В первой из двух статей о конструкции железнодорожных букс мы расскажем об истории этого ключевого узла подвижного состава. Как компания с долгой традицией конструктивных разработок для букс, SKF всегда уделяла внимание экологическим моментам, а именно – сбережению энергии и смазочного материала.

Cамого начала применения на железной дороге буксовые подшипниковые узлы экономили энергию и смазку. Сегодня бóльшая часть железнодорожного подвижного состава оборудуется передовыми конструкциями на основе буксовых подшипников или подшипниковых узлов колёсных пар, корпусов букс и встроенных датчиков. Теперь SKF поставляет на железнодорожный рынок дополнительные решения – мониторинг состояния и пакеты услуг, включая организацию технического обслуживания, переоборудование и обучение персонала.

Основной конструкционный замысел железнодорожных колёс оставался неизменным за всю историю железных дорог. Узел из двух колёс и оси обычно называют колёсной парой, которая вращается на так называемых буксовых подшипниках. Подшипники размещаются в буксах или оснащаются специальными адаптерами, связанными напрямую или через пружины рессорного подвешивания с ходовой частью, в большинстве случаев представляющую собой тележку. Букса – это один из главных узлов, определяющих безопасность железнодорожного подвижного состава.

При помощи трибологии – науки о трении, смазывании и износе – инженеры и учёные многое узнали о взаимодействии поверхностей при взаимном перемещении. Примеры использования трибологии можно найти и в области транспорта. Первые попытки конструирования колёс и букс для железнодорожных нужд прошли путь от первых антифрикционных подшипников для букс до развития новейших высокосложных буксовых подшипниковых узлов и сложных наборов конструкторских решений для подшипников, уплотнений, систем смазки, мехатроники (например, датчиков эксплуатационных параметров или рабочих характеристик) и полного набора техобслуживания.

Первые железные дороги

Один из ранних примеров энергосбережения – конно-железная дорога Линц (Австрия) – Будейовице (Чехия), построенная, в основном, для перевозки соли, которая тогда стоила очень дорого. Линия длиной в 130 км открылась в 1832 г. В то время это было самое длинное железнодорожное сообщение в мире. На рис. 1 видно, что рельсовая система могла выдерживать нагрузку, превышающую нагрузку на дорожный транспорт в 8–10 раз.

Существует несколько ранних патентов, но доказательств их практического применения нет. Одним из первых документированных случаев применения букс с подшипниками качения были трёхосные пассажирские вагоны, выпущенные в 1903 г. Вагоны были оснащены буксами, каждая из которых несла два радиальных шарикоподшипника (рис. 2а). Тяговое усилие для двухвагонной сцепки общим весом 33,15 тонны составило 4,4 кН с подшипниками скольжения, и только 0,62 кН с шарикоподшипниками, то есть оказалось меньше на 86% (рис. 2b). Подшипники и буксы были сделаны компанией Deutsche Waffen- und Munitionsfabriken A.G. (DWF)в Берлине, Германия. Позже компания стала частью Vereinigte Kugellagerfabriken (VKF), которую впоследствии купила SKF.

Дальнейшие испытания проводились в США в 1905 г. профессором Грэмом из Сиракузского университета в Нью-Йорке. Он исследовал энергопотребление в сравнительном полевом испытании двух поездов, один был оснащён подшипниками скольжения, а другой – подшипниками качения (рис. 3a). Потребление энергии на пути следования поезда с подшипниками скольжения составило 6,45 кВт, сравнительно с 3,10 кВт для поезда с подшипниками качения. Экономия энергии составила 52% (рис. 3b). В 1907 г. оператор компании Syracuse Rapid Transit сообщил филадельфийской компании – производителю подшипников Standard Roller Bearing (SRB) – что после 4,5 лет эксплуатации и пробега около 400 000 км у подшипников качения не было признаков износа. Годовая экономия угля для производства необходимой электроэнергии на вагон составила 260 долларов, что соответствовало 390 г золота. Компания Standard Roller Bearing позже стала частью корпорации Marlin Rockwell (MRC). SKF купила MRC в 1986 г.

Скорость стала сутью железной дороги с момента появления первого паровоза в 1804 г. SKF всегда активно разрабатывала конструкции, отвечающие жёстким требованиям создателей и операторов высокоскоростных поездов – развивала, конструировала и испытывала подшипники колёсных пар (рис. 4а и 4b). К 1930 г. поезда в Европе и Северной Америке уже достигли крейсерской скорости 130 км/ч при максимальной скорости 160 км/ч. Сегодня высокоскоростным железнодорожным транспортом по некоторым европейским стандартам считается подвижной состав, развивающий максимальную скорость более 200 км/ч.