Ромэн Яров - Скоростные поезда

При движении с высокими скоростями возникают совершенно особые динамические явления, и надо продумать комплекс мероприятий, чтобы им противостоять. Что же это за явления? Когда скорость пассажирского поезда достигает 120 км/ч , появляется интенсивное извилистое движение тележек и кузова. Это приводит к боковым колебаниям вагонов и усиленному воздействию колес на рельсы. При скорости 130 км/ч перепад «виляния» тележки равен 0,4–0,7 сек. Оно происходит на длине пути, равном 15–25 м. У кузова поперечные перемещения еще больше, чем у тележки.

Другой вид колебаний — колебания в вертикальной плоскости. Они вызваны неровностями пути, износом бандажей. У конструкторов в результате долгого опыта эксплуатации, поисков, экспериментов, выработались определенные требования к тележкам вагонов для скоростного движения. Для того чтобы успешно противостоять вертикальным колебаниям, тележки должны обладать хорошим рессорным подвешиванием. Но здесь имеется предел. Статический прогиб рессорного подвешивания современного пассажирского вагона должен равняться при полной нагрузке 480–200 мм. Больше нельзя, иначе вагон будет сильно крениться на закруглениях пути. Правда, это ограничение имеет силу, только если нет специальных устройств, уменьшающих крен кузова, который возникает под действием центробежных сил и ветра. Если такие устройства (стабилизаторы) есть, то статический прогиб может достигать 250–300 мм. Рессоры не должны быть листовыми: между листами возникает трение, ухудшающее ход вагонов.

Чтобы тележки «вели себя хорошо» и в горизонтальной плоскости (не было виляния), они должны иметь жесткую раму, которая, объединяя колесные пары, заставляет их совершать извилистые движения синхронно. А это приводит к уменьшению амплитуды и частоты виляния. Рама с колесными парами и кузов с рамой скрепляются упруго. Это сглаживает виляние и в то же время позволяет смягчить боковые толчки, которые получает колесная пара на неровностях пути. Но все узлы рамы должны быть плотно подогнаны друг к другу: зазоры в буксовых подшипниках, свобода перемещения букс относительно рамы интенсифицируют виляние. Чтобы успешно бороться с вилянием, надо еще как-то гасить его энергию. Она должна превращаться в работу трения в опорах кузова.

Виляние не назовешь высокочастотным колебанием, но в пути возникают и такие. Вагон необходимо защитить от вибраций ходовых частей. Для этой цели применяют виброизолирующие прокладки из резины или других неметаллических материалов.

Пассажирские четырехосные вагоны имели в первые послевоенные годы тележки с листовыми эллиптическими рессорами (так называемые тележки тина ЦМВ). Тележки эти при скорости свыше 120 км/ч не обеспечивают необходимую плавность хода. Калининский вагоностроительный завод в конце 50-х годов разработал, а с начала 60-х выпускает серийно тележки типа КВЗ-5. Вместо эллиптических рессор на них применены сравнительно легкие винтовые пружины с гидравлическими амортизаторами. Вагоны на тележках КВЗ-5 движутся более спокойно, чем на тележках типа ЦМВ, а рама стала на 600 кг легче. Но от влияния на высоких скоростях тележка КВЗ-5 не предохраняет. Избавляет от этого тележка для современных скоростных вагонов КВЗ-ЦНИИ, разработанная Калининским заводом совместно с Всесоюзным научно-исследовательским институтом железнодорожного транспорта.

Так же как и КВЗ-5, тележка КВЗ-ЦНИИ имеет двухступенчатое рессорное подвешивание. Первая ступень та, к которой подвешены буксы. Это витые пружины с фрикционными кольцевыми амортизаторами, которые нужны для того, чтобы гасить перемещения колесных пар. Вторая ступень — это центральные винтовые пружины с гидравлическими амортизаторами. Пружины в КВЗ-ЦНИИ устанавливаются в коробообразном поддоне — вместо балочного в КВЗ-5. Это вызвано тем, что пружины в новой тележке больше и эластичнее, чем в старой, следовательно, и основание должно быть больше.

Но основное в конструкции новой тележки, отличающее ее от старой, это узел опоры кузова. Кузов опирается не на подпятники тележки, а на боковые скользуны. Когда тележка поворачивается относительно кузова, между ними от сил трения возникает момент, который поглощает энергию влияния тележки. В результате и кузов вагона колеблется меньше.

Один старый опытный автомобилист говорил так: «Когда я подхожу к новому автомобилю, на котором мне предстоит поехать, я обращаю мало внимания на подвеску, не очень старательно проверяю работу двигателя… Но тормоза… Тут от моего внимания не ускользает ни одна маленькая деталь. Ведь от их исправной работы зависит жизнь…». Может быть, он несколько преувеличил, говоря о невнимании, с которым относится к работе двигателя или подвески, но лишь для того, чтоб подчеркнуть серьезность, с какой надо относиться к тормозам. Что же оказать о том значении, которое имеет надежность и эффективность тормозов для современных скоростных поездов, когда составы мчатся значительно быстрей автомобилей, и не одна, а сотни жизней могут зависеть от того, насколько быстро остановится поезд?

В том комплексе проблем, которые решают конструкторы, создавая скоростные поезда, проблема торможения является одной из ведущих. В популярной книге Г. Гюнтера «Железная дорога», изданной в нашей стране в 1930 г., говорится, что путь, пройденный скорым поездом с начала торможения до полной остановки, составляет довольно значительное расстояние — около 500 м.

За годы, прошедшие с тех пор, изменилось многое. И тормозные пути скорых поездов тоже. При скорости 120 км/ч и очень незначительном уклоне тормозной путь составляет 1200 м. Это при том условии, что поезд оборудован чугунными колодками и пневматической системой тормозов, т. е. так же, как и десятки лет назад. Задача номер один — сокращение длины тормозного пути. Но не любым способом. При резком торможении даже в троллейбусе люди валятся друг на друга, что же будет с ними в мчащемся поезде?

Максимальная величина замедления, которую человек переносит без неприятных ощущений, равна 1,5 м/сек 2. При этом замедлении человек еще может передвигаться по вагону, а посуда в вагоне-ресторане не слетает со столов. И все же 1,5 м/сек 2— это для экстренного торможения; при эксплуатационном величина замедления не должна превышать 1,2 м/сек 2 . Тормозные механизмы должны быть достаточно мощными и, кроме того, необходимо предусмотреть устройства для отвода тепла. Вот все эти проблемы и встали перед конструкторами.

Прежде всего надо было найти замену старому испытанному материалу для тормозных колодок — чугуну. Чугунные колодки честно служили при небольших скоростях движения; с увеличением скоростей стала обнаруживаться их несостоятельность. Нужен был материал, коэффициент трения которого мало зависел бы от скорости, усилия, с которым прижимается колодка, погоды. Он должен был иметь износостойкость, превышающую износостойкость чугуна в 2–3 раза, необходимую прочность и теплостойкость. Последнее свойство имеет особо важное значение. (При высоких скоростях торможение сопровождается тем, что поверхностные слои чугунных колодок плавятся, пленка жидкого металла действует как смазка, и коэффициент трения снижается до недопустимо малых величин.) Кроме всего этого, колодки из такого материала должны были бы гарантировать мягкое, спокойное торможение.