АДАПТАЦИЯ КОМПРЕССОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ВАГОНОВ МЕТРО СЕРИИ 81-765

ADAPTATION OF COMPRESSOR EQUIPMENT FOR METRO CARS OF THE 81-765 SERIES

Polunin Alexander Sergeevich

Student, Department of Electric Trains and Locomotives, Russian University of Transport (MIIT),

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

В современных условиях разработано решение по замене импортного компрессора вагона метро на китайский аналог с модернизацией крепления из стали, обеспечивающее экономическую выгоду и импортозамещения. Расчёты подтвердили прочность конструкции и виброустойчивость, гарантируя надёжность конструкции. Решение формирует основу для создания отечественной системы пневмооборудования.

ABSTRACT

In modern conditions, a solution has been developed to replace the imported compressor of a subway car with a Chinese equivalent with the modernization of steel fasteners, providing economic benefits and import substitution. Calculations have confirmed the strength of the structure and vibration resistance, ensuring the reliability of the structure. The solution forms the basis for the creation of a domestic pneumatic equipment system.

Ключевые слова: метрополитен; пневматический компрессор; пружинное крепление.

Keywords: subway; pneumatic compressor; spring mount.

В условиях санкций проблема импортозависимости критически важного оборудования транспортной отрасли приобрела стратегический характер. Метрополитен — ключевой транспорт городской инфраструктуры, чья бесперебойная работа напрямую влияет на безопасность и экономическую стабильность. Вагоны метро серии 81-765/81-766/81-767 «Москва» в значительной степени комплектуются импортными компонентами, в частности пневматическими компрессорами Knorr-Bremse VV 120-T (рисунок 1), обеспечивающими генерацию сжатого воздуха для тормозной системы, управления дверями и т.д.

Рисунок 1. Общий вид компрессора: 1 - рама кузова; 2 - опора упругая; 3 - компрессор; 4 - электродвигатель; 5 - кожух вентилятора; 6 - охладитель; 7 – воздухоосушитель

Ограничения поставок привели к сокращению запасных частей, невозможности технического обслуживания и росту стоимости ремонта, что ставит под угрозу устойчивость эксплуатации парка вагонов.

Целью работы является разработка технико-экономического решения по замене импортного компрессора Knorr-Bremse VV 120-T на доступный аналог с учетом конструктивных, эксплуатационных и экономических поправок пружинного крепления из стали [1].

Компрессор VV 120-T производства Knorr-Bremse представляет собой безмасляный компрессорный агрегат с трехцилиндровой W-образной конструкцией в модульном исполнении с двухступенчатым сжатием воздуха. Основные технические характеристики: рабочая скорость вращения — 1445 об/мин, избыточное рабочее давление — 10 бар, мощность на валу — 6,0 кВт, масса — 186 кг [2]. Компрессор подвешивается на раме вагона с применением опор в виде пружинных элементов из стального троса. С 2022 года поставки оборудования и запасных частей от Knorr-Bremse AG в Россию были прекращены или существенно ограничены. Это привело к следующим последствиям: отсутствие запасных частей, ключевые компоненты не поставляются официально; ограниченность гарантийного и сервисного обслуживания; рост стоимости и логистические риски; угроза отказа подвижного состава при выходе компрессоров из строя.

В качестве альтернативы был выбран китайский компрессор NERAN CZ-20/30S, двухступенчатый с рабочим давлением 30 кг/см², имеющий один поршень с водяным охлаждением. Основные характеристики: производительность — 20 м³/ч, скорость — 1000 об/мин, номинальное давление — 3 МПа, мощность — 5,5 кВт, габариты — 900×500×680 мм,  масса — 230 кг [3].

Преимущества альтернативного компрессора: высокая степень унификации — габаритные и присоединительные размеры схожи с оригинальным; экономическая эффективность — стоимость на 30–40% ниже по сравнению с европейским аналогом; логистическая доступность — поставка возможна с доставкой в течение 3–4 недель; поддержка сервиса — техническое сопровождение, обучение персонала и ремонт.

Увеличение массы компрессора с 186 кг до 230 кг потребовало пересчета и верификации существующего пружинного крепления, состоящего из четырех опор на основе стального каната 6×37S-FC диаметром 18 мм. Для оценки надежности были проведены расчеты методом конечных элементов (рисунок 2) в среде SolidWorks Simulation для двух марок сталей — 60С2А (пружинная легированная) и 30Х13А (мартенситная коррозионно-стойкая). Сталь 60С2А — высококачественная легированная пружинная сталь, предназначенная для изготовления упругих элементов, работающих при повышенных динамических нагрузках. Параметры материала: модуль упругости — 205 ГПа, предел текучести — 1400 МПа, плотность — 7850 кг/м³.

Рисунок 2. Конечно элементная модель пружинного крепления

Сталь 30Х13А — высококачественная мартенситная коррозионно-стойкая сталь для изготовления ответственных деталей. Параметры материала: модуль упругости — 212 ГПа, предел текучести — 1320 МПа, плотность — 7750 кг/м³. Статический анализ показал (рисунок 3), что при нагрузке, соответствующей четверти массы компрессора CZ-20/30S (575 Н), максимальные напряжения в пружинном элементе из стали 60С2А составляют 20,37 МПа, что в 69 раз ниже предела текучести (1400 МПа). Для стали 30Х13А аналогичное значение напряжений — 21,04 МПа, коэффициент запаса прочности — 63. Перемещения при этом не превышают 0,015 мм, что подтверждает достаточную жесткость конструкции.

Рисунок 3. Частотный анализ пружинного крепления

Частотный анализ выявил, что собственные частоты для крепления из стали 60С2А находятся в диапазоне 131,8–133,0 Гц, тогда как для 30Х13А — 111,4–114,0 Гц. Более высокие значения у 60С2А обеспечивают повышенную виброустойчивость и меньший риск резонансных колебаний в процессе эксплуатации.

Термическая обработка является обязательным этапом изготовления пружинного крепления. Для стали 60С2А применяется закалка при 850–880 °C с охлаждением в масле и последующий отпуск при 450–480 °C. Такая обработка обеспечивает формирование структуры троостита отпуска с пределом упругости σ₀,₂ ≥ 1300 МПа.

Для стали 30Х13А закалку осуществляют при 1000–1030 °C с охлаждением в масле, отпуск проводят при 350–400 °C. В результате достигается предел упругости σ₀,₂ ≥ 1250–1350 МПа при сохранении коррозионной стойкости.

В условиях эксплуатации в метро (высокая влажность, соли от мойки под давлением) сталь 60С2А требует надежной антикоррозионной защиты. Наиболее рациональным решением является гальваническое цинкование толщиной 8–12 мкм с последующей дегидрогенизацией при 200 °C в течение 4 часов. Такое решение обеспечивает надежную анодную защиту, сохраняет упругие свойства пружины, гарантирует срок службы крепления не менее 5–7 лет при ежегодном техническом обслуживании.

Сравнительный анализ методов защиты показал, что горячее цинкование и хромирование снижают твердость стали 60С2А, фосфатирование и оксидирование недолговечны без полимерных слоев, а кадмирование запрещено в большинстве стран из-за токсичности.

Несмотря на более высокие эксплуатационные затраты, для пружинного крепления компрессора метро рекомендуется применять сталь 60С2А по следующим причинам: более высокая усталостная прочность (предел текучести 1400 МПа против 1320 МПа у 30Х13А); большой запас прочности (69-85 против 67-82); надежная анодная защита при локальных повреждениях покрытия; Низкая стоимость и простота производства.

Таким образом, комплексное решение, включающее замену компрессора на CZ-20/30S и использование пружинного крепления из стали 60С2А с гальваническим цинкованием, обеспечивает не только техническую совместимость, но и устойчивость поставок при сохранении требований безопасности и надежности метрополитена. Данное решение может стать основой для масштабной замены импортных компонентов на всей линейке вагонов 81-765.

Экономический эффект от внедрения решения составит до 30% по сравнению с закупкой оригинального оборудования.

Список литературы:

1. ГОСТ 14959-2016 «Металлопродукция из рессорно-пружинной нелегированной и легированной стали».
2. РУКОВОДСТВО ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ 7600.30.00.002 РЭ, вагоны метрополитена моделей 81-760 и 81-761 Утвержден 7600.30.00.002 РЭ – ЛУ.       
3. https://www.neran-compressors.com/CZ-20-30F-3-0Mpa-Direct Connection-Air-Compressor-pd554532758.html.