Как проводятся краш-тесты для вагонов?

Россия обладает впечатляющей сетью железных дорог, «сшивающей» ее с юга на север и с запада на восток. Наша страна производит локомотивы и вагоны, и все это могучее хозяйство обслуживает нас и окружает нас в повседневной жизни. Максимальная масса тягача с длинным груженым полуприцепом (то, что мы называем в быту «фурой») составляет около 32 т. Масса одного обычного груженого вагона может составлять до 100 т. Грузовые вагоны формируют в составы из десятков единиц, и вся эта колоссальная масса мчится по рельсам, разгоняется, тормозит, вибрирует. А если вдруг случится так, что поезд сойдет с рельс, ущерб может оказаться колоссальным. Поэтому, прежде чем локомотив или вагон той или иной конструкции выйдет на путь, он должен пройти очень жесткие испытания. Причем это не только испытания на ходу, но и стендовые прочностные испытания, для которых требуется специальная техника.

Вагонный кластер

Чтобы взглянуть на эту необычную технику, «ПМ» отправилась в Ленинградскую область, в старинный русский город Тихвин. В советское время в городе построили немало промышленных предприятий, но вагонами здесь занялись недавно. Несколько лет назад на территории тихвинской промышленной площадки практически с нуля было создано современное машиностроительное предприятие «Тихвинский вагоностроительный завод», выпускающий грузовой подвижной состав нового поколения. На этой же производственной площадке в начале года был открыт Тихвинский испытательный центр железнодорожной техники (ТИЦ ЖТ). С заводом Центр роднит общий профиль, но это независимая компания, готовая работать с разными производителями локомотивов, вагонов и специальной железнодорожной техники.

Тяжелый путьБольшинство из нас, активно пользующихся железнодорожным транспортом, не имеет ни малейшего представления о том, каким тяжелым испытаниям подвергается конструкция вагона, прежде чем она будет признана безопасной. Как и любое современное производство, ТИЦ ЖТ — царство электроники и автоматики. Все нагрузки, которые испытывает железнодорожная техника во время тестов, создаются исполнительными устройствами в соответствии с компьютерной программой. Полученные с помощью сенсоров данные также обрабатываются вычислительной техникой.

Здание Центра выглядит как обычный для наших дней производственный корпус, построенный из легкосборных элементов. Внутри — небольшой офисный блок и цеховое пространство, где разместилась настоящая «камера пыток» для железнодорожной техники и отдельных ее деталей. Взгляд окидывает помещение: пара вагонов на путях, какая-то высокая металлическая арка, далее — плетение труб в зарешеченном помещении, детали железнодорожных тележек и металлические глыбы. Что бы это значило?

Есть чему ломаться

Нас встречает генеральный директор ТИЦ ЖТ Сергей Дмитриев, который полон энтузиазма относительно всего нами увиденного. Из разговора с ним мы узнаем, что уже через полгода здесь появится еще больше оборудования, будут испытываться новые виды техники, а затем рядом построят еще одно здание. Но нам, конечно, прежде всего хочется узнать о том, что тут уже есть и как оно работает.

Испытания на соударение происходят вне производственного корпуса на отдельном отрезке пути. Вагоны захватываются мощной лебедкой и ударяются в массивный бетонный упор. Иногда в ходе ресурсных тестов вагон испытывает до 8000 ударов. До тех пор, пока не получит серьезное повреждение.

«Испытательный центр, — говорит Сергей Дмитриев, — создан для различных испытаний подвижного состава и его составных частей. Стендовые испытания мы проводим на нашей площадке, ходовые — на специальных полигонах». Прежде всего испытывается не серийная техника, а новые образцы, которым на определенном этапе разработки или для запуска в серийное производство необходимо подтвердить их соответствие прочностным нормативам. «Представьте себе грузовой вагон, в который загружают порядка девяти десятков кубометров угля, — говорит Сергей Дмитриев. — Внешне он выглядит, конечно, прочным, но, поверьте, там есть чему ломаться. На надежность конструкции вагона влияют многочисленные факторы. Не секрет, у нас сложные климатические условия. Большие перепады температур — от -55 до +50°С со скачком за день до 20 °C — могут сделать металл хрупким и ломким. Условия погрузки и выгрузки вагона, а также качество сервисного обслуживания также определяют срок его службы. К примеру, полувагоны, которые разгружаются с помощью грейферных кранов, повреждаются сильнее, срок их службы короче, чем у аналогичных вагонов, разгружаемых вагоноопрокидывателями. По существующим нормативам жизнь вагона советской конструкции — 22 года, у современных вагонов нового поколения она достигает уже 32 лет. К сожалению, в рамках сервисного обслуживания подвижного состава нет стопроцентного способа выявления дефектов, которые вагон получил в пути. Поэтому наша задача — установить, выдержит ли он предельные нагрузки в течение установленного срока службы».

В ряду ключевых стендовых испытаний вагонов на первом месте — сжатие-растяжение. И в этом нет ничего удивительного: поезд не всегда движется равномерно, он трогается с места, разгоняется, тормозит. В эти моменты каждый отдельный вагон и автосцепка испытывают те самые растяжения и сжатия, и происходит это в жизни вагона многократно (более 20 000 циклов с различными усилиями за год эксплуатации). Чтобы проверить, сколь стойким окажется вагон к такого рода воздействиям, его ставят на стенд и с помощью гидравлики сжимают с усилием до 250 т и с усилием до 200 т растягивают.

Вагонные тележки нового поколения показывают повышенные прочностные характеристики за счет применения износостойких элементов. Во время нашего визита в ТИЦ ЖТ проводились испытания новых тележек, которые показали высокие результаты на прочность.

От жестянки до цистерны

Но иногда судьба обходится с вагоном гораздо жестче. Например, при формировании состава вагон скатывается с сортировочной горки и сталкивается с другим. Для испытания на соударение применяется специальный стенд, находящийся уже за пределами помещения ТИЦ ЖТ и напоминающий стенды для проведения краш-тестов автомобилей. Вагон устанавливают, к нему подцепляют конец специальной лебедки, лебедка тянет вагон на себя и бьет его о бетонный упор объемом 250 м3. Стандартные испытания на этом стенде не предполагают разрушения вагонов, но время от времени проводятся тесты на ресурс, и тогда лебедка бьет образец об упор до 8000 раз или до того момента, пока вагон не выйдет из строя. В процессе испытаний в центре сбора данных происходит снятие параметров с датчиков, закрепленных по всей поверхности вагона. Замеряют обычно возникающие при соударении перемещения и напряжения.

Появление в российской железнодорожной практике 3D-стенда важно для обеспечения безопасности. Стенд позволяет имитировать условия эксплуатации, в которых изделие может оказаться. ТИЦ ЖТ принимает активное участие в разработке новых методов испытаний. Причем не только по этому направлению, но и по многим другим.

Сейчас на территории Центра проводятся в основном тесты грузовых вагонов — полувагонов (это вагон с высокими бортами и открытым верхом), крытых вагонов (в мирное время в таких возят грузы, а в военное ставят печки, скамейки и перевозят личный состав), вагонов-хопперов (воронкообразных саморазгружающихся вагонов для сыпучих веществ) и цистерн. Для цистерн предусмотрен специальный вид испытаний. В этом типе грузового вагона перевозят жидкости и газы под давлением, а иногда внутри может образоваться разрежение. Как, например, в известном опыте с жестянкой из-под лимонада: сначала внутрь напускают горячего пара, а потом ставят банку на лед, и она схлопывается. Так вот, чтобы цистерна была застрахована от разрушительного действия давления — внутреннего и атмосферного, — ее испытывают с помощью установки, которая выглядит как сплетение труб за решетчатыми стенками. «Этот стенд мог бы занимать меньше места, — рассказывает Сергей, — но мы решили не экономить на размерах, выиграв в производительности». В общем, это мощный насос, способный заполнить цистерну до 90 м3 воды в течение часа. В другом режиме тот же стенд создает внутри емкости сильное разрежение. Спрашиваю Сергея, не приходилось ли ему участвовать в испытаниях цистерны, которые заканчивались бы ее разрушением. «Нет, — отвечает он, — но мне рассказывали, что это эффектное зрелище». И действительно, в Сети можно найти видео, где работа установки, подобной вышеописанной, приводила к тому, что цистерна схлопывалась внутрь не хуже банки из-под колы. Про цистерны есть и другие эффектные видео. Например, при испытаниях на соударение заполненной жидкостью цистерны внутри устанавливают видеокамеру. В момент удара там поднимается настоящая высокая волна, эдакое мини-цунами. В самом физическом эффекте нет ничего необычного, но зрелище выходит впечатляющим.

В гидравлических объятиях

При работе над созданием нового образца железнодорожной техники иногда важно провести стендовые испытания отдельных его элементов. Например, критическую важность имеет прочность вагонной тележки. Если посмотреть снаружи, то может показаться, что конструкция тележки незатейлива, но на деле это сложный узел с уязвимыми местами, такими, например, как боковая рама или надрессорная балка. Если в пути боковая рама сломается, сход поезда с рельс можно считать гарантированным. Но как сымитировать нагрузки, которые в ходе эксплуатации испытывает эта литая деталь? Ведь механическое воздействие на нее — сложная совокупность нагрузок. Устройства для таких испытаний давно созданы, например на электромагнитной основе. С определенной частотой они прилагают к определенной точке исследуемого объекта заданное усилие. Проблема в том, что при реальной эксплуатации та же боковая рама подвергается механическим воздействиям одновременно с разных направлений, как бы в трехмерной среде.

С высоты офисного блока, откуда осуществляется управление производством, помещение, где проходят испытания, как на ладони. В планах ТИЦ ЖТ — расширение. В недалеком будущем поблизости вырастет новый корпус, который наполнится новым оборудованием для решения еще более широкого спектра задач.

Для таких 3D-испытаний ТИЦ ЖТ приобрел стенд. Это уникальная машина, которая отвечает самым продвинутым нормативам, которые в России еще только вводятся. Это та самая металлическая арка серого цвета, о которой шла речь в начале статьи, — стенд для пространственного нагружения изделий. Сейчас на нем работают два гидравлических цилиндра по 1300 кН, еще два по 100 кН. Скоро в строй войдут два дополнительных цилиндра по 250 кН. При испытаниях появляется возможность скомпоновать силонагружающие устройства таким образом, чтобы максимально сымитировать нагрузку, близкую к эксплуатационной. Причем воздействие, которое оказывают на деталь цилиндры, осуществляется в соответствии с заданной программой, «сигналом», формирующимся из переменных воздействий. Таким образом, могут проводиться очень близкие к реальности тесты с 2−3 млн циклов нагружения, что позволяет выявить усталостные характеристики детали и обеспечить ее надежную работу без трещин и поломок.

Представление о том, насколько мощен и жаден до энергии могучий 3D-стенд, можно получить, заглянув в специальное помещение, где располагаются насосы, питающие гидравлику стенда. А рядом — еще одна комната с вентиляторами для отвода тепла, которое выделяет вся эта машинерия.