CC BY
157
Бул мацалада эр тYрлi факторлар эсер еткен физикалъщ сызыцтыц жэне схемаларын астындагы ^ern^miескере отырып, анизотропты органреттде темiрбетон цадамдыц жалпы деформациямоделШн цурылысын талцылайды. Кезец-кезецмен линеаризация эдс пайдаланылады. Бул жагдайда б1з ек mэсiлдeрдi царастырамыз. Тyрлi жазыц кещстжте есептеу ушт орташа цун, физикалыц царым-цатынастагы толыц meмiрбemон жуйеа алынган.
This article discusses the construction of incremental total deformation model of reinforced concrete as the anisotropic body, taking into account various factors that influence physical nonlinearity and cracking under various schemes. There was used the method of stepwise linearization. In this case we consider two approaches. There was obtained a complete system ofphysical relationships in the finite increments for the calculation of the various planar spatial reinforced concrete structures.
УДК 629.463
А. К. Каракаев1, Р. Ю. Зарипов2
'д.т.н., профессор, 2магистрант, Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар е-mail: [email protected]
КОМПОЗИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ В ГРУЗОВОМ ВАГОНОСТРОЕНИИ
В работе проведен анализ анизотропных материалов, выявлены их конструкционные свойства и проанализировано их применение в конструкции железнодорожных вагонов. В качестве объектов исследования были выбраны грузовой вагон-цистерна для светлых нефтепродуктов и вагон-хоппер для зерна.
Ключевые слова: вагон, цистерна, котел цистерны, намотка, стеклопластик, сталь, хоппер, загрузочный люк, формование.
ВВЕДЕНИЕ
Полимерные композиционные материалы (ПКМ) на протяжении 70 лет находят применение в различных областях техники, в том числе и в транспортном машиностроении. Отличаясь рядом выгодных свойств, они успешно конкурируют с традиционными сталями и цветными сплавами, а в некоторых отраслях промышленности являются практически незаменимым материалом. Эффект их использования столь высок, что в высокоразвитых в промышленном отношении странах существует устойчивая тенденция сокращения выпуска стали и увеличения производства полимерных материалов.
Диапазон применяемых в настоящее время композиционных материалов достаточно широк: стеклопластики, поликарбонаты, термопласты. По виду армирующего наполнителя композиты разделяют на:
- волокнистые (армирующий компонент - волокнистые структуры);
- слоистые;
- наполненные пластики (армирующий компонент - частицы);
- насыпные (гомогенные);
- скелетные (начальные структуры, наполненные связующим).
Основными достоинствами данных материалов являются:
- высокая стойкость к химическому воздействию перевозимых грузов и окружающей среды;
- удельная прочность, отнесенная к массе конструкции, близкая к характеристике стали;
- возможность получения детали сложной геометрии за одну технологическую операцию;
- возможность получения изделия, совместимого с химическими и пищевыми продуктами;
- сохранение механических характеристик в течение всего срока службы при воздействии повышенных и пониженных температур;
- отсутствие необходимости применения дорогих покрытий;
- легкость ремонта.
Перечисленные преимущества послужили основанием для поиска вариантов применения неметаллических материалов в грузовом вагоностроении даже с учетом их высокой стоимости. Эффективность использования подвижного состава напрямую зависит от материалоемкости конструкции, ее долговечности, стоимости производства и эксплуатационных расходов. При этом основные параметры грузовых вагонов (масса тары, грузоподъемность, долговечность и т.п.), изготавливаемых из традиционных материалов, практически не имеют резерва для дальнейшего их совершенствования.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Применение композиционных материалов в элементах кузова грузового вагона способствует увеличению коррозийной стойкости без использования дорогостоящего покрытия, что позволяет снизить частоту проведения ремонтов либо избежать их. Помимо этого, применение новых материалов обеспечивает снижение массы тары вагона.
Себестоимость типичной волокнистой полимерной композиции в среднем в 3 раза больше себестоимости стального листа, но при этом эффективность применения композиционного материала выше благодаря его прочностным характеристикам. При изготовлении деталей, к которым предъявляются повышенные требования по механическим свойствам, экономия достигается за счет снижения толщины и массы детали по сравнению с металлическим изделием. В ходе изготовления деталей сложной формы затраты на обработку и окраску могут быть значительно ниже по сравнению с производством аналогичных комплектующих из стального листа. Стоимость производства волокнистой полимерной композиции в значительной степени определяется расходами на необходимое технологическое оборудование, которое в свою очередь зависит от количества изготавливаемых изделий. На формование детали обычно затрачивается больше времени, чем на штамповку стального листа. Однако суммарная стоимость обработки металла включает в себя ряд дополнительных
операций. Так, вследствие исключения в ряде случаев работ по сборке и окраске композиционный материал может иметь ценовое преимущество. Кроме того, при изготовлении конструкций из металла применяются дорогостоящие и трудоемкие операции по сварке и зачистке, нехарактерные для неметаллических материалов.
Стоимость оснастки для формования волокнистой полимерной композиции составляет около 10 % стоимости оборудования для обработки стального листа. При выпуске партии изделий общая экономия может быть тем более существенной, чем выше стоимость единичного изделия. В связи с этим умеренные затраты на оборудование в случае применения волокнистой полимерной композиции позволяют рассматривать композиционный материал как наиболее экономичный для изготовления деталей кузовов.
Внедрение композиционных материалов на железнодорожном транспорте возможно только при поэтапном решении комплекса следующих задач:
- разработка технико-экономического обоснования применения нового материала в конструкции вагона;
- определение нового материала и его характеристик, выбор технологии изготовления;
- разработка конструкции узлов вагона с применением нового материала.
На сети железных дорог Казахстана эксплуатируется большое количество
разнотипных специализированных цистерн, предназначенных для перевозки разнообразных кислот, щелочей и других агрессивных химических продуктов, использующихся в народнохозяйственном комплексе страны и эксплуатируемых за рубежом.
Перевозимые грузы размещаются в котле, представляющем собой специфическую форму кузова. Универсальные цистерны подразделяются на цистерны для перевозки светлых (бензин, керосин, лигроин и т.п.) и темных (нефть, минеральные масла и т.п.) наливных грузов.
Среди многочисленных синтетических материалов (наполнителей, пластификаторов, смазочных веществ, красителей и др.) в данном случае выбран стеклопластик.
Сырьевым материалом для стеклопластиков является стеклянное волокно и изделия из него, а также полиэфирные, эпоксидные и другие смолы.
Прочность стеклянных волокон очень высока и превышает прочность натуральных и синтетических волокон
Стеклянные волокна плавятся, но не сгорают. Благодаря отсутствию клеточного строения, волокна не поглощают влагу так, как волокна органического происхождения, и не подвергаются гниению.
Стеклопластики на их основе обладают хорошими физико-механическими характеристиками. Недостатком полиэфирных смол является их горючесть и недостаточная теплостойкость.
Стеклопластики обладают высокой механической прочностью. Удельная прочность, т.е. прочность отнесенная к удельному весу материала, стеклотекстолита и анизотропных стекловолокнистых пластиков, не уступает, а иногда и превышает удельную прочность стали, дюралюминия и титана.
Недостатками стеклопластиков являются сравнительно небольшая жесткость и небольшое значение предела прочности при сжатии вдоль слоев.
Стеклопластики обладают высокой способностью поглощать энергию вибрации, превышающую таковую для металлов в 3-4 раза. Это качество выгодно отличает их от металлов.
Они хорошо противостоят действию ударных и динамических нагрузок и обладают большой демпфирующей способностью.
В вагоностроении наиболее целесообразным является применение стеклопластиков на основе эпоксидных смол, обладающих относительно небольшим объемным весом при высокой прочности. Они трудновоспламеняемы, негигроскопичны, не поддаются гниению.
Также отмечается высокая атмосфероустойчивость эпоксидных пластиков, что подтверждается эксплуатацией этих материалов в реальных условиях.
Применение стеклопластиков для изготовления котлов цистерн может существенно снизить эксплуатационные расходы за счет стойкости стеклопластиков к воздействию агрессивных грузов, более низкой теплопроводности по сравнению со сталью и достаточно высокой механической прочностью при значительно меньшей собственной массе. В свою очередь, экономия массы котла за счет использования в его конструкции стеклопластика может позволить увеличить полезную грузоподъемность каждой подвижной единицы на 35 %.
Необходимо также отметить, что котлы из стеклопластика вследствие высокой чистоты и гладкости, а также плохой смачиваемости внутренней поверхности стенок меньше загрязняются перевозимыми грузами [3].
Для производства таких цистерн необходимо выбрать метод изготовления стеклопластика. Целесообразным методом производства котла из стеклопластика является метод намотки.
Намотка - процесс изготовления высокопрочных армированных изделий, форма которых определяется вращением произвольных образующих. По способу совмещения различают «сухую» и «мокрую» намотку. В способе «мокрой» намотки смола наносится на армирующий волокнистый материал в процессе самой намотки. На рисунке 1 показана схема мокрой намотки.
В случае «мокрой» намотки требуется более низкое усилие при натяжении арматуры, что позволяет применять оборудование меньшей мощности и оправки меньшей жесткости. «Мокрая» намотка обеспечивает лучшую формуемость изделий, поэтому преимущественно применяется при изготовлении крупногабаритных оболочек сложной конфигурации и сосудов высокого давления.
ф Ъ п 2 1
Рисунок 1 - Схема «мокрой» намотки: 1 - шпулярник с армирующим волокном; 2 - пропиточная ванна со связующим; 3 - отжимные ролики;
4 - вращающаяся оправка
«Сухая» намотка основана на использовании препрегов. Она обеспечивает равномерное содержание связующего, задаваемого при изготовлении препрегов, и, следовательно, стабильность прочностных свойств изделий. Коэффициент трения
V-» А и
при «сухой» намотке практически в 2 раза выше, чем при «мокрой», что позволяет формировать более сложные формы этим способом. При использовании «сухого» метода повышается культура производства и увеличивается производительность. Однако при этом методе необходимо обеспечивать значительное натяжение арматуры.
Конструкции, намотанные по поверхностям вращения, могут быть получены в виде гладких цилиндров, труб или тюбингов диаметром от нескольких сантиметров до нескольких десятков сантиметров. Намоткой можно формовать также изделия сферической, конической и геодезической формы. По рисунку укладки арматуры существует несколько способов намотки [4, с. 5].
Для получения надежного сцепления стеклопластика со сталью и алюминием эти металлы предварительно покрывают травящей грунтовкой на основе фосфорной кислоты. Такие грунтовки выпускают фирмы «Крода» и «Пайрини». Через короткий промежуток времени эти грунтовки нужно смыть, иначе их воздействие на металл будет продолжаться даже под слоем смолы. Лучше всего использовать травящую грунтовку, которая сообщает материалу и антикоррозионные свойства.
Слоистый стеклопластик, изготовленный на основе полиэфирной смолы, эластичнее многих металлов: при сопоставимой прочности он эластичнее стали в двадцать раз и алюминия в шесть раз. (Не путайте прочность и жесткость: стальная проволока прочна, но эластична, скорлупа яйца жестка, но непрочна). Как правило, первоочередным является требование обеспечения жесткости, а не максимальной прочности. Однако не следует считать, что стеклопластик как материал похож на резину. Его эластичность близка к эластичности дерева, и он скорее напоминает упругую фанеру, чем мягкую, гибкую резину. Иными словами, стеклопластиковая конструкция обладает прочностью и толщиной металлической конструкции, а эластичностью деревянной, при этом по массе она ближе к конструкции из дерева, чем из металла
Стеклопластик можно сверлить, обрабатывать напильниками, распиливать, шлифовать и полировать, но он не поддается обработке ударами молотка; вырубка или вырезка деталей из него также вызывает трудности. Полученную однажды
исходную форму заготовки изменить невозможно, а смола, являющаяся составной частью материала, хрупка и склонна к выкрашиванию.
Стеклопластик можно обтачивать на токарном станке, но при этом не следует допускать его выкрашивания и перегрева. После распиловки, обточки, шлифовки или обработки шлифовальной шкуркой поверхность материала становится матовой, и отполировать ее невозможно, пока она снова не будет подрыта смолой. Механическая обработка не полностью отвержденной формованной конструкции затруднительна вследствие ее повышенной вязкости.
Стоит оценить экономическую эффективность данного производства. Любая попытка сопоставления стоимости материалов будет бессмысленной, если не учитывать стоимость формования. Дерево и сталь могут быть дешевле как исходные материалы, но для получения из них конструкции требуемой формы необходим большой объем обработки. Более высокая стоимость армированных пластиков полностью компенсируется исключительной простотой и легкостью изготовления из них конструкций и незначительным объемом производственных отходов. Прежде всего наблюдается значительный эффект от снижения объема капитальных затрат: капитальные вложения на создание производственной мощности, необходимой для выпуска 1 тонны стеклопластиков будет, по предварительным данным, примерно в 1,5 раза меньше, чем для 1 тонны стали.
Для изготовления малогабаритных элементов конструкции вагона хоппера -крышек загрузочных люков - был отобран наполненный полиуретан на основе термопластичного связующего. Применительно к проектированию крышки загрузочного люка на данном этапе выбор был сделан в пользу волнообразной формы подкрепляющих ребер, а в качестве технологии производства - вакуумная формовка листов на основе термопластичной матрицы с наполнителем (рисунок 2).
По результатам проведенных исследований в качестве окончательного варианта материалом для крышки был выбран наполненный поликарбонат. Его физико-механические характеристики обеспечивают выполнение обозначенных выше требований. По своей структуре он является нейтральным к пищевым и другим типам грузов и не выделяет вредных веществ.
Рисунок 2 - Крышка люка вагона-хоппера
Изготовление малогабаритных элементов конструкции выполняется на вакуум-формовочной машине (ВФМ). Сам процесс формования (рисунок 3) включает в себя несколько этапов:
- установка и уплотнение полимерного листа на ложементе ВФМ;
- нагрев листа до высокоэластического состояния;
- предварительное пневмоформование (выдувка купола);
- подъем формы, вакуумное формование.
Рисунок 3 - Схема процесса термовакуумного формования: 1 - нагревательный элемент; 2 - ложемент ВФМ ; 3 - листовой полимерный материал; 4 - листовой полимерный материал; 5 - отформованное изделие; 6 - уплотнение ложемента ВФМ
Стол с формой поднимается в верхнее положение, под раздутый купол, где кромка стола прижимается к уплотнителю на нижней части ложемента (к уплотнителю на верхней части ложемента прижат лист полимера, который вместе с драпирующим столом образует герметичную формовочную камеру). Из формовочной камеры выкачивается воздух - производится вакуумирование. В результате под действием разности давлений между атмосферным воздухом и давлением в формовочной камере разогретая заготовка принимает контуры формы, находящейся на драпирующем столе; охлаждение изделия; подготовка и съем готового изделия.
В качестве материала для изготовления крупногабаритного элемента - крыши вагона-хоппера - был выбран стеклонаполненный ПКМ на основе термореактивного связующего с трехслойной структурой композита (внешние слои из стеклопластика на основе термореактивного связующего и пенного наполнителя внутри), содержащей подкрепляющие металлические закладные элементы.
При производстве крыши используется технология напыления и ручной выкладки. которая путем изменения ориентации слоев армирующего материала, типа и свойств пенного наполнителя, параметров технологии позволяет варьировать в широком диапазоне параметры структуры материала.
В результате работы получена подробная схема структуры композиционного материала и элементов конструкции в целом (количество, тип и требуемые свойства слоев стеклопластика, параметры и требуемые свойства пенного заполнителя, схемы расположения закладных элементов.
Крыша должна иметь цельнонесущую конструкцию и дополнительно жестко связывать стенки кузова вагона. Помимо этого, необходимо обеспечивать выполнение требований безопасности при перевозке пищевых грузов. Требуемые
прочностные показатели конструкции соблюдены благодаря применению композита с сэндвич-структурой, пенным наполнителем и закладной металлической рамой [3].
Технология изготовления крупногабаритных элементов конструкции заключается в размещении на оснастке слоеформирующего материала с последующей их ручной пропиткой термореакгивным связующим или же в механизированном смешивании и напылении рубленого стекловолокна и связующего.
При напылении ровинг армирующего материала рубится на отрезки и смешивается со смолой и отвердителем в специальном смесителе (пистолете). Нанесенный на оснастку материал также отверждается при комнатной температуре и атмосферном давлении.
Технологии ручной выкладки и напыления позволяют в процессе формования размещать внутри изделия закладные элементы (металлические каркасы, вспененные материалы, крепежные детали и т.п.) из различных материалов, необходимых для усиления и последующей сборки конструкции, установки дополнительных элементов облицовки кузова вагона-хоппера.
Также была выполнена разработка моделей изделий с помощью программных систем трехмерного моделирования. Их использование позволяет рассматривать множество вариантов исполнения конструкции при относительно малых трудозатратах.
На первой стадии осуществлен синтез конструкции с целью получения исходной геометрии, обладающей определенными свойствами (например, теоретический контур изделия, присоединительные размеры и т.д.). Исходными данными в этом случае выступили технические требования к изделию.
На второй стадии выполнялось моделирование первоначальной версии конструкции методом конечных элементов. На рисунке 4 представлено изображение деформированного состояния одного из вариантов исполнения разрабатываемой крышки при действии эксплуатационной нагрузки.
Рисунок 4 - Напряженно-деформированное состояние крышки люка
Для крышки загрузочного люка на данном этапе откорректированы радиусы скруглений, углы наклона вертикальных поверхностей, толщина. Исходя из технологичности производства, выбран процент наполнения матриц. Для крыши вагона-хоппера внесены уточнения геометрических параметров сэндвич-структуры.
46
ВЫВОДЫ
Проведенное исследование подтвердило целесообразность использования композиционных материалов в конструкции грузового вагона.
Дальнейшее исследование на предмет использования композиционных материалов возможно применительно к следующим элементам конструкции грузовых вагонов:
- крыша крытого вагона;
- съемные устройства вагона-платформы для защиты грузов от атмосферных осадков:
- сдвижные двери крытого вагона;
- поручни, подножки, переходные площадки, лестницы;
- крышки разгрузочных люков;
- покрытие кузова для защиты от воздействия солей и абразивного износа.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Лукин, В. В., Шадур, Л. А., Хохлов, А. А., Анисимов, П. С. Конструирование и расчет вагонов /; Под ред. В. В. Лукина. - М. : УМК МПС России, 2000. - 731 с.
2 Шадур, Л. А., Казанский, Г. А., Спиваковский, А. Л., Девятков, В. Ф.
Вагоны: Учебник для вузов ж.-д. трансп. /; Под ред. Л. А. Шадура. - 3-е изд., перераб. и доп. - М. : Транспорт, 1980. - 439 с.
3 Стеклопластики: информационный портал. [Электронный ресурс] - Режим доступа. - URL: http://www.stroimsamolet.ru/057.php, 2013 - 24 с.
4 Статьи: информационный портал. [Электронный ресурс] - Режим доступа. - URL: http://www.ref.by/refs/93, 2006. - 51 с.
Материал поступил в редакцию 11.05.16.
А. К. Царацаев, Р. Ю. Зарипов
ЖYк вагонын ^растырудагы композиттж материалдар
С. ТораЙFыров атындаFы Павлодар мемлекетлк университет^ Павлодар к.
Материал 11.05.16 баспаFа тусть
A. K. Karakayev, R. U. Zaripov
Composite materials in cargo wagon building
S. Toraighyrov Pavlodar State University, Pavlodar.
Material received on 11.05.16.
Жумыста анизотропты материалдареа зерттеу жYргiзiлген, олардыц темiржол вагон курылымдарында крлданылуы талданып, к^рылымдъщ кflсиеттерi аныцталды. Зерттеу жумысыныц нысаны реттде ашыц тyстi мунай вшмдерте цистерна вагоны, ал астыц ушт хоппер вагоны тацдалып алынды.
In the work the anisotropic materials are analyzed, their structural properties are revealed and their use in the construction of railway cars is examined. The objects of the research were a freight car — tank car for light oil products and a hopper car for grain.
