Колесные пары
Колесные пары для различных секторов рынка Совершенствование европейских стандартов способствовало реализации комплексного подхода к проектированию компонентов подвижного состава, в том числе колесных пар, от состояния которых зависит безопасность движения. Благодаря такому подходу европейские поставщики успешно экспортируют колесные пары, оси и колеса, предназначенные для железных дорог на различных континентах. Колесные пары для HEMU-430X В ночь на 31 марта 2013 г. в ходе испытаний на высокоскоростной магистрали Сеул — Пусан поезд HEMU-430X (рис. 1) установил национальный рекорд скорости
Республики Корея — 421,4 км/ч. Это событие стало важной вехой в создании высокоскоростных поездов нового поколения в стране. В разработке поезда принимали участие несколько компаний и организаций во главе с Научно-исследовательским институтом железно-
дорожного транспорта Республики Корея и компанией Hyundai Rotem. Максимальная конструкционная скорость поезда — 430 км/ч, предполагаемая скорость в регулярной эксплуатации — 350 – 370 км/ч. На поезде HEMU-430X применена распределенная тяга, при этом все вагоны снабжены моторными тележками. Суммарная мощность тяговых двигателей — 8,2 МВт. Поезд развивает довольно значительное ускорение, разгоняясь от 0 до 300 км/ч за 230 с. Для таких высокоскоростных поездов конструкция и технические характеристики колесных пар имеют принципиальное значение. Колесная пара служит связующим звеном между поездом и путем, на нее приходится значительная нагрузка, а комфорт и безопасность пассажиров зависят от параметров имеющего достаточно малую площадь контактного пятна между колесом и рельсом. Кроме того, колесная пара
Рис. 1. Высокоскоростной поезд HEMU-430X (фото: Korail)
34 ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2013, № 12
Колесные пары
2314 мм 1356 мм
780 мм 860 мм
135 мм
150 мм
207 мм
Рис. 2. Колесная пара немоторной оси поезда HEMU-430X с тремя тормозными дисками
базой для наиболее полной и проверенной методологии проектирования колесных пар. Для поезда HEMU-430X компанией Bonatrans были разработаны и изготовлены моторные и немоторные колесные пары. Немоторная колесная пара рассчитана на осевую нагрузку 14 т (рис. 2), моторная — 15 т (рис. 3). Колеса изготовлены из стали ER8 в соответствии со стандартом EN13262, определяющим механические свойства, химический состав и другие характеристики материала. Моторные и немоторные оси выполнены из стали EA4T в соответствии со стандартом EN13261. Колесные пары обоих типов соответствуют требованиям стандарта EN13260. Колесные пары с немоторными осями разработаны в соответствии
с европейским стандартом EN13103, с моторными — EN13104. Стандартом EN13104 определены только нагрузки при торможении, однако специалисты Bonatrans применяли стандарты EN и при проведении прочностных расчетов моторных осей в следующих случаях: • трогание с места (нагрузка на колесную пару при максимальном пусковом моменте, соответствующем ограничению по сцеплению); • крутящий момент при токе короткого замыкания (нагрузка на колесную пару при предельном крутящем моменте, соответствующем току короткого замыкания); • длительный пуск (нагрузка на колесную пару при критической скорости движения); • т орможение двигателем (нагрузка на колесную пару при динамическом торможении).
2314 мм 135 мм
1356 мм
780 мм 860 мм
должна в течение длительного периода выдерживать существенные статические и динамические нагрузки, в том числе вызванные рассеиванием тепловой энергии при торможении. Случаи выхода из строя осей или колес довольно редки, однако их последствия могут быть очень серьезными, о чем свидетельствуют крушение высокоскоростного поезда ICE1 близ Эшеде (Германия) в 1998 г. и сход с рельсов с последующим взрывом цистерн со сжиженным газом в Виареджо (Италия) в 2009 г. Поэтому надежности разрабатываемых колесных пар следует уделять повышенное внимание. Проектирование колесных пар регламентируется несколькими стандартами. Особое значение имеют требования к колесам, колесным парам и осям, закрепленные в нормах EN, которые действуют в странах ЕС и разработаны с участием как изготовителей, так и заказчиков. Нормы EN используются при разработке колесных пар, предназначенных для эксплуатации не только в Европе, но и во многих других регионах мира. Колесные пары поезда HEMU430X — один из примеров европейских разработок для других частей света. Компания Bonatrans (Чехия), один из крупнейших европейских изготовителей колесных пар, предлагает полный комплекс услуг по разработке и поставке колесных пар, колес и осей с учетом различных требований заказчиков. Компания обладает опытом производства колесных пар для эксплуатации более чем в 80 странах. Зачастую приходится создавать новые изделия и оптимизировать их конструкцию для рынков, где технические требования сформулированы недостаточно четко, а иногда и вовсе отсутствуют. В таких случаях обычно принимают европейские нормы, поскольку опыт показывает, что их использование служит
150 мм
205 мм
Рис. 3. Колесная пара моторной оси поезда HEMU-430X
ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2013, № 12 35
Колесные пары
2276 мм 1360 мм
160 мм
244 мм
1156 мм 1250 мм
135 мм
моторных тележек выполнены из стали EA4T (рис. 5). Перечисленные примеры относятся к колесным парам, изготовленным компанией Bonatrans по европейским стандартам, но не предназначенным для европейского рынка. Bonatrans поставляла также колесные пары для вагонов метро Дели и Алматы, в Китай (в том числе на Тайвань), на Филиппины, в Малайзию, Австралию, Новую Зеландию и другие страны.
Европейский и американский подходы Рис. 4. Колесная пара электровоза серии E6800
Колесные пары обоих типов сертифицируются в соответствии с требованиями стандарта EN13979-1.
Колесные пары локомотивов и поездов метро Европейские стандарты применяются и при проектировании колесных пар для локомотивов и подвижного состава городского рельсового транспорта. Один из примеров — грузовой электровоз E6800. Hyundai Rotem построит 80 таких локомотивов, оснащаемых электрооборудованием компании Škoda (Чехия), для государственных железных дорог Турции.
Номинальная мощность четырехосного электровоза — 5 МВт, максимальная скорость — 140 км/ч. Оси изготовлены из стали EA4T, колеса диаметром 1250 мм — из стали ER9 (рис. 4). Максимальная осевая нагрузка — 22 т. Для линии 4 метро Сан-Паулу (Бразилия) компания Hyundai Rotem строит электропоезда колеи 1600 мм с колесными парами, соответствующими европейским стандартам. Четырехвагонные поезда оборудованы для работы без машинистов. Максимальная скорость поезда составит 100 км/ч. Осевая нагрузка для моторных тележек — 17 т. Оси колесных пар
2280 мм
780 мм 860 мм
1360 мм
130 мм
200 мм
173 мм
Рис. 5. Колесная пара с редуктором моторного вагона поезда для линии 4 метро Сан-Паулу
Первые стандарты, касавшиеся железнодорожного подвижного состава и колесных пар, появились, когда Европа и Северная Америка были ведущими центрами мировой торговли. На каждом из континентов применялся и постоянно совершенствовался собственный подход к проектированию подвижного состава и колесных пар. В Европе железные дороги появились, когда континент был уже довольно плотно заселен. Магистральные линии строились между существовавшими городами. Принятые в Европе методы проектирования колесных пар сформировались под влиянием следующих факторов: • железные дороги в значительной мере ориентированы на пассажирские перевозки, где требуются не только высокая скорость, но и значительные ускорения и замедления; • для движения пассажирских и грузовых поездов используются, как правило, одни и те же пути, поэтому скорость грузовых поездов должна быть достаточно высокой, чтобы не ограничивать пропускную способность линии; • в условиях высокой скорости движения и необходимости достаточного замедления при колодочном торможении материалы колесных пар должны выдерживать
36 ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2013, № 12
Колесные пары
повторяющиеся значительные тепловые нагрузки. В Северной Америке железнодорожный транспорт развивался в принципиально иных условиях. Там не было необходимости подстраивать трассы железных дорог под расположение населенных пунктов. Скорее наличие железных дорог определяло выбор места строительства новых городов. В ходе заселения западных регионов континента города нередко появлялись в крупных железнодорожных узлах. После Второй мировой войны пассажирские перевозки в Северной Америке были переориентированы преимущественно на автомобильный и воздушный транспорт, и в настоящее время железные дороги там используются главным образом для грузовых перевозок. На принятые в Северной Америке методы проектирования подвижного состава железных дорог и в частности колесных пар повлияли следующие факторы: • скорость движения ниже, чем в Европе; • осевая нагрузка грузовых вагонов существенно выше, достигая 32,5 т, а в некоторых случаях и больше; • при относительно невысокой скорости значения ускорений и замедлений также невелики, в связи с чем меньше и требуемые тормозные
усилия (так, наибольшая тепловая нагрузка для колес при торможении в соответствии с утвержденным Ассоциацией американских железных дорог стандартом S-660 значительно ниже минимальной тепловой нагрузки, регламентируемой европейским стандартом EN13979-1).
Выбор материалов Как в Северной Америке, так и в Европе стандартами определены четыре основных типа материалов для цельнокатаных колес. В Северной Америке содержание углерода в материале колеса находится в пределах от 0,47 (класс L) до 0,77 % (классы С и D), в Европе — от 0,48 (марка ER6) до 0,6 % (марка ER9). Таким образом, используемые в Северной Америке материалы отличаются в среднем более высоким содержанием углерода и, следовательно, обладают бо́льшими прочностью и твердостью, но меньшей ударной вязкостью и трещиностойкостью. С выходом на новые рынки возникла проблема выбора между европейскими и американскими стандартами на колесные пары и другие компоненты подвижного состава. Европейский опыт нашел отражение в стандартах, и это позволяет гарантировать, что применяемые при производстве колесных пар материалы и изделия соответствуют
Рис. 6. Испытания колесных пар на усталость (фото: Bonatrans)
точно определенным критериям безопасности. Разработка колесных пар и их компонентов не ограничивается расчетами. Не менее важную роль играют испытания, в ходе которых имитируются реальные условия нагрузки, особенно испытания на усталость. Европейские стандарты определяют весь спектр испытаний, которые проводятся для проверки технических решений, реализуемых в новых конструкциях, с использованием как масштабных моделей, так и полноразмерных образцов. В связи с этим компанией Bonatrans была создана испытательная лаборатория, которая получила международную аккредитацию и может выполнять все виды испытаний на усталость (рис. 6), необходимых для контроля и сертификации новых колесных пар, колес и осей. Лаборатория оснащена резонансными стендами, которые применяются при испытаниях на усталость колес и осей согласно европейским стандартам EN13261 и EN13262. Несмотря на то что европейские стандарты, относящиеся к колесным парам и их компонентам, охватывают достаточно широкий диапазон показателей, имеются еще не затронутые ими области, в частности, касающиеся характеристик малошумных колес с резиновыми сегментами для подвижного состава
Рис. 7. Контроль параметров малошумных колес (фото: Bonatrans)
ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2013, № 12 37
Колесные пары
городского рельсового транспорта. Bonatrans разработала методологию оценки нагрузок на такие колеса (рис. 7, 8). Предполагается, что разработка европейских стандартов для колес данного типа начнется в 2014 г.
Области применения стандартов Успешное распространение европейских стандартов на колесные пары, выпускаемые для других регионов мира, можно объяснить накопленным поставщиками значительным опытом, который позволяет им гарантировать своим заказчикам безотказную работу подвижного состава. Характер европейских стандартов соответствует местным условиям и традициям, согласно которым железные дороги играют важную роль прежде всего в пассажирских перевозках. Это отразилось на таких показателях, как скорость, осевая нагрузка и материал колес. Поэтому
Рис. 8. Исследование характеристик резиновых сегментов колес на установке компании Bonatrans (фото: Bonatrans)
европейские стандарты могут применяться прежде всего при создании продукции, предназначенной для эксплуатации в быстро развивающихся странах с высокой плотностью населения. Современные европейские стандарты обеспечивают максимальный охват всех аспектов проектирования и производства колесных пар. Поскольку некоторые из этих стандартов, например EN13103 и EN13104, регламентирующие расчеты немоторных и моторных осей,
не имеют американских аналогов, при создании колесных пар для заказчиков на Американском континенте разработчики руководствуются соответствующими европейскими нормами. Колесные пары, разработанные в соответствии с американскими стандартами и предназначенные для эксплуатации в третьих странах, используются преимущественно там, где имеют место значительная осевая нагрузка и относительно низкая скорость, например на линиях, служащих для перевозки сырья от мест добычи к портам. По приблизительным оценкам, в настоящее время среди всех колесных пар, колес и осей, разработанных и поставляемых Bonatrans для неевропейских и неамериканских рынков, более 80 % созданы по европейским стандартам и менее 20 % — по американским. P. Janoš, R. Zima. Railway Gazette International, 2013, № 9, p. 66 – 69; материалы компании Bonatrans (www.bonatrans.cz).
НОВОСТИ Поезда Alstom для Южной Африки Контрактом стоимостью 51 млрд рандов (4 млрд евро), который был заключен между государственной транспортной компанией PRASA и совместным предприятием Gibela, куда кроме Alstom вошли компании New Africa Rail и Ubumbano Rail, предусмотрена поставка 600 поездов, или 3600 вагонов, за период с 2015 по 2025 г. Доля Alstom в этом СП составляет 61 %, а компаний New Africa Rail и Ubumbano Rail соответственно 9 и 30 %. Предприятие будет выпускать поезда X’Trapolis Mega, представляющие собой узкоколейный вариант (1067 мм) поезда X’Trapolis. Первые 20 поездов будут полностью изготовлены в бразильском городе Лапа, а все последующие — на заводе предприятия Gibela, который будет
построен недалеко от Йоханнесбурга. Новый подвижной состав заменит устаревшие моторвагонные поезда, эксплуатирующиеся в Претории, Йоханнесбурге, Кейптауне и Дурбане. Моторные вагоны для экспресса RRX В середине октября 2013 г. транспортный союз Rhein-Ruhr (VRR) объявил тендер на изготовление и поставку вагонов для экспресса RRX. Речь идет о поставке 71 двухэтажного моторного вагона с электрическим приводом, включая резерв, используемый при выводе вагонов в ремонт. Это обеспечит высокую эксплуатационную готовность парка в течение 30 лет и более. Предусматривается поэтапная приемка вагонов в эксплуатацию, начиная с декабря 2018 г. VRR
предъявляет следующие требования: максимальная длина поезда 107 м (на линии RE 4 поезда должны иметь наименьшую длину); наличие приборов автосцепки; максимальная скорость не менее 160 км/ч, ускорение при разгоне не менее 1 м/с2; минимум 800 мест для сидения в каждом поезде и не менее 400 мест в одном вагоне (наименьшее число мест в поездах линии RE 4); все входные тамбуры в вагонах должны иметь уровень, одинаковый с высотой платформы, и ширину входных дверей, обеспечивающую «двухполосное» движение пассажиров на вход и выход при высоте платформы 760 мм; не менее двух туалетов в каждом вагоне, один из которых должен быть оборудован для пассажиров с ограниченной мобильностью, а также салон первого класса и многоцелевое отделение.
38 ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2013, № 12