Трудно назвать что-либо более важное для техники, чем подшипник. Разве что колесо. Вот они и крутятся вместе со времен древне-египетской и древнеримской цивилизаций, решая главную задачу — снижение трения при движении. В развитии конструкций подшипника в разное время участвовали великие Леонардо да Винчи и Галилео Галилей, многие выдающиеся инженеры и ученые. Без качественных подшипников были бы невозможны современные двигатели, автомобили, сельскохозяйственные машины, железнодорожный транспорт, самолеты, бронетанковая техника, станки, да практически все машиностроение и даже космическая техника. Тем не менее бытует превратное представление о подшипнике как простейшем узле, легко доступном для изготовления. Это глубоко ошибочное представление. Современный подшипник требует разработки сталей и других конструкционных материалов с очень специальными свойствами, сложной термообработки, оптимальной внутренней геометрии контактирующих элементов, уникальных станков, быстро и с микронной точностью воспроизводящих эту геометрию токарными, шлифовальными и суперфинишными операциями, специальных покрытий, смазок и уплотнений, тончайших технологий и приборов контроля качества. Наличие сильной подшипниковой отрасли — надежный признак высокотехнологичного машиностроения.
Одним из наиболее сложных подшипниковых узлов, без которого было бы невозможно развитие скоростного железнодорожного пассажирского сообщения и грузовых перевозок повышенной грузоподъемности, является сегодня конический кассетный подшипник. Совсем недавно этот узел умели рассчитывать и производить всего несколько мировых лидеров отрасли. Шведская компания SKF — подшипниковая компания № 1 в мире, флагман подшипниковых инноваций (1907 г. основания); немецкая компания FAG (1883 г. основания), входящая в знаменитую промышленную группу Schaeffler; доминирующие на американском рынке компании Timken и Brenco. Кстати, именно основатель компании Timken, Генри Тимкен, зарегистрировал в 1898 г. патент на конический подшипник для колесных осей тогда еще конного транспорта, а годом позже основал компанию, выпускающую подшипники для тележек железнодорожного транспорта.
Сегодняшний кассетный подшипниковый узел — это закрытое устройство, собранное и заправленное смазкой на заводе-изготовителе, полностью готовое к монтажу и обеспечивающее от 800 тыс. до 1 млн км пробега без какого бы то ни было обслуживания.
Наружное кольцо двухрядного конического подшипника играет роль традиционного корпуса буксы, а нагружение передается от боковой рамы тележки через полимерную износостойкую вставку на адаптер, распределяющий нагрузку по наружному кольцу. Кассетный узел имеет меньшие габариты и заметно легче традиционного буксового узла, имея при этом большую несущую способность. В связи с более сложной конструкцией и технологией изготовления, сам подшипник значительно дороже двух классических цилиндрических подшипников, вставляемых в традиционный буксовый узел, однако это оправдывается в стоимости жизненного цикла отсутствием дорогостоящей и малонадежной системы деповских регламентных техобслуживаний с заменой масла и перебором тел качения.
На пороге нового тысячелетия, после США и Европы, и в Китае, активно осваивающем скоростные и сверхскоростные ЖД перевозки, появляется кассетный подшипник. Государственным стандартом китайского кассетного подшипника становится разработка TBU компании SKF, которая при поддержке Государства создает в Китае совместное предприятие. В России между ЕПК и компанией Brenco создается совместное предприятие, которое должно выпускать кассетные подшипники американской конструкции. Компания SKF в те же 2000-е решает построить в Твери завод по производству своих кассетных подшипников. Ищут свое место на огромном рынке «пространства 1520» (территория бывшего СССР с характерной для нее шириной колеи — 1520 мм) также и Timken, и FAG. В результате при всей былой мощи подшипниковой отрасли (в СССР было более 30 ГПЗ) на рынке колеи 1520 не оказалось производителя, готового на собственную разработку и производство кассетного подшипника с учетом специфики эксплуатации «пространства колеи 1520» (железнодорожных путей территории бывшего СССР).
Сегодняшний кассетный подшипниковый узел — это закрытое устройство, собранное и заправленное смазкой на заводе–изготовителе, полностью готовое к монтажу и обеспечивающее от 800 тыс. до 1 млн км пробега без какого бы то ни было обслуживания
Харьковский подшипниковый завод (ХАРП™), входящий в Индустриальную группу УПЭК, являлся в советское время главной экспериментальной площадкой освоения новых конструкций и технологий, разрабатывавшихся в основном во ВНИИПП — головном институте подшипниковой промышленности СССР. В Харькове были освоены подшипниковые стали с уникальными свойствами термообработки, передовые конструкции и технологии цилиндрических и шариковых подшипников. Однако к моменту выхода мировых «подшипниковых грандов» на рынок колеи 1520 с предложениями установки в грузовые и пассажирские вагоны закрытого конического подшипникового узла ни ХАРП, ни УКТБПП — головное подшипниковое КБ Украины, также входящее в Индустриальную группу УПЭК, — разработками кассетных подшипниковых узлов не располагали.
И вот в 2008 г. Совет Директоров ИГ УПЭК принимает решение о создании Центра исследований и разработок (Центра УПЭК), первой и главной задачей которого становится разработка энерго-эффективных кассетных подшипников повышенного ресурса для колеи 1520.
В своей деятельности R&D Центр УПЭК опирался на лучшие харьковские научные и инженерные школы в области машиностроения и оптимального проектирования. Основной акцент делался на математическое моделирование прочности и износа, трехмерную оптимизацию внутренней геометрии, моделирование базовых технологических процессов и создание мощных испытательных стендов для физического моделирования эксплуатационных условий. Для автоматизации процессов разработки и проектирования в 2009–2010 г. совместно с американской компанией РТС (одним из четырех мировых лидеров программных платформ поддержки инженерной деятельности) УПЭК реализовал крупнейший в Восточной Европе проект комплексной Сегодняшний кассетный подшипниковый узел — это закрытое устройство, собранное и заправленное смазкой на заводе–изготовителе, полностью готовое к монтажу и обеспечивающее от 800 тыс. до 1 млн км пробега без какого бы то ни было обслуживания автоматизации разработок. Конструкторы, расчетчики, технологи, менеджеры заводов, Инженерных Центров и КБ УПЭК получили передовые специализированные программные продукты, связанные с единой базой данных, корпоративными библиотеками и единой программой проектного менеджмента. Все это резко ускорило разработку. Была поставлена задача не просто спроектировать кассетный подшипник, а создать конструкцию, материалы и термообработки, которые будут оптимальны в составе новых вагонов и тележек, принимаемых к эксплуатации на колее 1520, и, главное, — с учетом специфики эксплуатационных условий. Для этого изначально моделировались динамика состава, деформации вагона и тележки и, как следствие, — условия нагружения подшипникового узла с учетом тяжелых особенностей эксплуатации на колее 1520.
Нелинейные математические модели метода конечных элементов, применявшиеся для анализа и оптимизации геометрии кассетного подшипникового узла, содержали рекордные на тот момент десятки миллионов степеней свободы.
Всякое преимущество имеет свою «оборотную сторону». Одно из ключевых достоинств кассетного подшипника — восьмилетний срок без замены смазки — тоже имеет свою оборотную сторону. В обычных буксовых подшипниках во время техобслуживания вместе со старой смазкой автоматически удалялись продукты износа. В закрытом подшипниковом узле износ необходимо практически исключить, ибо даже мельчайшие частички металла, постепенно накапливающиеся в смазке, начнут работать как абразив, ускоряя по экспоненте износ и выход подшипника из строя. Эту задачу помогли решить оптимальная трехмерная геометрия и совершенство рабочих поверхностей, минимизирующие контактные напряжения и интенсивность износа, оптимальное расположение волокон в кольцах и уникальная смазка, разработанная УПЭК в 2011 г. совместно с немецкой фирмой Klüber Lubrication — мировым лидером в области специальных смазок. Помимо рекордных показателей предотвращения износа, смазка Klueberplex-HARP обладает очень низким уровнем гидравлических потерь и работоспособностью в широком климатическом диапазоне от –60 до +50°С. Однако новая эффективная смазка включает добавки, которые, как оказалось, несовместимы с традиционными эластомерами, применяемыми для уплотнения кассетных подшипников. В 2012 г. совместно с немецкой компанией Freudenberg Sealing Technologies (Simrit) итальянской Corcos были найдены специальные эластомеры, химически нейтральные к смазке Klueberplex-HARP, а разработанная оригинальная конструкция кассетных уплотнений наилучшим образом сочетает эффективную герметизацию кассетного подшипника и низкие механические и гидравлические потери, а также работоспособность уплотнения в том же диапазоне температур.
Разработанная в R&D Центре УПЭК совместно с УКТБПП оригинальная конструкция стендов может моделировать условия эксплуатации подшипника на любом участке пути
Однако какими бы совершенными ни были теоретические и лабораторные разработки, в таком ответственном и инновационном изделии, как новый подшипниковый узел для подвижного состава, последнее слово всегда за ходовыми испытаниями на износ. Для этой цели в R&D Центре были созданы не имеющие аналогов автоматизированные испытательные стенды, моделирующие не только стандартные европейские, американские и гостовские методики испытаний, но и те самые особенности нагружения, которые характерны для верхнего строения пути и гибкой конструкции тележек колеи 1520, включая интенсивные динамические и осевые нагрузки, перекосы и т. д. Разработанная в R&D Центре УПЭК совместно с УКТБПП оригинальная конструкция стендов может моделировать условия эксплуатации подшипника на любом участке пути. Для изготовления автоматики этих стендов были привлечены немецкие компании Beckhoff и Bluemenbecker. При этом фирма Bluemenbecker выполнила разработку на базе классических гидравлических гружателей, а компания Beckhoff впервые в гражданской технике применила для нагружения свои уникальные сверхточные многотонные электродинамические актуаторы, ранее использовавшиеся только NASA. В 2013 г. стенды были сертифицированы для проведения испытаний всех видов железнодорожных подшипников.
В августе 2017 года на стендах Испытательного Центра УПЭК полностью успешным результатом завершились многомесячные ресурсные испытания кассетного подшипника TBU HARP 1520 (150 × 250) для инновационных вагонов повышенной грузоподъемности
С 2011 г. заводы Индустриальной группы УПЭК приступают к освоению производства кассетных подшипников. Сложная оптимальная геометрия колец и роликов, наряду с высокими требованиями к совершенству поверхности и производительности станков, ложится в основу требований к Техническим Заданиям на разработку специального шлифовального и суперфинишного оборудования мировыми лидерами станкостроения: итальянской Mechanika Nova (станки внутренней и наружной шлифовки одновременно нескольких поверхностей колец), а также немецким Modler (шлифование ролика) и Nagel (суперфиниш ролика). Совместно с чешскими фирмами Roboterm и Hydroma разработана современная энергоэффективная линия индукционного разогрева и штамповки колец подшипника с обеспечением оптимальной картины выхода волокон металла на дорожки качения. Были также освоены технологии и приобретено современное оборудование для твердого точения, суперфиниша колец и др.
И вот этот огромный путь одной из сложнейших комплексных разработок компании пройден — в августе 2017 г. на стендах Испытательного Центра УПЭК, аттестованных Национальным агентством по аккредитации Украины, целиком успешными результатами завершились многомесячные ресурсные испытания кассетного подшипника TBU HARP 1520 (150×250) для инновационных вагонов повышенной грузоподъемности. После полагающихся по методике сотен тысяч километров пробега на дорожках качения и рабочих бортах колец, рабочих по- верхностях роликов, включая выпуклые рабочие торцы, — вообще не обнаружено следов износа! На очереди — сертификационные испытания подшипниковых узлов других типоразмеров, в том числе TBU HARP 130×230, при разработке и освоении производства которых используются все те же конструктивные инновации и технологии, которые были отработаны и подтверждены испытаниями на кассетных узлах TBU HARP 150×250. В этом контексте необходимо упомянуть уникальную разработку УПЭК — энергоэффективный закрытый цилиндрический подшипниковый узел повышенного ресурса HARP Duplex, предназначенный для модернизации вагонов обычной грузоподъемности. Тысяча вагонов с подшипниковыми узлами HARP Duplex проходила поднадзорные эксплуатационные испытания в РЖД, результат которых — 2 млн км пробега без следов износа! При этом рабочая температура подшипникового узла HARP Duplex была на 20–25 °С ниже, чем конического подшипника всемирно известного производителя, что надежно свидетельствует о меньших потерях на трение и, как следствие, — высокой энергоэффективности с заметным выигрышем по тяге. Вместе с новой разработкой — плазменным упрочнением опорных поверхностей буксы — буксовый узел с подшипником HARP Duplex теперь надежно обеспечивает безремонтный пробег в 800 тыс. км (или восемь лет без обслуживания) и является оптимальным продуктом при модернизации вагонов обычной грузоподъемности.
Таким образом, украинская Индустриальная группа УПЭК уверенно вошла в «элитный мировой клуб» производителей кассетных подшипниковых узлов повышенного ресурса, уверенно продемонстрировав сочетание вековых инженерных традиций, собственных инновационных разработок с трансфером передовых европейских технологий.