары 0,345 0,324 0,333 0,298 0,17

Объем кузова, м3 88 88 88 92 -

Год начала постройки 1992 2008 2010 2012 2007

ности, так как нет заказа на их поставки. Выход из этого замкнутого круга, на наш взгляд, должен найти Минпромторг при корректировке Подпрограммы 6 «Транспортное машиностроение» Государственной программы Российской Федерации «Развитие промышленности и повышение ее конкурентоспособности» на период до 2020 г.

Вагоностроителям необходимы новые марки сталей и алюминиевых сплавов, новый сортамент и новые технологии упрочнения сварных соединений, так как у большинства предлагаемых российской металлургией высокопрочных сталей предел выносливости сварного соединения не выше, а зачастую даже ниже, чем у обычно применяемых марок сталей. Новые стали должны иметь:

• предел текучести 680-720 МПа, предел прочности 890-1000 МПа, относительное удлинение 18-24 %, предел выносливости на уровне 0,6 от предела прочности - не менее, чем стали SNY70 (Япония) и стали Л514/Р (США), для снижения массы тары вагонов;

• гарантированную свариваемость и повышенный предел выносливости сварных соединений;

• умеренную стоимость по сравнению с уже используемыми в кузовах вагонов сталями.

Поэтому третьей стратегической задачей вагоностроителей должна стать работа с металлургической промышленностью для создания нового сортамента высокопрочных сталей и алюминиевых сплавов.

Дорожная карта создания новых вагонов для тяжеловесного движения

Железнодорожный транспорт представляет собой взаимоувязанную сложную техническую систему. Изменение одного из показателей ведет к целому комплексу изменений во всей системе.

В первую очередь это относится к ходовым частям, тормозам и автосцепному устройству.

Уменьшение жесткости подвешивания для снижения динамических нагрузок требует увеличения допустимой разности высот порожнего и груженого вагонов; уменьшение массы тары вагона - переработки тормозной системы для предотвращения юза; увеличение ширины и высоты вагонов - модернизации вагоноопрокидыва-телей и других погрузо-выгрузочных устройств.

Основываясь на проведенном анализе, можно предложить такую последовательность создания вагонов для тяжеловесного движения:

• введение новой автосцепки, допускающей разность высот вагонов 140 мм;

• создание тележек с осевой нагрузкой 27-30 тс с увеличенным прогибом рессорного подвешивания и уменьшенным динамическим воздействием на путь;

• создание новых тормозных систем, обеспечивающих торможение без юза большегрузных вагонов с малой тарой;

• разработка конструкций вагонов со сниженной массой тары за счет применения нового сортамента высокопрочных сталей и алюминиевых сплавов для транспортного машиностроения;

• массовое производство грузовых вагонов в габаритах Т и Тс осевыми

^ пр ц

нагрузками 27-30 тс для обновления парка вагонов колеи 1520 мм.

Эти этапы должны найти свое отражение в разрабатываемой программе развития тяжеловесного движения в России.

Работа выполнена при поддержке Минобразования Российской Федерации в рамках договора № 13.G25.31.0032 «Разработка и создание высокотехнологичного производства инновационного грузового подвижного состава железных дорог». □

Литература

1. ГОСТ Р 5 5050-2013. Железнодорожный подвижной состав. Нормы допустимого воздействия на путь и методы испытаний.

2. Нормы для расчета и проектирования новых и модернизируемых вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). М.: ГосНИИВ-ВНИ-ИЖТ, 1996.

3. Певзнер В. О., Белоцветова О. Ю., Петропавловская И. Б., Третьяков И. В. Инфраструктура в условиях повышения осевых нагрузок вагонов // Тезисы докл. VIII междунар. науч.-технич. конф. «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты». СПб., 2013. С. 58-64.

4. Соколов А. М. Тяжеловесное движение на Российских железных дорогах: Доклад на Объединенном ученом совете ОАО «РЖД». М., 2013.

5. Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 г. М., 2008.

6. Проект ГОСТ 9238. Габариты железнодорожного подвижного состава и приближения строений. Минск, 2013 (ред. 07.2013).

7. Бороненко Ю. П., Пешков А. В., Ре-шетов В. А., Лопарев Е. Л., Тохчуко-ва М. Р., Маненков А. В., Мишин В. М., Набиуллин М. И. Пат. № 110044 от 16.06.2011 г. на полезную модель «Полувагон глуходонный».

8. Бороненко Ю. П., Белгородцева Т. М., Кукушина Н. А. Выбор конструктивных решений сочлененных грузовых вагонов для колеи 15 20 мм // Транспорт РФ. 2013. №3 (46). С. 3-10.

9. Бороненко Ю. П., Цыганская Л. В., Липецкий Д. В., Собержанский Н. А., Маненков А. В., Мишин В. М., Набиуллин М. И. Пат. № 111500 от 20.12.2011 г. на полезную модель «Вагон-цистерна с двумя котлами».

10. Стратегия инновационного развития ОАО «Российские железные дороги» на период до 2015 года. Белая книга ОАО «РЖД». М., 2010.