18 сентября 2021 16:16

Безопасности движения – надежную вагонную тележку

Череда крушений грузовых поездов в начале этого года вызвала озабоченность специалистов-железнодорожников и привлекла повышенное общественное внимание. Наш корреспондент встретился с директором по научно-техническому развитию известной российской транспортной компании ООО «УК «РэйлТрансХолдинг» доктором технических наук, академиком Международной инженерной академии Анатолием Даниловичем Чепурным.

Анатолий Чепурной, директор по научно-техническому развитию ООО «УК «РэйлТрансХолдинг»
– Анатолий Данилович, как представитель компании, основным направлением деятельности которой являются железнодорожные грузоперевозки, как Вы расцениваете такие происшествия?
– Прежде всего мне хотелось бы отметить, что основным направлением деятельности нашей компании являются не только железнодорожные перевозки, но и развивающийся производственный сектор. На предпусковом периоде в настоящее время находится ООО «БрянскВагонМаш» (БВМ) в г. Новозыбкове, где в ближайшее время начнется выпуск полувагонов. Намечено до конца текущего года установить пресс усилием 3100 тс для штамповки днищ, провести монтаж имеющегося современного технологического оборудования (гибочные вальцы, прессы, стенды, станочное оборудование и др.) и приступить к постройке вагонов-цистерн. В плане новой техники компании расширение номенклатуры грузовых вагонов, таких как крытые вагоны, платформы, а также изделия европейского уровня, которые намечены к освоению после посещения руководством компании ряда передовых вагонных производителей дальнего зарубежья («Татравагонка», завод NIKKIOLEIDESSA в Греции и др.). Главным стратегическим направлением производственной деятельности компании все же является создание на одном из предприятий собственной тележки нового поколения.
Что касается вопроса крушений поездов по причине схода вагонов в основном из-за изломов боковых рам, ответ очевиден, и не только для любой компании-перевозчика, несущей прямые убытки от таких случаев. Даже если эти сходы напрямую не коснулись ее парка грузовых вагонов, то меры, принимаемые РЖД при отнесении вины за сход на конкретного производителя вагона (отстранение от движения вагонов определенного периода выпуска, необходимость проведения внеочередных ТО и др.), – это серьезные финансовые потери перевозчика.
Но проблема сходов касается не только перевозчиков – это повреждение путевой инфраструктуры и, самое главное, это опасность для жизни людей, в том числе пассажиров поездов, которые могут двигаться во время схода по соседним путям.

– Проблема изломов литых деталей вагонной тележки не нова, но актуальность ее постоянно растет. Если в 2004 и 2005 годах изломов боковых рам не было зафиксировано вообще, то начиная с 2006 года мы наблюдали уверенный рост таких случаев: в 2006-м – 7, 2007-м – 10, 2008-м – 8, в 2009-м – уже 12, в 2010-м – 21, в 2011-м – 24. Первый квартал 2012 года вообще побил все предыдущие «рекорды» – 14 случаев, приведших в ряду серьезных аварий, связанных со сходом вагонов. Как можно прокомментировать сложившуюся ситуацию?
– Приведенные статистические данные говорят сами за себя: ситуация достаточно серьезная. Анализ выявляет устойчивую тенденцию к росту количества изломов боковых рам. Еще более показательной является статистика выявления дефектов этих деталей на пунктах технического осмотра вагонов: в 2008 г. – 3,7 тыс. дефектов, в 2010 г. – 12,3 тыс., в 2011 г. – 7,8 тыс., то есть проблемы с крупным вагонным литьем имеют массовый характер. А ведь литые несущие элементы тележек грузовых вагонов – рамы боковые и балки надрессорные – являются особо ответственными деталями, которые в процессе эксплуатации воспринимают все основные нагрузки, возникающие при движении вагона. Способность длительное время противостоять воздействию всего спектра эксплуатационных нагрузок является основной характеристикой эксплуатационной надежности таких деталей, то есть напрямую влияет на безопасность движения.

– В текущем году «отличились» украинские производители вагонного литья: несколько крупных аварий по причине схода вагонов из-за излома боковых рам производства ОАО «Кременчугский сталелитейный завод» и ЗАО «АзовЭлектроСталь» (г. Мариуполь) произошли в январе-феврале с. г. Как Вы, специалист, многие годы работавший в вагонном производстве на Украине, можете прокомментировать данную ситуацию?
– Да, работая практически до конца 2010 года главным инженером мариупольского «Азовмаша» – одного из крупнейших производителей грузовых вагонов в СНГ, в состав которого входит и ЗАО «АзовЭлектроСталь» – производитель крупного вагонного литья, мне пришлось заниматься достаточно плотно всеми проблемами, связанными с выпуском этой продукции. Хочу сразу сказать, что затронутая Вами проблема действительно серьезная и попытки решать ее простым методом «назначения виновного» не приведут нас к успеху. Все мы живем в едином «пространстве 1520», и выработка взвешенных решений по обеспечению его технической безопасности – наша общая задача.
Если поднять данные по изломам, то мы увидим, что ломались литые рамы не только производства указанных украинских производителей, но и выпущенные на российских предприятиях – ОАО «НПК «Уралвагонзавод», ОАО «Алтайвагон», ООО «Промтрактор-Промлит» и др.
Так что корни рассматриваемой проблемы более глубокие и являются общими как для украинских, так и российских производителей. Отрадно, что именно такую конструктивную позицию занимают Ространснадзор, проводивший в феврале с. г. расширенное совещание по вопросам обеспечения безаварийности эксплуатации железнодорожного подвижного состава с участием Росжелдора, ОАО «РЖД», а также ряд компаний-производителей, собственников вагонов и вагоноремонтных предприятий. Начальник Управления государственного железнодорожного надзора Г.Б. Сарафанов на этом совещании подчеркивал необходимость принятия на законодательном уровне ряда мер, направленных на нормализацию ситуации, которые будут обязательными к исполнению для всех без исключения производителей и эксплуатирующих железнодорожную технику организаций, независимо от государственной принадлежности. В частности, речь идет о повышении требовательности выходного контроля на литейных производствах, пересмотре действующего отраслевого стандарта на тележки грузовых вагонов, норм безопасности на железнодорожную продукцию, а также необходимости разработки нового государственного стандарта «Балка надрессорная и рама боковая тележки грузового вагона» и др.

– В чем Вы видите причины происходящих изломов боковых рам вагонных тележек и наблюдаемого в последнее время роста их количества?
– Известно, что боковая рама вагонной тележки не должна иметь недопустимых дефектов. Практика показывает, что для получения качественной отливки необходимо в процессе ее производства обеспечить соблюдение целого ряда требований к технологическим параметрам, прежде всего получения заданного химического состава и температуры разливаемого металла, необходимой податливости литейных форм, соответствующей прочности формовочного материала и его газопроницаемости, времени разливки и выдержки кристаллизующейся отливки в форме, организации рационального теплоотвода для обеспечения оптимальных условий кристаллизации и остывания отливки, режимов последующей термообработки детали и др. Каждый из этих параметров ограничивается достаточно узким диапазоном допустимых значений, выход за пределы которого приводит к появлению различных дефектов и снижению качества литья. Литейные дефекты в отливке в основном появляются из-за неудовлетворительного отвода образующихся газов, неравномерности остывания и кристаллизации металла, недостаточной прочности формовочного материала и необходимой податливости литейной формы. Засоры от размывания формы, газовые поры, кристаллизационные трещины – типичные дефекты, присущие стальному литью. Невыявленные при заводском контроле, эти дефекты становятся основной причиной выхода из строя боковых рам в процессе эксплуатации.
Поэтому вопрос выявления дефектов литых деталей боковой рамы и надрессорной балки является также одним из важнейших для недопущения попадания в производство вагонных тележек бракованного литья. К сожалению, и мы в «Азовмаше» в этом убедились на практике, на сегодняшний день нет ни одного метода неразрушающего контроля, который бы стопроцентно гарантировал, что, пройдя этот контроль, деталь не будет иметь недопустимых дефектов. Из практического опыта: порядка 95% всех дефектов деталей выявляются именно визуальным способом. Однако именно высокий уровень субъективности такого контроля и являлся одной из существенных причин низкого качества литых деталей тележек грузовых вагонов.
Из своей практики по «Азовмашу» могу сказать следующее. В свое время техническим руководством предприятия была создана бригада из числа технологов отделов главного металлурга и сварщика, которые совместно с контролёрами ОТК осуществляли инженерное сопровождение производства отливок на всех ее переделах, начиная от подготовки шихты и заканчивая сдачей готовых деталей (причем за каждую деталь устанавливалась поименная ответственность). Данная мера была вынужденной после того, как руководством технических служб ОАО «РЖД» было принято решение о разделении литья на категории – первую и вторую. Все производители литья это знают и ощутили, что данное решение вызвало некоторые «перекосы» в вопросах контроля, приемки, и особенно в методах исправления дефектов, и в целом очень навредило всем. Вышеуказанное разделение на категории было запрещено лично вице-президентом ОАО «РЖД» А.В. Воротилкиным, но, по моему глубокому убеждению, оно до сих пор имеет негативные последствия.
Разработка и внедрение результативных и надежных методов выявления и автоматизированной идентификации допустимости или назначение метода исправления дефектов литья – насущная задача, в решении которой свое весомое слово должна сказать наука.

– Так что главными виновниками сложившейся ситуации с безопасностью железнодорожных грузоперевозок являются производители крупного вагонного литья?
– Я бы не стал это утверждать столь категорично. Да, одна из причин изломов боковых рам действительно кроется именно в исходном их качестве. Поэтому повышение качества стального литья, безусловно, повышает живучесть и снижает риски изломов боковой рамы в наиболее опасной зоне буксового проема радиуса R55. Но вряд ли будет верным сводить всю рассматриваемую проблему только к недостаткам технологии литья и организации контроля его качества на заводах-производителях. Необходимо учитывать, что имеется также целый ряд факторов, напрямую связанных с работоспособностью и долговечностью литых узлов тележки грузового вагона, которые выходят за рамки сферы производства. Эти факторы условно можно отнести к группе эксплуатационных, а также конструктивных.
Дело в том, что к изломам боковых рам могут приводить и сверхнормативные нагрузки, возникающие из-за особенностей эксплуатации подвижного грузового состава (завышенный вес поезда, перегруз вагона, несоответствующие техническим нормам характеристики пути и др.). Весьма важную роль также играет обеспечение постоянного мониторинга технического состояния тележки грузового вагона в целом и всех ее элементов в отдельности, что в конечном итоге зачастую позволяет предотвращать появление условий, способствующих выходу из строя литых деталей из-за сверхнормативных перегрузок и других факторов. Так, для специалистов вагонного хозяйства не является секретом тот факт, что нарушения в работе узла гашения колебаний вагона представляют прямую угрозу безопасности движения. К примеру, каждый случай завышения фрикционного клина создает предпосылки для возникновения усталостных трещин даже на самых незначительных дефектах литой поверхности и ведет к многократному увеличению скорости их распространения по сечению боковой рамы. Поэтому ужесточение и регулярность контроля за состоянием фрикционных клиньев (и не только за завышением клина относительно опорной поверхности балки, но и за износом его рабочих поверхностей), за состоянием пружинного комплекта (смыкание витков и изломы пружины), за состоянием колесных пар (ползуны, неравномерность проката и др.) являются одним из важных направлений снижения аварийности на железнодорожном транспорте, обусловленной отказами боковых рам.
Кроме указанных, как было сказано выше, существует ряд факторов, влияющих на обеспечение безаварийной эксплуатации тележек грузовых вагонов, которые условно можно назвать конструктивными. Так, для зоны R55 буксового проема боковой рамы тележки типа 18-100 даже при нормативном уровне расчетных нагрузок характерным является повышенный уровень напряжений. Насколько этот уровень может превысить нормативные напряжения в процессе реальных эксплуатационных нагрузок (к примеру, при спуске вагонов с горки при формировании состава и др.) – открытый вопрос, требующий и уточнения действующих методик расчета и испытаний, и получения достоверных данных о фактической эксплуатационной нагруженности литых деталей (в том числе с учетом роста жесткости железнодорожного пути за счет перехода на железобетонные шпалы, новую систему крепления рельса и др.). Учет всех этих факторов с высокой степенью вероятности может повлечь за собой необходимость существенного изменения конструкции литой рамы, тем более что уже сейчас различными производителями проводятся работы по усилению «стандартной» литой боковой рамы тележки типа 18-100. По такому пути, в частности, пошли «Промтрактор-Промлит» и «Уралвагонзавод», у которых уже есть усиленная боковая рама. В «Азовмаше» эта работа также выполнена за счет усиления сечения отливки в районе радиуса R55 с изменением геометрии радиуса и увеличением толщины стенки, увеличения сечения отливки над буксовым проемом, а также изменения нижнего угла рессорного проема с введением дополнительного ребра жесткости по нижнему поясу.
Сюда бы я отнес также и вопрос выбора материала для крупного вагонного литья. Ведь не случайно максимальное число изломов литых рам приходится именно на зимний период. Поведение литых деталей в условиях низких температур на сегодняшний день изучено слабо, хотя факт существенного снижения прочности, рост ломкости металла, усиление факторов трещинообразования и снижение живучести конструкции с понижением температуры являются достаточно известными. Тем не менее для крупного вагонного литья из сталей 20ГЛ, 20ГФЛ, 20ГТЛ и нормы по показателю ударной вязкости при температуре –600С (KCV-60), наиболее характеризующему трещиноустойчивость и живучесть литой детали в эксплуатации при отрицательных температурах, являются лишь факультативными, а не браковочными. Не исключаю, что углубленное исследование данного вопроса может вообще привести к выводу о необходимости замены ныне применяемых для получения крупного вагонного литья стандартных сталей на более хладостойкие марки, что с учетом новых, более интенсивных условий эксплуатации грузовых вагонов в зимних условиях Сибири и Крайнего Севера будет закономерно.

– Не является ли неудовлетворительное качество вагонного литья следствием применяемой металлургическими предприятиями устаревшей технологии и оборудования?
– Что касается применяемых основными производителями России и Украины оборудования и технологии литья, то здесь ситуация вполне благополучная. Уже сегодня практически все литейные заводы используют для получения крупного вагонного литья современное оборудование. Так, «Уралвагонзавод» имеет широко применяемую за рубежом итальянскую линию формовки, литейное производство завода «Промтрактор-Промлит» несколько лет назад было оснащено автоматической линией вакуумно-пленочной формовки HWS-Sinto (Германия), аналогичная формовочная линия используется в литейном производстве ЗАО «Тихвинский вагоностроительный завод». В 2009 году ОАО «Алтайвагон» оснастило литейное производство боковых рам и надрессорных балок автоматической формовочной линией итальянской компании SavelliS.p.A. Ведет техническое перевооружение литейных мощностей и Бежицкий СЛЗ, реализующий проект запуска нового литейного комплекса производительностью 60 тыс. тонн отливок в год.
В начале 2000-х годов на ОАО «Азовмаш» также серьезно рассматривались различные технологические варианты оснащения литейного производства, и в конце концов мы остановили свой выбор на немецкой автоматизированной формовочной линии Kunkel-Wagner. Немаловажным фактором, повлиявшим на этот выбор, был и тот, что аналогичная линия успешно эксплуатировалась с начала 1980-х годов на Кременчугском СЛЗ. Более чем 30-летний опыт производства литых боковых рам и балок Кременчугского завода – достаточно убедительное свидетельство надежности и самой технологии, и оборудования немецкого разработчика (до середины 2000-х годов вопросов к качеству продукции КСЛЗ вообще не возникало).
Хотя практика показала, что даже многомиллионные вложения в новое оборудование не могут сразу же дать ожидаемый эффект: необходимы время и серьезные усилия для освоения оборудования и доводки технологии до совершенства.
Вне всякого сомнения, что из всех производителей литья лучшее оборудование находится на «Азовмаше». Объясню почему. «Азовмаш» в отличие от практически всех литейных заводов является машиностроительным предприятием, выпускающим в течение многих десятков лет изделия для металлургов. Здесь был сосредоточен мощный научный потенциал специалистов, способных решать самые сложные задачи по совершенствованию оборудования для реализации металлургических технологий. Закупленные линии «Кюнкель-Вагнер» этими специалистами были существенно переделаны и доведены до совершенства, включая оборудование линии разливки с опоками и палетами, систем спаривания опок, трансферкаров, грохотов и системы автоматизированного управления работой линией. Также были созданы проходные нормализационные печи, дробеметы и другое сложное специализированное оборудование.

– Складывается в чем-то парадоксальная ситуация: внедряются новые передовые литейные технологии, а качество вагонного литья в сравнении с 70–80-ми годами прошлого столетия ухудшилось. Как это объяснить?
– Я бы это объяснил следующим образом. Действительно, качество литья находится в прямой зависимости от технологии. И если технологии литья прошлых лет можно, образно говоря, отнести к «искусству» (штучная ручная формовка, проверенный временем формовочный материал с отработанными физико-химическими свойствами, небольшие объемы разливаемой стали, обеспечивающие возможность строгого контроля ее качества и температуры, высококвалифицированный персонал с многолетним опытом работы и т.п.), то ныне используемые технологические схемы с применением автоматизированной формовки имеют свои особенности (поточная технология с минимизацией человеческого вмешательства; новые формовочные смеси с высокой степенью зависимости их свойств от целого ряда меняющихся факторов – влажности и температуры воздуха, компонентного состава и др., – влияющих на время затвердевания, пластичность и газопроницаемость; большие объемы разливаемого металла, что затрудняет обеспечение оптимального температурного интервала разливки и т.п.). И вот эти новые поточные технологии оказываются очень чувствительными к малейшим нарушениям технологических параметров, которые необходимо строго выдерживать и контролировать на всех этапах производственного процесса, что пока удается не всегда и не всем производителям.

– Да, проблем с литьем действительно немало, Вы нас убедили. Но обеспечивать безопасность грузоперевозок необходимо. Надежная вагонная тележка является одним из краеугольных камней такой безопасности. Какие, кроме вышеперечисленных, Вы видите меры по повышению надежности тележек для грузовых вагонов с литыми рамами и балками?
– По образованию я сварщик и представитель патоновской научной школы, поэтому альтернативным путем повышения надежности этого изделия я вижу создание тележки без литых рам и балок, т. е. тележки со сварными рамами и балками. Возможность изготовления сварных конструкций боковых рам и балок предусмотрена как действующими, так и разрабатываемыми стандартами двухосных тележек для грузовых вагонов, однако до настоящего времени, кроме отдельных случаев для специальных вагонов, такая тележка для массового использования не создана. Попытки разработки сварных вариантов основных узлов трехэлементной тележки предпринимались неоднократно различными организациями, однако положительные результаты не были достигнуты в силу различных причин. Известно, что прокатные материалы имеют более высокие прочностные характеристики, чем литые, однако достижение равнопрочности с прокатом в сварных конструкциях всегда было достаточно непростым заданием, для решения которого, как правило, требуется большой объем научных и опытно-конструкторских работ. К тому же, по определению, тонна сложных металлоконструкций с механообработкой в несколько раз дороже тонны литья, но если задача состоит в безусловном обеспечении качественных показателей изделия, то есть смысл пойти по пути замены литой конструкции на сварную.
В этой связи хочу привести пример из своей практики. В советское время на «Азовмаше» мы изготавливали литые башни танков. Технология литья под жестким контролем военной приемки была доведена практически до совершенства, но уже тогда мы на протяжении ряда лет проводили опытно-конструкторские работы с ведущими научными и проектными организациями бывшего Союза (ВНИИ Стали, ХКБМ им. А.А. Морозова, ИЭС им. Е.О. Патона, НИИ «Трансмаш» и др.) по созданию сварно-катаной башни. Это было связано с тем, что служебные характеристики литой детали уже не могли в полной мере соответствовать возросшим требованиям к защитным свойствам башни, имевшей в связи с этим ряд слабых мест. Проблемы эти удалось решить только после перехода на сварно-катаный вариант исполнения башни. В 1996 году, при выполнении Пакистанского контракта, на танке Т80УД уже стояла новая сварно-катаная башня с существенно более высокими характеристиками по стойкости и живучести.
Полной аналогии выше указанного примера с узлами железнодорожной техники нет: башня воспринимает в основном экстремальные ударные нагрузки, а боковая рама и балка тележки должны выдерживать многоцикловые нагрузки во всем спектре нагружений, возникающих в процессе эксплуатации за весь период службы. Но общий принцип тот же самый: создание сварной конструкции, способной, сохраняя преимущества использованного листового проката (высокие механические свойства, в т. ч. и при низких температурах, отсутствие дефектов, присущих литью), обеспечить циклическую прочность для сварных соединений.
В вагонах стран Евросоюза такие конструкции тележки созданы, например Y-25, с нагрузкой на ось 23,5 т и подобные ей конструкции 25 тонн на ось. Однако применение принципов, заложенных в конструкции этой тележки, для отечественных грузовых вагонов неприемлемо по нескольким причинам, главной из которых являются разные условия эксплуатации – горизонтальное формирование составов в Европе и роспуск с сортировочных горок у нас и, соответственно, более высокие нормативные требования к прочности конструкции. Тем более если учесть перспективу создания тележек с увеличенной нагрузкой на ось, а также вопросы взаимозаменяемости элементов ходовой тележки и минимизации ее воздействия на железнодорожный путь, то становится ясно, что необходимо иметь свое направление в разработке тележки грузового вагона со сварными элементами взамен литых.
К созданию сварной конструкции боковой рамы и балки организация УК «РэйлТрансХолдинг» сейчас и приступила. Основная сложность при этом отсутствие в нормативных документах на расчет и проектирование железнодорожной техники полного объема критериев, характеризующих различные сварные соединения, в частности коэффициентов концентрации и др. Может так получиться, что расчет на циклическую прочность покажет положительные результаты, т. е. непревышение фактических напряжений свыше допустимых, а при стендовых либо ходовых испытаниях появляются признаки разрушения конструкции (что уже и происходило ранее). Затрачены силы, средства, нервы – и все напрасно. Начинать сначала? Именно поэтому Научно-инженерный центр УК «РэйлТрансХолдинг» начал работу по решению данной проблемы в сотрудничестве с самой авторитетной организацией в области надежности сварных конструкций – Институтом электросварки им. О.Е. Патона, г. Киев, и ведущей организацией по созданию новой ж/д техники – НВЦ «Вагоны», г. Санкт-Петербург. Масштабность и сложность поставленной задачи – сделать то, что до сих пор не получалось, – вызывают профессиональный интерес. Проведены предварительные проработки, составлены программы совместных работ. От Института электросварки им. Е.О. Патона эти работы возглавляет лично академик Б.Е. Патон, а от НВЦ «Вагоны» – такие известные специалисты, как доктор технических наук, профессор Ю.П. Бороненко и доктор технических наук, профессор А.М. Орлова. Появились у нас и определенные ноу-хау, серьезно повышающие вероятность получения положительных результатов, но из «суеверных соображений» сейчас об этом говорить не будем, как и о сроках решения этой проблемы.

– Спасибо, Анатолий Данилович, за интересную и содержательную беседу. Остается пожелать Вам и работающему под Вашим руководством коллективу творческих успехов, достижения поставленных целей и выразить надежду, что общими усилиями всех заинтересованных организаций и специалистов «пространства 1520» проблема обеспечения безопасности эксплуатации тележек грузовых вагонов будет решена уже в самое ближайшее время.

Беседовала Людмила Шляхтунова


Справка
    А.Д. Чепурной – известный ученый в области сварки, специальной электрометаллургии, машиноведения и материаловедения. Многие годы работал на одном из крупнейших машиностроительных предприятий бывшего СССР – мариупольском «Азовмаше», где последовательно прошел путь от простого сварщика до директора Головного Специализированного Конструкторско-Технологического Института (ГСКТИ) и главного инженера «Азовмаша». Доктор технических наук, профессор, академик Международной инженерной академии, заслуженный машиностроитель Украины, лауреат Государственных премий УССР (1982 г.) и Украины (1994 г.).

Пн Вт Ср Чт Пт Сб Вс
    1 2 3 4 5
6 7 8 9 10 11 12
13 14 15 16 17 18 19
20 21 22 23 24 25 26
27 28 29 30