Тележки
Разработка моторной тележки для компании Rhätische Bahn Компания Rhätische Bahn (RhB) имеет важную для транспортных сообщений в Альпах железнодорожную сеть с кривыми предельно малого радиуса и крутыми уклонами, для преодоления которых требуется хорошее сцепление. В связи с этим эксплуатирующиеся здесь локомотивы должны иметь особо прочные и мощные тележки. Компания RhB заказала предприятию Schalker Eisenhütte Maschinenfabrik (г. Гельзенкирхен) четыре тепловоза с электрической передачей и осевой формулой 20 – 20. Они имеют номинальную мощность 1800 кВт при массе 64 т. Большая мощность и малая масса локомотива требуют компактной и облегченной конструкции (рис. 1). Кроме тягового дизель-генератора, на этих локомотивах установлен еще вспомогательный дизельный агрегат. Приобретенные тепловозы, получившие обозначение Gmf 4/4, эксплуатируются инфраструктурным подразделением компании RhB в основном для вождения тяжелых строительно-монтажных и специализированных поездов, а также для оказания помощи аварийным поездам. Кроме того, новые тепловозы используются для снегоочистительных работ с плужными снегоочистителями при высокой скорости движения и шнекороторными при низкой скорости. Они предназначены для надежной работы в экстремальных климатических условиях в диапазоне температур от –35 до +40 °C. Железнодорожная сеть RhB колеи 1000 мм имеет в кантоне Граубюнден общую протяженность
384 км и состоит из двух участков, которые электрифицированы на разных системах тока. На этих горных участках, многие зоны которых охраняются ЮНЕСКО как природные памятники, осуществляются как пассажирские, так и грузовые перевозки. При этом RhB не является зубчатой железной дорогой, а располагает сетью с обычным верхним строением пути. Новые локомотивы используются во всей сети RhB, на которой
имеются кривые радиусом 40 м и менее, а крутизна уклонов достигает 70 ‰ (рис. 2). Из-за большого количества искусственных сооружений допустимая осевая нагрузка ограничена величиной 16 т, поэтому и масса локомотива при мощности 1800 кВт не превышает 64 т. Тепловоз рассчитан на эксплуатацию в экстремальных климатических условиях с температурой воздуха от –35 до +40 °С. При этом в диапазоне низких температур предусмотрен обогрев особо критических компонентов. На подъемах 70 ‰ локомотив способен в режиме двойной тяги вести поезд массой 140 т, а на подъеме 25 ‰ в том же режиме — 420 т.
Высокие требования к конструкции тележек Из-за тяжелых условий эксплуатации тепловозов большое значение придается тележкам, и поэтому предприятие Schalke поручило разработку концепции тележки и ее дальнейшую интеграцию на подвижном составе компании PROSE (г. Винтертур, Швейцария). Наряду с управлением проектом и инженерным конструированием
Рис. 1. Тепловоз Gmf 4/4 компании RhB в депо Ландкварт
ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2014, № 11 61
Тележки
Рис. 2. На одной из линий RhB (фото: SBB)
тележки компания PROSE также выполнила компьютерное проектирование и моделирование процесса ходовых испытаний, а также прочностные и тепловые расчеты. Кроме того, после деталировочного конструирования PROSE изготовила полный комплект рабочих чертежей. Разработка спецификаций для линейных испытаний и измерений в рамках допуска была поручена сертифицированному испытательному подразделению компании. Технические требования. Одной из наиболее сложных задач было получение мощности 1800 кВт при ограничении массы локомотива до 64 т. В связи с этим требовалось максимальное снижение массы узлов тележки при использовании надежных традиционных материалов. С учетом небольшой величины заказанной партии изделий (четыре
локомотива) важную роль играла также возможность применения уже имеющихся на рынке узлов. Так, для системы тягового привода уже в начале проекта были определены соответствующие узлы, которые в свое время спроектировала компания Siemens для локомотива Asiarunner, заказанного Вьетнамом. Высокие требования к тележке предъявлялись также из‑за кривых малого радиуса, особенно сложных на линии Berninastrecke с уклонами 70 ‰, и в связи с необходимостью круглогодичной эксплуатации тепловозов, в том числе при низких температурах до –35 °С, снегопадах и обледенении. В связи с этим требовалось, чтобы тележки обеспечивали хорошие ходовые качества и надежность в отношении схода с рельсов в зимних условиях. Эксплуатация в этот сезон влияет также на выбор материалов, поэтому были выбраны
марки стали с высокой пластичностью при низких температурах. Регламентирующие положения. Подвижной состав сети RhB не подлежит сертификации, например, в рамках технической спецификации по совместимости систем (TSI). Он получает допуск к эксплуатации от Федерального транспортного бюро (BAV) в Берне. Этот допуск выдается в соответствии с предписаниями и положениями о применении законодательных требований, действующими на железнодорожном транспорте Швейцарии. В этих регламентирующих материалах определяются, например, предельные допуски для узкой (1000 мм) колеи или необходимость применения магнитно-рельсового тормоза при движении на уклонах 70 ‰. Все прочие аспекты, не регламентируемые законодательными актами или предписаниями, дей-
62 ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2014, № 11
Тележки
ствующими на железной дороге, такие, например, как большая часть расчетных нагрузок, определяются при проектировании конкретного подвижного состава и предъявляются ведомству, выдающему допуск. Расчет параметров тележки (рис. 3) выполнялся в основном на базе европейских норм EN с учетом особенностей сети RhB.
Технические характеристики и особенности новой тележки В таблице приведены основные технические характеристики тележки. Моторные тележки выполнены взаимозаменяемыми в рамках заказанной партии локомотивов. Основными узлами двухосной моторной тележки являются: • колесные пары, оборудованные приводом с опорно-осевой подвеской, системой направления колесной пары в колее и первичным рессорным подвешиванием; • сварная рама; • н изкорасположенная штанга для передачи тяговых и тормозных усилий от тележки к кузову; • четыре компактных блока колодочного тормоза и магнитно-рельсовый тормоз. Изогнутая рама тележки (рис. 4) состоит из двух продольных балок коробчатого сечения и одной центральной поперечной. Она имеет Н-образное исполнение по DIN 15085, т. е. без концевых поперечных балок. На ось колесной пары насажено большое зубчатое колесо, редуктор с моторно-осевым подшипником опирается на ось. Колесная пара оснащена буксами с закрытыми коническими роликовыми подшипниками. Компания PROSE изготавливает корпуса буксовых подшипников сварными. Такое исполнение позволяет обтачивать колесные пары на станке без их выкатки. Первичное рессорное подвешивание с учетом требований по
Основные технические характеристики тележки тепловоза Gmf 4/4 287
Параметр
Значение
Ширина колеи, мм
1000
Расстояние между осями колесных пар, мм
2300
Диаметр колес (новых), мм
1070
Расстояние между шкворнями тележек, мм
9800
Масса, кг
12 100
надежности выполнено с лемнискатными поводками. Вопрос радиальной установки колесных пар сначала не стоял в центре внимания, однако требования надежности и безопасности движения, особенно
в условиях зимней эксплуатации, потребовали его решения. В связи с этим в первой ступени рессорного подвешивания был установлен комплект стальных пружин между корпусом каждой буксы и рамой
Рис. 3. Моторная тележка тепловоза Gmf 4/4 (источник: PROSE)
Рис. 4. Рама тележки и результаты конечно-элементного расчета напряженного состояния (источник: PROSE)
ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2014, № 11 63
Тележки
тележки, а также по два лемнискатных поводка. Вторичное рессорное подвешивание (рис. 5) состоит из четырех комплектов стальных пружин, упругих поперечных упоров с обеих сторон и амортизаторов. Винтовые рессоры имеют внутреннюю и внешнюю пружины. Для лучшего вписывания в кривые пружины вторичного рессорного подвешивания увеличенной высоты имеют сверху и снизу мягкие резиновые опорные элементы. За счет этого обеспечивается уменьшение сопротивления тележки развороту, что важно при прохождении кривых малого радиуса. Однако для скоростного движения по прямолинейным участкам при этом требуются устройства, гасящие качку и виляние. Кроме того, в раме установлен поперечный амортизатор и с обеих сторон локомотива вертикальные амортизаторы между кузовом и рамой тележки. Передача продольных усилий между кузовом локомотива и рамой тележки осуществляется с помощью штанги, концы которой снабжены резинометаллическими элементами. В качестве основного используется электрический тормоз. Кроме того, тележка оборудована
пневматическими колодочными тормозными механизмами, которые располагаются с внешней стороны тележки, и магнитно-рельсовым тормозом. Процесс разработки компанией PROSE. Компания PROSE создавала тележку начиная от разработки концепции и кончая изготовлением. При этом работы проводились в тесном сотрудничестве с компанией Schalke. Оба предприятия используют одну и ту же систему автоматизированного проектирования, что облегчало обмен данными. Тележка со всеми крепежными деталями была воспроизведена в виде 3D-модели. В нее были интегрированы все комплектующие узлы, поступающие от поставщиков. Кроме конструкционной модели, была также с помощью САПР построена кинематическая 3D-модель. Это позволило смоделировать все экстремальные перемещения тележки относительно кузова локомотива (раскачивание, упругие прогибы, виляние). Требуемые функциональные характеристики и мощность локомотива находились в противоречии с допустимой нагрузкой на ось, из‑за чего потребовалась последовательная оптимизация массы всех
Рис. 5. Вторичное рессорное подвешивание (источник: компания PROSE)
основных узлов. Однако требование по значительному снижению массы находится в противоречии с требованием упрощения конструкции, а также снижения стоимости изготовления. Приняв заданные значения массы колесной пары, редуктора и тормозной системы, разработчики снизили суммарную массу других элементов конструкции, составившую 30 % общей массы тележки. С учетом этих обстоятельств компания PROSE составила специ фикации на все покупные узлы и согласовала с потенциальными поставщиками все технические вопросы. Расчеты и моделирование. Весь процесс разработки моторных тележек компанией PROSE сопровождался моделирующими расчетами. Использовалась модель не только тележки, но и всей системы, включающей кузов локомотива с оборудованием, прицепленные вагоны с грузом. Модель движущегося локомотива с составом дополнялась нагрузкой от работающего снегоочистителя. Таким образом, компания PROSE является системным разработчиком, так как ведет расчеты не только тележки, но и локомотива в целом. С помощью моделирования уже на ранней стадии проектирования имеется возможность проверки реализуемости выбранной концепции. В ходе работы над проектом модель постоянно совершенствуется — например, в отношении распределения масс и жесткости кузова локомотива на скручивание. Для анализа рисков PROSE моделировала такие аварийные ситуации, как выход из строя гасителя колебаний или излом пружины рессорного подвешивания. В ходе реализации проекта были получены расчетные данные в отношении выполнения требований к таким ходовым характеристикам, как устойчивость к сходу с рельсов и стабильность хода. Кроме того, выполнены
64 ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2014, № 11
Тележки
расчеты величины сил, действующих в зоне контакта колесо — рельс. Выполнен также анализ боковой качки (коэффициент отклонений), собственных колебаний и плавности хода. Для воспроизведения условий, наиболее близких к реальным, при моделировании исходные данные по наиболее важным участкам брали из базы данных RhB. Кроме того, учитывались контуры и степень износа рельсов и дефекты в геометрии пути. Результаты моделирования использовали для контроля расчетных нагрузок, а также для проверки свободных перемещений всех узлов тележки. В этом случае расчеты на прочность потребовали заметно более высоких затрат, чем обычно. Расчетные нагрузки в соответствии с EN 13749 и с учетом специфических условий RhB сравнивали с результатами моделирования. Большое внимание уделялось наложению сил, вызываемых прохождением кривых с малыми радиусами и больших уклонов. С помощью метода конечных элементов для рамы тележки и корпуса буксового подшипника, а также для навесных узлов создавали комплексные модели на основе геометрических параметров, непосредственно импортируемых через интерфейс САПР. Анализ напряжений выполняли по инструкции DVS 1612 с помощью программного обеспечения PFat, разработанного компанией PROSE. Упоминавшаяся ранее оптимизация общей массы моторной тележки потребовала выполнения дополнительных расчетов, которые затем учитывались в конечноэлементной модели. Кроме того, компанией PROSE был произведен расчет предельной температуры колес, которая может возникать при торможении исключительно колодочным тормозом, при боксовании или многократном экстренном торможении.
Рис. 6. День открытых дверей в депо станции Ландкварт по случаю 125‑летнего юбилея RhB
Испытания и допуск к эксплуатации Для подвижного состава, который изготавливается небольшими партиями, не предусматриваются такие дорогостоящие и требующие много времени испытания, как, например, воздействие длительных колебательных нагрузок на раму тележки. Напротив, требуются подробные расчеты и моделирование для определения предела усталостной прочности и надежности. В связи с этим уже на ранней стадии проектирования проводились координационные совещания с участием Федерального транспортного бюро (BAV), компаний Schalke и PROSE. Таким образом, в процессе разработки учитывались все необходимые требования по расчетам и анализу. При этом полученные результаты передавались в распоряжение BAV для проведения проверок. Для обеспечения успешных ходовых испытаний локомотивов с предоставлением в распоряжение BAV всех требуемых им результатов измерений компании PROSE и Schalke совместно разработали спецификации таких испытаний и согласовали их с BAV.
До получения окончательного допуска тележки к эксплуатации компания PROSE должна провести все необходимые измерения на локомотиве и на пути. Они включают измерения в кабине уровня шума на стоянке и при движении локомотива, на холостом ходу, при трогании с места и прохождении встречного поезда. Кроме того, требованиями предусматривалось определение плавности хода путем измерения ускорений и анализ изменения теплового состояния колес при торможении колодочным тормозом. Локомотив с новыми тележками получил допуск BAV и готовится к вводу с эксплуатацию. Основным и наиболее важным испытанием для него будет очистка путей линии Bernina от снега зимой 2014/2015 г. Локомотив Gmf 4/4 28701 демонстрировался на юбилейном праздновании 125‑летия RhB, состоявшемся 10 мая 2014 г. на станции Ландкварт (рис. 6). G. Völkening. Eisenbahntechnische Rundschau, 2014, № 4, S. 40 – 44; материалы компаний PROSE (www.schienenfahrzeugtagung.at) и Schalke (www.schalker-eisenhuette.de).
ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2014, № 11 65