Автосцепные устройства нового поколения для пассажирского подвижного состава

Со времени перехода подвижного состава с винтовой упряжи на автосцепку (1935...1957 гг.) и до настоящего времени практически единственным устройством, используемым на отечественных железных дорогах для соединения вагонов в поезде, являлось автосцепное устройство СА-3. Габариты и расположение его элементов на подвижном составе определялись ГОСТ 3475 – 81, а контур зацепления (геометрия поверхностей автосцепки, обеспечивающих их сцепление между собой) — ГОСТ 21447 – 75. Таким образом, с начала перехода на автосцепку весь отечественный подвижной состав (кроме паровозов, конструкция рамы которых не позволяла устанавливать типовое автосцепное устройство) оборудовался полностью идентичными автосцепными устройствами.

Лишь начиная с 1947 г. с целью снижения продольных ускорений, возникающих при движении пассажирского поезда, его вагоны стали оснащаться специальными пассажирскими поглощающими аппаратами, разработанными в соответствии с требованиями, отличающимися от требований, предъявляемых к грузовым поглощающим аппаратам. Конструкция, размеры и основные параметры остальных элементов автосцепных устройств пассажирского и грузового подвижного состава, а также предъявляемые к ним требования (кроме расчетных значений растягивающих и сжимающих сил) до настоящего времени остались практически идентичными. Это обеспечивает определенные удобства при производстве, ремонте и эксплуатации (при воинских перевозках, транспортировке пассажирских вагонов в составе грузовых поездов, включении в них вагонов сопровождения и др.).

Но вместе с тем использование типового автосцепного устройства СА-3 на пассажирских вагонах имеет и значительные недостатки из-за различий в условиях эксплуатации и меньшей жесткости рессорного комплекта тележек пассажирских вагонов, которая вызывает бóльшие относительные вертикальные перемещения. К этим недостаткам относятся:

интенсивные износы автосцепок по контуру зацепления, что обусловило необходимость создания и внедрения специальных технологий для упрочнения интенсивно изнашивающихся поверхностей;
возможность саморасцепов не исключена при самопроизвольном выключении предохранителя (при неблагоприятном сочетании вертикальных и горизонтальных продольных ускорений);
высокий уровень шума при движении поезда из-за постоянных ударов автосцепки о жесткую центрирующую балочку.

Кроме того, автосцепное устройство СА-3 имеет значительную массу, определяемую большим запасом по прочности, и требует оборудования вагонов буферами для ликвидации продольных зазоров.

Поэтому и поезда метрополитена, и скоростной электропоезд ЭР200 оборудованы автосцепкой Шарфенберга жесткого типа. Однако конструкция этой сцепки не позволяет увеличить ее прочность до значений, установленных для высокоскоростного подвижного состава, так как растягивающие усилия передаются через детали механизма сцепления. Поглощающий аппарат, входящий в комплект устройства, имеет малые рабочий ход и силу закрытия, что определяет его низкую энергоемкость, недостаточную для защиты вагонов при маневровых соударениях. Кроме того, механизм сцепления не позволяет полностью исключить продольные зазоры.

В связи с этим в процессе создания высокоскоростного поезда «Сокол» ВНИИТрансмаш и ВНИИЖТ разработали принципиально новое облегченное автосцепное устройство (рис. 1). Оно обеспечивает полную автоматическую выборку зазоров в контуре зацепления, не имеет зазоров в шарнирном узле и обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с типовым автосцепным устройством СА-3: улучшает продольную динамику поезда, не требует применения буферов для выборки продольных зазоров, значительно сокращает габариты и массу устройства, позволяет оснащать сцепку автосоединителем магистралей.

Рис. 1. Автосцепное устройство высокоскоростного электропоезда «Сокол»: 1 — съемный направляющий элемент; 2 — корпус; 3 — механизм сцепления (замок); 4 — поглощающий аппарат; 5 — блок аварийных амортизаторов; 6 — шарнирный узел со сферическим подшипником; 7 — эластичное центрирующее устройство; 8 — автосоединитель электрических магистралей; 9 — автосоединитель воздушных магистралей

Исследования работы нового автосцепного устройства показали, что оно полностью удовлетворяет предъявляемым требованиям и обеспечивает гашение продольных сил и ускорений, создавая необходимый комфорт пассажирам. Для сцепления с типовой автосцепкой СА-3 в нештатных ситуациях и при транспортировке одиночных вагонов в корпус вместо схемного направляющего элемента устанавливается переходник, имеющий очертания малого зуба с замком. В связис малой массой переходника (47 кг) его установка не требует использования какого-либо оборудования и инструментов.

Проведенные испытания и анализ параметров показали, что автосцепное устройство, разработанное для электропоезда «Сокол», может быть перспективным не только для высокоскоростного, но и для других видов специализированного пассажирского подвижного состава (экипажи которого не будут эксплуатироваться в одном поезде с вагонами эксплуатационного парка, оборудованными типовой автосцепкой СА-3). Поэтому различные организации, разрабатывающие новые пассажирские вагоны, выразили готовность использовать автосцепное устройство такого типа на создаваемом перспективном пассажирском подвижном составе. Вместе с тем непосредственно применить на нем автосцепное устройство поезда «Сокол» оказалось невозможным по следующим причинам:

нагрузки, на которые должно быть рассчитано автосцепное устройство, для различного подвижного состава (поезда локомотивной тяги, высокоскоростного поезда и моторвагонного подвижного состава) являются разными;
на пригородном подвижном составе тамбур нельзя использовать в качестве жертвенного элемента, так как в отличие от поезда «Сокол» тамбур является наиболее заполненной зоной кузова;
в условиях массового производства пассажирских вагонов разных модификаций экономически целесообразно конструкцию рамы вагона выполнять типовой, не зависящей от применяемого типа автосцепного устройства;
в условиях замены автосцепного устройства при капитально-восстановительном ремонте целесообразно в максимальной степени использовать не выработавшие свой ресурс узлы и детали устройства.

Таким образом, различные виды пассажирского подвижного состава, особенности его производства и эксплуатации, а также длина и база экипажей определили отличия в требованиях, предъявляемых к новому автосцепному устройству, и, следовательно, некоторые конструктивные различия.

В этих условиях главной задачей, стоявшей перед ВНИИЖТом как головным институтом отрасли, стало обеспечение максимально возможной унификации узлов и деталей всех разновидностей разрабатываемых вариантов устройства для облегчения их обслуживания, ремонта и эксплуатации, и в первую очередь — обязательной непосредственной сцепляемости автосцепок всех вариантов между собой.

С этой целью институт разработал отраслевой стандарт 32.193 – 2002 «Устройства сцепные беззазорные пассажирских поездов локомотивной тяги и моторвагонного подвижного состава железных дорог колеи 1520 мм». Задачей этого документа является унификация основных узлов уже на этапе разработки конструкторской документации. В нем указываются формы и размеры поверхностей, обеспечивающих взаимную сцепляемость и взаимозаменяемость, а также рекомендуемые значения размеров, которые при необходимости могут быть изменены без ухудшения сцепляемости.

Все устройства такого типа образовали новый класс устройств, предназначенных для соединения экипажей пассажирского подвижного состава в поезде, которые названы беззазорными сцепными устройствами (БСУ). В настоящее время на разных стадиях разработки находятся четыре варианта БСУ.

Вторым вариантом (после электропоезда «Сокол») стало автосцепное устройство вагона поезда постоянного формирования, разрабатываемого ОАО ПКБВ «Магистраль». В настоящее время его принято называть БСУ-2. Основными отличиями этого варианта от сцепки «Сокола» являются: исключение длинноходового аварийного амортизатора (что требовало наличия жертвенных зон на кузове); повышение прочности сцепки в соответствии с более высокими нормативными нагрузками; обеспечение доступа к обслуживанию и осмотру сцепки с боковых сторон вагона. Для достижения этой цели на корпусе автосцепки выполнены не один замок сверху, как на сцепке «Сокола», а два — с боковых сторон. Кроме обеспечения повышенной прочности, такое расположение замков в большей степени соответствует эксплуатационным требованиям в отношении того, что автосцепка должна расцепляться при воздействии с любой стороны вагона (на поезде «Сокол» автосцепка размещена внутри межвагонного пассажирского перехода замкнутого контура и расцепляется изнутри после откидывания переходного мостика). В дальнейшем такое расположение замков стало стандартным и регламентируется разрабатываемым ОСТ.

Для одновременного выведения двух замков из отверстий направляющего элемента смежной сцепки в процессе расцепления при воздействии с любой стороны вагона разработан специальный механизм.

Как у автосцепки поезда «Сокол», в этом варианте устройства поглощающий аппарат одной стороной жестко связан с корпусом сцепки, а другой — с крепежным элементом рамы вагона сферическим подшипником. Такая установка обеспечивает наименьшую массу автосцепного устройства, поскольку не требуется наличия переднего и заднего упоров, а также тягового хомута, чьи функции выполняет корпус поглощающего аппарата. Вследствие значительного (с 870 до 1445 мм) увеличения длины сцепки от оси поворота до плоскости сцепления повышается устойчивость вагонов от выжимания при движении поезда в кривых. Однако использование такого варианта автосцепного устройства, установочные размеры которого не соответствуют ГОСТ 3475 – 81, требует и создания новой конструкции рамы вагона. Так как разработка сцепки БСУ-2 и вагона конструкции ОАО ПКБВ «Магистраль» шла практически одновременно, то это условие было выполнено без дополнительных трудностей.

Автосцепное устройство БСУ-3 (рис. 2) разрабатывается для использования на вагонах (в первую очередь скоростных), изготавливаемых Тверским вагоностроительным заводом (ОАО «ТВЗ»). Отличительной особенностью этого автосцепного устройства является его установка в соответствии с ГОСТ 3475 – 81; при этом рама вагона может выполняться идентичной для всех вариантов автосцепного устройства, что является наиболее эффективным при массовом производстве пассажирских вагонов нескольких модификаций на ТВЗ. При необходимости это устройство может быть заменено на типовое автосцепное устройство СА-3 в условиях вагоностроительного или вагоноремонтного предприятия.

Рис. 2. Автосцепное устройство БСУ-3 для пассажирских вагонов локомотивной тяги (без направляющего элемента): 1 — корпус; 2 — механизм сцепления (замок); 3 — шарнирный узел с шаровой опорой; 4 — поглощающий аппарат; 5 — клин тягового хомута; 6 — эластичное центрирующее устройство; 7 — расцепной привод

Основные отличия этого варианта устройства состоят в следующем. Несмотря на то что соединение хвостовика автосцепки с тяговым хомутом осуществляется типовым клином, оно выполняет только крепежные функции, а поворот сцепки в горизонтальной и вертикальной плоскостях обеспечивается специальным шарниром в виде шаровой опоры. Такая конструкция шарнира определяется в первую очередь тем, что сферический подшипник, использованный в предыдущих вариантах сцепки, не обеспечивает требуемых углов поворота сцепки в вертикальной плоскости. Это объясняется значительным увеличением этих углов, возникающих при относительных вертикальных колебаниях смежных вагонов, вследствие уменьшения длины сцепки, измеряемой от оси шарнира (с 1445 до 780 мм).

В качестве поглощающего аппарата в конструкции БСУ-3 использован типовой поглощающий аппарат Р-5П (которым комплектуются все выпускаемые на ТВЗ вагоны). При этом требуется незначительная доработка его корпуса-хомута.

Последней конструкцией беззазорного сцепного устройства является БСУ-4, разработанное для использования на электропоездах, капитально ремонтируемых ЗАО «Спецремонт» с продлением срока службы.

Особенности конструкции этого устройства определяются следующими причинами. Действующие при движении электропоезда продольные силы имеют значительно более низкий уровень, чем при движении поезда локомотивной тяги. Вагоны электропоездов не используются ни для воинских перевозок, ни в качестве вагонов сопровождения, т. е. не должны быть рассчитаны на движение в составе грузового поезда. Кроме того, многие узлы и детали устройства полностью отвечают требованиям действующей «Инструкции по ремонту и обслуживанию автосцепного устройства (№ ЦВ – ВНИИЖТ – 494) и могут быть сохранены для дальнейшей эксплуатации. При этом требования к цене устройства для этого варианта становятся более жесткими, так как ее доля в стоимости ремонта больше, чем при строительстве нового вагона.

Разработанная конструкция, таким образом, имеет значительные отличия от БСУ-3. В связи с более низкими требованиями по прочности стало возможным основные элементы отливать не из высокопрочных сталей, а из низколегированных сталей по ГОСТ 22703 – 91, из которых отливается типовая автосцепка СА-3. Корпус механизма сцепления и хвостовик сцепки отливаются в виде отдельных деталей и скрепляются болтами, что упрощает и модельную оснастку, и технологию литья, соответственно снижая стоимость изделия.

При изготовлении БСУ-4 используются поглощающие аппараты Р-2П и ЦНИИ-Н6 с типовым тяговым хомутом. Такая схема предпочтительна в сравнении с поглощающим аппаратом Р-5П, корпус-хомут которого опирается о задний упор, и при действии сжимающих сил автосцепка перемещается относительно корпуса-хомута. Вторая схема менее удобна при беззазорной автосцепке, так как при исключении буферов необходимо ликвидировать продольные зазоры не только в контуре зацепления, но и в узле соединения автосцепки с тяговым хомутом и поглощающим аппаратом, поэтому должны быть использованы дополнительные упругие элементы. Конструкция и условия работы этих элементов при схеме с типовым тяговым хомутом значительно проще.

Применение поглощающих аппаратов с типовым тяговым хомутом (незначительно доработанным) позволило увеличить длину сцепки, измеряемую от оси шарнира, до 870 мм (как у автосцепки СА-3). Это повышает устойчивость вагонов от выжимания в кривых, однако требуемое при этом исключение клина тягового хомута несколько усложняет технологию постановки и снятия поглощающего аппарата с вагона.

Таким образом, в настоящее время близки к завершению разработки четырех вариантов автосцепного устройства принципиально новой беззазорной конструкции, позволяющей достичь значительных преимуществ по сравнению с типовой: два из них требуют новой конструкции рамы вагона, а два могут быть установлены на вагон с типовой рамой. Основные параметры указанных устройств, а также типового автосцепного устройства СА-3 представлены в таблице.

Показатели	Варианты и параметры беззазорных сцепных устройств и автосцепки СА-3
БСУ-1	БСУ-2	БСУ-3	БСУ-4	СА-3
Разработчик вагона, на котором планируется применение	ЦКБ МТ «Рубин» (для электропоезда «Сокол»)	ОАО ПКБВ «Магистраль»	ОАО «ТВЗ»	ЗАО «Спецремонт»	Типовое устройство
Масса вагонокомплекта устройства, кг
Расчетная нагрузка на сжатие/ растяжение, МН	–1,5/+1,0	–2,0/+1,5	–2,5/+2,0	–2,0/+1,5	–2,5/+2,0
Номинальная длина сцепки от оси шарнира до плоскости зацепления, мм
Установочные размеры	По КД на вагон	По КД на вагон	По ГОСТ 3475 – 81	По ГОСТ 3475 – 81	По ГОСТ 3475 – 81

Рассмотренные устройства содержат много новых (для этой области применения) конструкций узлов и деталей. Поэтому отработка предложенных конструкций и окончательный выбор лучшего варианта будут проводиться не только на основании стендовых и эксплуатационных испытаний, но и накопления опыта эксплуатации.

В настоящей статье рассмотрен лишь один класс автосцепок, который обеспечивает сцепление с типовой автосцепкой СА-3 только с помощью переходника. Поэтому вновь строящиеся пассажирские вагоны локомотивной тяги в обозримом будущем будут преимущественно оснащаться автосцепками СА-3 или сцепками, непосредственно сцепляемыми и взаимозаменяемыми с ней. Уже создана пассажирская автосцепка (ПАЖ) жесткого типа с новым механизмом сцепления, которая обладает значительными преимуществами перед типовой. Конструкция и размеры деталей механизма сцепления этой сцепки полностью соответствуют деталям новой грузовой сцепки полужесткого типа, названной СА-4, поэтому с целью сохранения преемственности обозначений этого класса сцепок рассматривается вопрос о смене названия пассажирской автосцепки жесткого типа на СА-5.

Наличие двух указанных классов автосцепных устройств должно в максимальной степени удовлетворять требованиям, предъявляемым к пассажирскому подвижному составу, не вызывая в то же время значительного усложнения эксплуатации и ремонта.

Американская автосцепка

Первая автосцепка была изобретена в США бывшим майором армии Конфедерации Эли Джаннеем (Eli H. Janney) и запатентована 29 апреля 1873 года. Но в таком виде автосцепка просуществовала недолго. Уже в 1887 году MCB (Master Car Builders Association) существенно изменила контур зацепления. В дальнейшем контур зацепления изменялся, с сохранением совместимости, в 1904, 1916 (принят тип "D"), 1918, 1930 (принят тип "E) (см. рисунок 4). Сейчас на ЖД США применяется автосцепка Дженнея стандарта AAR (Association of American Railroads) типов "F" и "H", принятые в 1946 и 1954 годах.

Что бы она нормально работала, необходимо предварительно разблокировать когти, поэтому эту сцепку и прозвали полуавтоматической. В 1892 году Конгресс принял законопроект, которым все ЖД США должны были ввести автосцепку Джаннея в обязательном порядке

В настоящее время на подвижном составе железных дорог США эксплуатируются главным образом стандартные автосцепки АРА типов Д и Е. Разрывное усилие автосцепки АРА типа Д составляет около 250 т, а типа Е около 275 т.

Эти автосцепки взаимосцепляемы, так как они имеют стандартный контур зацепления. Сцепление осуществляется при помощи подвижного когтя, соединённого валиком с корпусом автосцепки. В закрытом (сцепленном) положении коготь запирается замком.

Процесс сцепления автосцепок показан схематически в трёх положениях. В левой сцепке коготь 1 закрыт и заперт замком 2, размещённым между хвостовиком когтя и стенкой корпуса 3; в правой сцепке замок поднят вверх и опирается на хвостовик открытого когтя. При набегании вагонов друг на друга открытый коготь одной автосцепки ударяет своим хвостовиком 4 в переднюю поверхность закрытого когтя другой (положение /). В результате этого удара открытый коготь поворачивается вокруг своего валика 5 (положение 2). Когда этот коготь войдёт в зев встречной сцепки, он повернётся так, что замок потеряет опору на его хвостовик и опустится вниз. Таким образом коготь автоматически запирается в сцепленном положении (положение 3). Если оба когтя сцепляющихся сцепок открыты, то процесс сцепления менее надёжен, чем при одном открытом когте. Открытые когти могут заклинить друг друга и не повернуться; в этом случае возможна поломка. Если оба когтя закрыты, то сцепление сцепок невозможно.

При отклонении американских сцепок в поперечном направлении они центрируют друг друга и сцепляются в тех случаях, когда расстояние между осями не превышает величины захвата сцепления, равного 50 мм (при одном закрытом когте). Если же оба когтя открыты, то сцепление может произойти и в том случае, когда сцепки смещены относительно друг друга в сторону открытых когтей на расстояние до 90 мм.

Для расцепления автосцепок нужно поднять замок одной из них при помощи расцепного привода сбоку вагона. Освободившееся при этом пространство около хвостовика когтя позволит последнему повернуться при разведении вагонов, после чего коготь останется в открытом положении.

Американская сцепка состоит из корпуса 1, когтя 2, замка 3, верхнего подъёмника, состоящего из двух деталей 4 и 5, когтеот-крывателя 6 и валика когтя 7).