Конструктивные особенности несущих кузовов локомотивов (на примере ТЭП70 и ТЭ109)

Повышение секционной мощности и скоростей движения современных локомотивов неизбежно ведет к увеличению массы устанавливаемых агрегатов. Однако нагрузка на ось при этом не должна возрастать, что делает актуальной задачу снижения веса самих несущих конструкций. Наиболее металлоемкими элементами являются главная рама и кузов, на долю которых приходится до 15–20% общей массы локомотива. Применение несущих кузовов позволяет решить эту проблему, снижая суммарную массу металлоконструкций рамы и кузова не менее чем на 20% по сравнению с традиционными схемами. В зависимости от компоновки и массы размещаемого оборудования хребтовые балки могут располагаться как по всей длине кузова, так и только на его концевых участках.

На пассажирских тепловозах серий ТЭП60, ТЭП70 и ТЭП75 были применены кузова с несущими раскосными фермами. В таких конструкциях основную нагрузку воспринимает решетчатый каркас, а наружная обшивка стен, толщина которой составляет всего 1,5–2 мм, принимает на себя лишь незначительную долю усилий. Иной подход реализован на тепловозах ТЭ10 и ТЭ109, где главным несущим элементом является сама обшивка (оболочка) боковых стен толщиной 2–2,5 мм, подкрепленная каркасом в виде прямоугольной решетки, образующей безраскосную ферму.

При равной металлоемкости безраскосные кузова обладают большей несущей способностью и несколько меньшей массой по сравнению с раскосными. Тем не менее, раскосные кузова остаются более простыми и технологичными в изготовлении. Дальнейшим развитием идеи облегчения конструкции является использование трехслойных оболочек типа "сэндвич", где два тонких внешних слоя из высокопрочного материала соединены легким заполнителем. Такая структура обеспечивает высокую жесткость, устойчивость и надежность при малой массе, а также выполняет функции шумо- и термоизоляции. В современных проектах, таких как тепловозы ТЭ109, ТЭП60 и ТЭП70, в общую несущую систему все чаще включают элементы крыши и даже топливные баки.

Конструкция ферменно-раскосного кузова тепловоза ТЭП70. Несущий ферменно-раскосный кузов тепловоза ТЭП70 со съемной крышей блочного типа (рис. 2.2.3, а) представляет собой усовершенствованную версию конструкции, хорошо зарекомендовавшей себя на тепловозе ТЭП60. Конструктивно кузов разделен на пять основных частей: раму 1, топливный бак 2, боковые стенки 3 с обшивкой, блоки крыши 5 и кабины машиниста 4. Рама кузова выполненa по охватывающему типу и образована двумя продольными балками коробчатого сечения, двумя лобовыми поперечными балками для установки сцепных приборов и четырьмя поперечными шкворневыми балками.

Рис. 2.2.3. Кузова тепловозов: а — ТЭП70; б — ТЭ109

В силовую схему рамы интегрированы топливный бак и каналы централизованной системы воздухоснабжения. Концевые секции рамы спроектированы для восприятия продольных сжимающих и растягивающих усилий; в них монтируются автосцепки СА-3 с поглощающими аппаратами пассажирского типа ЦНИИ-Н6. Средняя секция рамы служит основанием для установки дизель-генератора и включает в себя вварной топливный бак с нишами для аккумуляторных батарей, а также два канала воздуховода для охлаждения электрических машин. Промежуточные секции с поперечными шкворневыми балками передают вес кузова на тележки и воспринимают силу тяги.

Боковые стенки имеют каркас раскосного типа из гнутых тонкостенных профилей, к которому заклепками крепится обшивка из дуралюмина Д16А толщиной 3 мм. Раскосы в угловых зонах соединяют нижний силовой пояс рамы с верхним поясом боковых стен, что обеспечивает оптимальное распределение нагрузок и повышает жесткость лобовой части кабины. Крыша, используемая для размещения вспомогательного оборудования, состоит из пяти съемных секций над машинным отделением и двух — над кабинами. Важной особенностью ТЭП70 является применение низколегированной стали 09Г2 для рамы и каркаса, а также использование алюминиевых сплавов для слабонагруженных и некоторых силовых узлов.

Конструкция безраскосного кузова тепловоза ТЭ109. В отличие от раскосной схемы, несущий безраскосный кузов тепловоза (рис. 2.2.3, б) представляет собой единую пространственную систему, в которой боковые стенки, рама, кабины, топливный бак и несъемные секции крыши работают совместно, участвуя в передаче всех видов нагрузок. Главная рама охватывающего типа сварена из двух продольных балок замкнутого профиля сечением 320x210x5 мм, усиленных шкворневыми балками и поперечными креплениями. Топливный бак также включен в силовую схему.

Боковые стенки образованы тонкостенным набором продольных и вертикальных элементов, обшитых снаружи стальным гофрированным листом толщиной 2 мм. Гофры позволяют значительно повысить жесткость панелей без существенного увеличения массы. Крыша над холодильной и высоковольтной камерами, а также над дизель-генератором выполнена съемной для обеспечения монтажа и ремонта оборудования.

Отличительной чертой кузова ТЭ109 является широкое применение легких материалов. Для изготовления поперечных диафрагм, дверей, съемных секций крыши и других слабонагруженных элементов использованы алюминиево-магниевые сплавы АМг-5 и АМг-6, а также различные пластмассы. Такое решение позволило дополнительно снизить массу конструкции при сохранении ее высокой прочности и жесткости, что является ключевым фактором для повышения эффективности магистральных грузовых тепловозов.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Анисимов П.С., Винокуров В.А., Воробьев В. И., и др.

Источник: Подвижной состав железных дорог

Данные публикации будут полезны студентам железнодорожных специальностей (эксплуатация железных дорог, подвижной состав), начинающим специалистам в области локомотивостроения и эксплуатации тягового подвижного состава, а также всем, кто интересуется устройством, классификацией и современными тенденциями развития железнодорожной техники.