При создании подвижного состава нового поколения реализуется одно из основных требований — максимально возможное облегчение конструкции за счет изыскания наиболее рациональных форм, применения прогрессивных технологических процессов производства деталей и узлов с обеспечением назначенного срока службы, надежности, долговечности и безопасности движения. При этом особое внимание уделяется уменьшению неподрессоренных масс, и в частности колесным парам, что, кроме экономии металла при изготовлении, повышает грузоподъемность вагонов без изменения нагрузки на ось, улучшает их ходовые свойства, а также увеличивает срок службы и сохранность верхнего строения пути в результате уменьшения сил динамического воздействия. Одним из эффективных и реальных путей существенного снижения массы колесной пары является применение полых осей взамен сплошных. Как известно [1, 2], в нашей стране в 60-х годах Уральским вагоностроительным заводом (УВЗ), Всесоюзным научно-исследовательским институтом железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ), ВНИТИ, ВНИИВ и другими организациями активно велись работы по созданию конструкции полой вагонной оси для нагрузки 22 тс из стальной толстостенной бесшовной горячекатаной трубы. Указанными выше организациями для обоснования параметров рациональной ее конструкции и технологии изготовления в течение нескольких лет был выполнен большой комплекс научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, проводившихся по согласованному комплексному плану. Изготовленные на УВЗ в 1965 г. полые вагонные оси в количестве 1000 шт. были представлены на заключительном этапе прочностных и эксплуатационных испытаний. Результаты их двенадцатилетних эксплуатационных испытаний на сети дорог под 4-, 6- и 8-осными полувагонами в опытных маршрутах при перевозке руды и угля до 1,5 млн. км пробега показали, что колесные пары с полыми осями по прочностным и другим параметрам не уступают колесным парам со стандартными сплошными осями. Масса такой полой оси меньше примерно на 90...100 кг. Кроме того, предусмотрено применение на ней типовых роликовых буксовых узлов с габаритными размерами подшипников 130ґ250ґ80 мм и цельнокатаных колес, используемых для серийных колесных пар со стандартными сплошными осями [3]. Разработанная конструкция такой полой оси была признана изобретением, и на нее выдано авторское свидетельство № 191621 от 30.09.66 г. Конструктивно-технологические особенности этой оси подробно изложены в [4]. С января 1965 г. по март 1968 г. отделениями вагонного хозяйства, испытания материалов и конструкций ЦНИИ МПС была выполнена большая научно-исследовательская работа, по результатам которой оформлен отчет «Исследование колесных пар с целью повышения их прочности и надежности». Раздел «Прочностные и эксплуатационные испытания полых осей, изготовленных из трубной заготовки, и исследование прочности прессового соединения (в том числе с тепловой посадкой) — Государственный реестр № 68007240». В этом отчете имеется глава VII «Технико-экономическое обоснование применения вагонных колесных пар с полыми осями», где отмечается, что (цитируем, учитывая актуальность вопроса) «технико-экономические преимущества колесных пар с полыми осями складываются: 1) из снижения расхода металла (вес полой оси примерно на 100 кг меньше веса сплошной); 2) облегчения веса тары вагона и повышения его грузоподъемности (без изменения нагрузки от колеса на рельс); 3) уменьшения затрат на непроизводительную перевозку тары вагонов; 4) уменьшения сил динамического взаимодействия подвижного состава и пути вследствие уменьшения неподрессоренного веса вагонов». Выполненный расчет показал, что от оборудования каждых 100 тыс. грузовых вагонов такими колесными парами для нагрузки на ось 22 тс эффект составлял 6,427 млн. руб. в год (в ценах 1968 г.). В первом квартале 1982 г. на УВЗ конструкторским отделом по вагоностроению с учетом накопленного опыта создания полой оси для допустимой нагрузки 22 тс по инициативе и при непосредственном участии автора данной статьи была разработана рабочая техническая документация на колесную пару с полой осью для нагрузки 25 тс. Такая ось показана на рисунке. Ее масса по сравнению со сплошной осью для аналогичной нагрузки была меньше на 98 кг. Выполненный прочностной расчет по действовавшим в тот период «Нормам для расчетов на прочность...» [5] показал, что она удовлетворяет требованиям прочности. Внутренняя конфигурация разработанной полой оси представляет собой продольное цилиндрическое отверстие одного диаметра 97 мм (по номиналу) в средней и подступичной частях, плавно переходящее по радиусу 150 мм в отверстие по форме усеченных конусов в предподступичных частях с меньшими основаниями к отверстиям шеек оси. В свою очередь, отверстия в шейках полой оси выполнены также в виде усеченных конусов, большие основания которых обращены к торцам оси, или цилиндрическими, если формообразование шеек в черновой полой оси производится без дорна или оправки. Меньшие основания усеченных конусов подступичных частей и шеек сопрягаются между собой плавно по радиусу 150 мм. Продольные отверстия в шейках у торца заканчиваются центровыми отверстиями с предохранительным конусом длиной 2 мм под углом 60°. Кроме этих центровых отверстий, вся внутренняя поверхность полой оси механически не обрабатывается. Наличие отверстий в шейках полых осей конструктивно и технологически вполне оправданно, так как дает возможность проверять толщины стенок в любых частях оси различными способами и осматривать, в частности, перископом внутреннюю поверхность тех мест, которые подвергались деформации при ковке. Кроме того, через отверстия вся внутренняя поверхность черновых поковок очищается от окалины стальной дробью, в результате чего поверхностный слой с внутренней стороны оси несколько упрочняется за счет наклепа. С целью повышения усталостной прочности и снижения чувствительности к концентраторам напряжений с наружной поверхности полая ось упрочняется накатыванием роликами на станке модели КЖ-18 по специальной технологической инструкции, а галтели шеек упрочняются роликом с поворачивающейся осью вращения. Торцевое крепление роликоподшипников с габаритными размерами 140ґ260ґ80 мм в осевом направлении было выполнено в двух вариантах: шайбой с креплением ее к торцу оси четырьмя болтами М24, расположенными на диаметре 96 мм по их центрам, и гайкой с резьбой М120ґ4. На рисунке показана конструкция полой оси с торцовым креплением только шайбой, так как торцовое крепление роликоподшипников гайкой в настоящее время считается неперспективным. В данной полой оси внешние очертания, допуски на размеры, шероховатость поверхностей шейки, предподступичной, подступичной частей, длина запрессовочного конуса аналогичны соответствующим частям стандартной оси. Длина подступичной части по сравнению со стандартной осью уменьшена с 265 до 250 мм, так как перепрессовка колес с колеи 1520 мм на колею 1435 мм у колесных пар для нагрузки на ось 25 тс не предусматривается. За счет этого дополнительно несколько снижается масса полой оси. Чтобы исключить попадание внутрь полой оси смазки из буксового узла, случайных посторонних предметов, а также воды при обмывке колесных пар при их поступлении в ремонт, ранее при изготовлении опытных партий полых осей на УВЗ отверстия в шейках закрывались деревянными пробками таким образом, чтобы расстояние от торца оси до торца пробки было не менее 60 мм (при торцовом креплении подшипников шайбой) и не менее 100 мм (при торцовом креплении подшипников гайкой). Это сделано с целью обеспечения беспрепятственной установки колесной пары в центры колесно-токарного станка для обточки колес по профилю поверхности катания. Чтобы не затенять рисунок полой оси, деревянная пробка не показана. В 1987 г. ВНИИЖТом были разработаны специальные технические условия № ТУ-ЦВ-ВНИИЖТ-87 (авторы Л. М. Школьник, Л. А. Усова, Ю. А. Марков) «Герметизация внутренней полости черновой вагонной катаной оси» (на опытную партию 200 шт.), которые были согласованы с Главным управлением вагонного хозяйства МПС (ЦВ МПС). >В качестве материала герметизирующих пробок предлагалось использовать полиуретановый клей «Вилад 11К-3», выпускаемый промышленностью. Согласно указанным ТУ время заливки и отверждения пробок должно быть не более 30...40 с при горизонтальном или вертикальном расположении оси со скоростью вращения 60...200 об/мин. Материал пробок должен герметизировать внутреннюю поверхность и не вызывать ее коррозию в течение 15 лет. В принципе, это должно быть обеспечено на весь срок службы оси. Разработанная в 1982 г. техническая документация на колесную пару с полой осью для нагрузки 25 тс в июле 1983 года была согласована с ЦВ МПС для изготовления на УВЗ опытной партии в количестве 60...100 шт. колесных пар для стендовых и эксплуатационных испытаний на Экспериментальном кольце ВНИИЖТа. Опытные черновые полые оси предполагалось изготавливать поперечно-винтовой прокаткой на оборудовании осепрокатного цеха Днепропетровского металлургического завода (г. Днепродзержинск, Украина). Для этого в 1985 г. Всесоюзным научно-исследовательским и проектно-конструкторским институтом металлургического машиностроения был разработан и направлен на согласование заинтересованным организациям проект чертежа черновой заготовки полой оси. Однако эта работа не была закончена. В первом квартале 2000 г. ВНИИЖТом были разработаны технические требования на колесные пары для тележек грузовых вагонов с повышенными осевыми нагрузками 25 и 30 т. В них, в частности, для колесной пары на нагрузку 25 т указано, что ее масса в сборе с роликовыми буксовыми узлами с двухрядными коническими подшипниками кассетного типа должна быть не более 1500 кг. Для оси сплошного сечения этой колесной пары установлены следующие номинальные диаметры (в мм): шейки — 150, предподступичной части — 185, подступичной части — 210, средней — 180. В связи с этим ранее разработанная конструкция полой оси нуждается в корректировке ее размеров. И не только из-за этого. Необходимо уменьшить количество болтов М24 с четырех до трех. Как показал опыт массовой длительной эксплуатации стандартных колесных пар типа РУ1Ш-950 с четырьмя болтами М20, такое количество резьбовых отверстий на торце сплошной оси существенно затрудняет проведение ее ультразвукового контроля при ремонте колесных пар из-за наличия так называемых мертвых зон. Применение трех болтов в конструкции торцового крепления буксовых подшипников кассетного типа подтверждается также положительным опытом надежной их работы под вагонами за рубежом (в США, Канаде и других странах). Поскольку разработчикам-вагоностроителям выдвинуто требование не только по массе колесной пары с роликовыми буксовыми узлами, но и по массе тележек для нагрузок 25 и 30 тс, то вопрос о применении полой оси для колесных пар с увеличенными нагрузками становится все более актуальным. Заключение. Приведенное выше технико-экономическое обоснование оборудования грузовых вагонов колесными парами с полыми осями для нагрузки 22 тс показывает высокую эффективность их применения. Поэтому правомерно будет утверждать, что применение полых осей для колесных пар с нагрузкой на ось 25 тс будет также эффективным. Конкретный эффект должен определиться после изготовления опытной партии таких колесных пар и проведения комплекса стендовых и эксплуатационных испытаний. Список литературы 1. Полые оси и валы / Л. М. Школьник, Ю. Е. Коваленко, Н. И. Мартынов, Л. А. Усова. М.: Машиностроение, 1968. 183 с. 2. Френкель В. Я., Новиков В. В. Полые оси железнодорожных вагонов (НИИИНФОРМТЯЖМАШ) // Транспортное машиностроение. 1966. № 11-66-7. 55 с. 3. Длительные эксплуатационные испытания колесных пар с полыми осями / Л. М. Школьник, Н. И. Мартынов, В. В. Новиков и др. // Вестник ВНИИЖТ. 1980. № 4. С. 36...41. 4. Новиков В. В. Конструктивно-технологические особенности полой вагонной оси (НИИИНФОРМТЯЖМАШ) // Транспортное машиностроение. 1971. № 5-71-4. С. 84...87. 5. Нормы для расчетов на прочность и проектирования механической части новых и модернизированных вагонов железных дорог колеи 1524 мм (несамоходных). М.: ЦНИИ МПС, 1962.