Aluminium alloy wagon axle box: experience of development, production and operational tests (1958–1993) and modern prospects

Introduction. Solutions to car weight-bearing capacity problems currently tend to benefit from the properties of aluminium alloys. Aluminium alloy wagon units are about three times lighter than steel ones, which helps to carry more freight with the same number of cars while maintaining the specified axle load. The Ural Wagon Factory was the first to use aluminium as a structural material for the manufacture of axle box mount in the 1950s.

Materials and methods. This paper reviews the research on the production of wagon wheel pair axle boxes from aluminium alloys in Russia and abroad. It examines the manufacturing techniques of the aluminium axle box and the results of bench and operational tests.

Results. The analysis of production technologies of aluminium alloy axle boxes and the results of operational tests of the pilot batch of axle boxes revealed the advantages and disadvantages of this design and led to the conclusions about its feasibility.

Discussion and conclusion. The authors propose to resume the use of aluminium alloys in wagon axle boxes considering modern operating conditions. Confirmation of its technical and economic efficiency requires a set of bench and operational tests with the use of modern diagnostic tools.

1. Аль-Шумари А.С., Котенко О.В. Влияние веса и скорости грузовых поездов на провозную способность однопутных линий большой грузонапряженности // Известия Петербургского университета путей сообщения. 2011. №1(26). С. 27–35 [Al-Shumary A.S., Kotenko O.V. Influence of freight train weight and speed on carrying capacity of single-track lines having great traffic density. Proceedings of Petersburg Transport University. 2011;(1):27-35. (In Russ.)]. EDN: https://www.elibrary.ru/ntzcaf.

2. Бороненко Ю.П., Орлова А.М. Тележки с повышенной осевой нагрузкой // Железнодорожный транспорт. 2008. №10. С. 50–54 [Boronenko Yu.P., Orlova A.M. Increased axial load bogies. Zheleznodorozhnyy transport. 2008;(10):50-54. (In Russ.)]. EDN: https://www.elibrary.ru/julgjt.

3. Подшипники качения: cправ.-каталог / под ред. В.Н. Нарышкина, Р.В. Коросташевского. М.: Машиностроение, 1984. 280 с. [Naryshkin V.N., Korostashevskiy R.V. (eds.) Roller bearings: a reference catalogue. Moscow: Mashinostroenie Publ.; 1984. 280 с. (In Russ.)].

4. Савчук О.М. Влияние упругости корпуса буксы на работу подшипников // Динамика механических систем. Киев: Наукова думка, 1983. С. 139–149 [Savchuk O.M. Influence of axle housing elasticity on bearing performance. In: Dynamics of mechanical systems. Kiev: Naukova Dumka Publ.; 1983. p. 139–149. (In Russ.)].

5. Фавстов Ю.К., Шульга Ю.Н. Сплавы с высокими демпфирующими свойствами. М.: Металлургия, 1973. 255 с. [Favstov Yu.K., Shulga Yu.N. Alloys with high damping properties. Moscow: Metallurgiya Publ.; 1973. 255 p. (In Russ.)].

6. Цюренко В.Н., Петров В.А. Надежность роликовых подшипников в буксах вагонов. М.: Транспорт, 1982. 96 с. [Tsyurenko V.N., Petrov V.A. Reliability of roller bearings in carriage axleboxes. Moscow: Transport Publ.; 1982. 96 p. (In Russ.)].

7. Абашкин В.В. Результаты контрольных испытаний работоспособности роликовых подшипников в буксах с упругими элементами // Повышение надежности и долговечности роликовых подшипников в буксах вагонов. М.: Транспорт, 1978. С. 102–112. (Труды ЦНИИ МПС; вып. 583) [Abashkin V.V. Results of verification tests of roller bearings in axleboxes with elastic elements. In: Increasing roller bearing reliability and durability in car axleboxes. Moscow: Transport Publ.; 1978. p. 102–112. (Proceedings of TsNII MPS; Issue 583). (In Russ.)].

8. Детали роликового буксового узла из алюминиевого сплава / В.В. Новиков [и др.] // Вопросы оптимизации деталей тележек и организации обслуживания вагонов: межвуз. сб. науч. тр. / Днепропетровский ин-т инженеров ж.-д. транспорта. Днепропетровск: ДИИТ, 1985. С. 11–15 [Novikov V.V., Tsyurenko V. N., Solodukho O.A., Dvukhglavov V.A., Zhakovskiy A. D. Aluminium alloy roller axlebox parts. In: Questions of bogie parts optimisation and car maintenance organisation: interuniversity collection of scientific articles. Dnepropetrovsk: Dnepropetrovsk Institute of Railway Engineers; 1985. p. 11–15. (In Russ.)].

9. Исследование прочности направляющих челюстей алюминиевых корпусов букс грузовых вагонов / В.В. Новиков [и др.] // Вестник Всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (Вестник ВНИИЖТ). 1994. №2. С. 19–21 [Novikov V.V., Shotashvili Ya.M., Solov'ev A.I., Bakhmutov V.F. Study of the strength of jaw guides of aluminium axleboxes of freight cars. Russian Railway Science Journal. 1994;(2):19-21. (In Russ.)].

10. Sun X., Han X., Dong C., Li X. Applications of Aluminum Alloys in Rail Transportation. In: Dobrzański L. A. (ed.) Advanced Aluminum Composites and Alloys. London: Intechopen; 2021. Vol. 9. 284 p. http://doi.org/10.5772/intechopen.96442.

11. Речкалов А.И. Опыт использования алюминиевых сплавов в зарубежном вагоностроении // Железнодорожный транспорт за рубежом. Серия II: Подвижной состав. Локомотивное и вагонное хозяйство. 1980. Вып. 6. С. 12–20 [Rechkalov A.I. Experience in the use of aluminium alloys in foreign railcar construction. Zheleznodorozhnyy transport za rubezhom. Seriya II: Podvizhnoy sostav. Lokomotivnoye i vagonnoye khozyaystvo. 1980;(6):12-20. (In Russ.)].

12. Веденкин С.Г. Алюминиевые сплавы для подвижного состава. М.: Трансжелдориздат, 1962. 44 с. [Vedenkin S.G. Rolling stock aluminium alloys. Moscow: Transzheldorizdat Publ.; 1962. 44 p. (In Russ.)].

13. Прессованные трубы из алюминиевых сплавов для деталей роликового буксового узла / В.В. Новиков [и др.] // Вопросы оптимизации деталей тележек и организации обслуживания вагонов: межвуз. сб. науч. тр. / Днепропетровский ин-т инженеров ж.-д. транспорта. Днепропетровск: ДИИТ, 1985. С. 7–11 [Novikov V.V., Tkachuk Z.G., Semin N.A., Shishmentsev V.I. Extruded aluminium alloy tubes for roller axlebox components. In: Questions of bogie parts optimisation and car maintenance organisation: interuniversity collection of scientific articles. Dnepropetrovsk: Dnepropetrovsk Institute of Railway Engineers; 1985. p. 7–11. (In Russ.)].

14. Корпус роликовых букс грузовых вагонов из алюминиевых сплавов / Н. А. Буше [и др.] // Пути совершенствования конструкций буксовых узлов вагонов с подшипниками качения. М.: Транспорт, 1982. С. 98–102. (Труды ВНИИЖТ; вып. 654) [Bushe N.A., Tsyurenko V. N., Novikov V. V., Savchuk O. M. Aluminium alloy roller axle housings for freight cars. In: Ways to improve car roller bearing axlebox design. Moscow: Transport Publ.; 1982. p. 98–102. (Proceedings of the Railway Research Institute; Issue 654). (In Russ.)].

15. Авдеев В.К. Влияние вибрации на процессы трения и износа сопряженных пар // Трение, износ и смазочные материалы: тр. междунар. научн. конф., Ташкент, 22–26 мая 1985 г. Ташкент: ТашПИ, 1985. Т. IV. С. 18–19 [Avdeev V.K. Influence of vibration on friction and wear of mating pairs. In: Friction, wear and lubricants: proceedings of the international scientific conference, 22–26 May 1985, Tashkent. Tashkent: TashPI; 1985. Vol. IV. p. 18–19. (In Russ.)].

16. Корпус буксы из алюминиевого сплава / Н.А. Буше [и др.] // Железнодорожный транспорт. 1981. №10. С. 53–55 [Bushe N.A., Savchuk O. M., Novikov V. V., Churin V. G., Frenkel V. Ya. Aluminium alloy axle housing. Zheleznodorozhnyy transport. 1981;(10):53-55. (In Russ.)].

17. Слушкин И. В. Разработка рациональных конструкций корпусов букс подвижного состава на роликовых подшипниках. М.: Трансжелдориздат, 1961. С. 110–136. (Труды ВНИИЖТ; вып. 221) [Slushkin I.V. Rational design of rolling stock roller bearing axle housings. Moscow: Transzheldorizdat Publ.; 1961. p. 110–136. (Proceedings of the Railway Research Institute; Issue 221). (In Russ.)].

18. Буше Н.А. Некоторые соображения о технической политике в области эксплуатационной надежности // Железные дороги мира. 2006. №7. С. 27–30 [Bushe N.A. Some considerations on technical operational reliability policies. Zheleznyye dorogi mira. 2006;(7):27-30. (In Russ.)].

19. Новиков В.В., Шоташвили Я. М., Соловьев А. И. Совершенствование корпуса буксы из алюминиевого сплава // Вопросы совершенствования конструкции и технического содержания вагонов: межвуз. сб. науч. тр. / Днепропетровский ин-т инженеров ж.-д. транспорта. Днепропетровск: ДИИТ, 1991. С. 13–20 [Novikov V.V., Shotashvili Ya.M., Solov'ev A.I. Improving aluminium alloy axle housing. In: Issues of improvement of carriage design and maintenance: interuniversity collection of scientific articles. Dnepropetrovsk: Dnepropetrovsk Institute of Railway Engineers; 1991. p. 13–20. (In Russ.)].

20. Савчук О.М., Пастернак Н.А., Жаковский А.Д. Сравнительные стендовые испытания корпусов роликовых букс // Совершенствование конструкции и обслуживания вагонов: межвуз. сб. науч. тр. / Днепропетровский ин-т инженеров ж.-д. транспорта. Днепропетровск: ДИИТ, 1989. С. 12–18 [Savchuk O.M., Pasternak N.A., Zhakovskiy A.D. Comparative bench testing of roller axle housings. In: Improving carriage design and maintenance: interuniversity collection of scientific articles. Dnepropetrovsk: Dnepropetrovsk Institute of Railway Engineers; 1989. p. 12–18. (In Russ.)].

21. Буше Н.А., Копытько В.В. Причины овализации внутренней поверхности алюминиевых корпусов букс // Вопросы оптимизации деталей тележек и организации обслуживания вагонов: межвуз. сб. науч. тр. / Днепропетровский ин-т инженеров ж.-д. транспорта. Днепропетровск: ДИИТ, 1985. С. 3–6 [Bushe N.A., Kopytko V. V. Causes of ovalisation of the inner surface of aluminium axle housings. In: Questions of bogie parts optimisation and car maintenance organisation: interuniversity collection of scientific articles. Dnepropetrovsk: Dnepropetrovsk Institute of Railway Engineers; 1985. p. 3–6. (In Russ.)].

22. Костеева Т.Н. Работоспособность подшипников в буксах грузовых вагонов с нагрузкой от оси на рельсы 250 кН // Пути совершенствования конструкций буксовых узлов вагонов с подшипниками качения. М.: Транспорт, 1982. С. 26–31 (Труды ВНИИЖТ; вып. 654) [Kosteeva T.N. Bearing serviceability in freight car axleboxes with axle-to-rail load of 250 kN. In: Ways to improve car roller bearing axlebox design. Moscow: Transport Publ.; 1982. p. 26–31. (Proceedings of the Railway Research Institute; Issue 654). (In Russ.)].

23. Результаты статических испытаний роликовой буксы грузового вагона с корпусом из алюминиевого сплава / Ю. Д. Мельниченко [и др.] // Вопросы совершенствования тормозов подвижного состава в условиях Сибири и Дальнего Востока: межвуз. сб. науч. тр. / Хабаровский ин-т инженеров ж.-д. транспорта. Хабаровск: ХабИИЖТ, 1985. С. 48–53 [Mel'nichenko Yu.D., Shmyrov Yu.A., Khusidov V.D., Chebanenko V.I. Results of static tests of aluminium alloy roller axlebox of a freight car. In: Questions of improvement of rolling stock brakes in Siberia and the Far East: interuniversity collection of scientific articles. Khabarovsk: KhabIIZhT; 1985. p. 48–53. (In Russ.)].

24. Стендовые испытания нагруженности подшипников в новых конструкциях алюминиевых корпусов букс грузовых вагонов / Н.А. Аверин [и др.] // Вестник Всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (Вестник ВНИИЖТ). 1992. №7. С. 37–41 [Averin N.A., Novikov V. V., Larionov N. V., Kamyshin A. N. Bench tests of bearing loading in new designs of aluminium axle housings of freight cars. Russian Railway Science Journal. 1992;(7):37-41. (In Russ.)].

25. Гриц Д.Б. Повышение ресурса консольно расположенных роликовых подшипников: дис. ... канд. техн. наук: 05.02.02. Омск, 2022. 206 с. [Grits D.B. Improving the life of cantilevered roller bearings. Cand. Sci. (Eng.) thesis: 05.02.02. Omsk; 2022. 206 p. (In Russ.)].

26. Кудрявцев Н.Н. Динамические нагрузки ходовых частей грузовых вагонов. М.: Транспорт, 1977. 143 с. (Труды ВНИИЖТ; вып. 572) [Kudryavtsev N.N. Dynamic loads of freight car undercarriages. Moscow: Transport Publ.; 1977. 143 p. (Proceedings of the Railway Research Institute; Issue 572). (In Russ.)].

27. Морчиладзе И. Г., Соколов А. М. Совершенствование и модернизация буксовых узлов грузовых вагонов // Железные дороги мира. 2006. №10. С. 59–64 [Morchiladze I.G., Sokolov A.M. Improving and upgrading freight car axleboxes. Zheleznyye dorogi mira. 2006;(10):59-64. (In Russ.)].

28. Влияние динамической нагруженности и дефектов роликов буксового подшипника на безопасность движения грузовых вагонов в эксплуатации / И.И. Галиев [и др.] // Известия Транссиба. 2013. №4 (16). С. 102–110 [Galiev I.I., Nikolaev V.A., Sergeev B.B., Samohvalov E.A., Loucks D.Yu. The influence of dynamic loading and defects roller bearing axle-box on safety of movement of freight cars in operation. Journal of Transsib Railway Studies. 2013;(4):102-110. (In Russ.)]. EDN: https://www.elibrary.ru/rsywkn.

29. Иванов С.Г., Новиков В.В., Аверин Н.А. Исследование нагруженности подшипников в алюминиевом и типовом стальном корпусах букс грузового вагона // Вестник Всесоюзного научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (Вестник ВНИИЖТ). 1988. №7. С. 46–48 [Ivanov S.G., Novikov V.V., Averin N.A. Study of bearing loading in aluminium and standard steel axle housings of freight cars. Russian Railway Science Journal. 1988;(7):46-48. (In Russ.)].

30. Исследования распределения нагрузки на ролики подшипника в корпусе буксы из алюминиевого сплава / В. К. Бурякин [и др.] // Повышение надежности узлов вагонов / Днепропетровский ин-т инженеров ж.-д. транспорта. Днепропетровск: ДИИТ, 1971. С. 19–28. (Труды ДИИТ; вып. 133) [Buryakin V.K., Korosteev I.M., Novikov V.V., Reutskiy N.P. Study of load distribution on bearing rollers in an aluminium alloy axle housing. Dnepropetrovsk: Dnepropetrovsk Institute of Railway Engineers; 1971. p. 19–28. (Proceedings of the Dnepropetrovsk Institute of Railway Engineers; Issue 133). (In Russ.)].

31. Писаренко Г.С. Рассеяние энергии при механических колебаниях. Киев: АН УССР, 1962. 436 с. [Pisarenko G.S. Energy dissipation in mechanical oscillations. Kiev: AN USSR; 1962. 436 p. (In Russ.)].

32. Опыт эксплуатации роликовых буксовых узлов с корпусами из алюминиевого сплава / В.В. Копытько [и др.] // Вестник Всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (Вестник ВНИИЖТ). 1992. №5. С. 45–47 [Kopytko V.V., Ivanov S.G., Savchuk O.M., Pasternak N.A., Zhakovskiy A.D. Operating experience of roller axlebox units with aluminium alloy housings. Russian Railway Science Journal. 1992;(5):45-47. (In Russ.)].