CC BY
225
УДК 629.463
К. Б. Бектуров1, Р. Ю. Зарипов2, А. Медведев3, Д. Каербеков4
'преподаватель, 2магистрант, 3,4студенты, Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В ГРУЗОВОМ ВАГОНОСТРОЕНИИ
В работе проведен анализ применения композиционных материалов в конструкции железнодорожных вагонов основных стран-производителей железнодорожной техники, выявлены их конструкционные свойства, достоинства и недостатки. Выделены программы и тенденции в вагоностроительных производствах США, Японии, странах Европейского союза и Республики Казахстан. Определены основные направления по созданию вагонов нового поколения с применением композитных материалов.
Ключевые слова: конструкция вагона, композиционные материалы, наполнитель, углеродные нанотрубки, энергопоглощающие конструкции, волокнистая полимерная композиция.
ВВЕДЕНИЕ
В стратегии развития железнодорожного транспорта перед разработчиками и производителями железнодорожной техники поставлены следующие основные задачи:
- создание подвижного состава нового поколения отвечающего общим техническим требованиям и не уступающих по качеству передовым технологиям;
- увеличение нагрузки на ось;
- увеличение скорости движения;
- снижение веса тары грузового вагона.
Решение вышеуказанных задач невозможно без применения в конструкциях железнодорожного транспорта композиционных материалов.
На железных дорогах все большую значимость придают уменьшению массы, сокращению расходов в расчете на весь срок службы, повышению сопротивляемости разрушению при столкновении. Для изготовления конструкций из металла требуются дорогостоящее сырье и трудоемкие операции, такие как сварка и зачистка. Композиционные материалы позволяют устранить эти неудобства. Кроме того, отсутствие коррозии увеличивает срок службы композитных конструкций. Композиционные материалы позволяют получать изделия сложной формы, соответствующей аэродинамическим расчетам, со значительно более низкими затратами. Еще важнее то, что за счет применения композиционных материалов можно облегчить подвижной состав почти на 50 %. Это приводит к снижению потребления энергии в эксплуатации - фактор, в свете проводимой политики защиты окружающей среды имеющий особое значение. С точки зрения безопасности в последнее время большое внимание уделяют созданию систем контролируемого поглощения энергии соударения при столкновениях [1].
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
В настоящее время наблюдается рост производства композиционных материалов, проникновение их в самые различные области техники, успешное вытеснение ими многих традиционных материалов: металлов, керамики, стекла, древесины и так называемых не наполненных полимеров.
Композиционные материалы - многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, металлической, углеродной, керамической или другой основы (матрицы), армированной наполнителями из волокон, нитевидных кристаллов, тонкодисперсных частиц и др. Путем подбора состава и свойств наполнителя и матрицы, их соотношения, ориентации наполнителя можно получить материалы с требуемым сочетанием эксплуатационных и технологических свойств. Армирующие наполнители воспринимают основную долю нагрузки композиционных материалов. В таблице 1 приведены различные полимерные волокна и их механические свойства.
Основными достоинствами полимерных композиционных материалов по сравнению с традиционными материалами являются:
- стойкость против гниения, нагрева, коррозии;
- высокая удельная прочность и жесткость;
- не требуются дорогие отделочные материалы;
- легкость ремонта;
- более дешевые, чем для металлов, пресс-формы.
Основными недостатками полимерных композиционных материалов по сравнению с традиционными материалами являются:
- более дорогие конструкции, чем из традиционных материалов, но обычно дешевле при учете общих затрат [2].
Таблица 1 - Механические свойства различных волокон
Марка Плотность, р-10-2, кг/м3 Модуль упругости, Е Средняя прочность на базе 10 мм, of Предельная формация е£ %
ГПа
Стекловолокна
ВМ-1 2,58 95 4,20 4,8
Кислотостойкое №7 - А 2,56 74 2,00 3,6
М-стекло 2,89 110 3,50 3,2
S-994 2,49 87 4,80 5,4
Органические арамидные волокна
ВНИИВЛОН 1,43 110-130 2,1-2,6 3-5
Терлон 1,45 130-160 3,3-3,6 2,7-3,5
Кевлар 1,45 60 2,7 4,5
Углеродные волокна
Кулон 1,9 400-600 2,0 0,4
Элур 1,6 150 2,0 1,3
Торнел-300 1,77 238 3,15 1,3
Модмор-1 2,0 400-500 1,7-2,5 0,5
Борные волокна
AVCO 2,58 400 2,52 0,6
Toshiba 2,5 363-368 3,74 1,0
B/W 2,5 394 2,59-3,5 0,75-0,9
Наиболее известными и распространенными представителями композиционных материалов применяемых в машиностроении в том числе на железнодорожном транспорте являются волокнистые полимерные композиционные материалы (угле-, стекло-, органопластики). Также на данный момент появились предпосылки для внедрения в конструкции транспорта различного назначения полимерных композиционных материалов на основе углеродных нанотрубок. Углеродные нанотрубки имеют высокую прочность и эластичность и способны выдерживать большие напряжения, не разрушаясь.
Исторически сложилось так, что большую часть исследований и разработок по вопросу широкомасштабного внедрения композиционных материалов на железнодорожном транспорте ведутся в Европе, Японии и Северной Америке. Данному вопросу посвящены специальные целевые программы.
Примером целевой программы внедрения композиционных материалов в Европе, является программа HYCOTRANS.
Участники программы шесть стран - члены Европейского союза: Великобритания, Германия, Испания, Португалия, Греция и Италия.
Цель программы - отработка технологий создания надежных и обеспечивающих безопасность гибридных композитных конструкций для транспортных средств.
По мнению специалистов она отражает потребность железнодорожной отрасли в легких и в то же время эффективно поглощающих энергию соударения перспективных материалах, которые могли бы заменить металл и найти применение на грузовом и пассажирском подвижном составе, удовлетворяя следующим требованиям:
- разрушение конструкции должно происходить предсказуемым образом в режиме пластической деформации с поглощением большого количества энергии при заранее определенном значении приложенного усилия;
- величина этого усилия должна зависеть от места нахождения конструкции;
- желательно использовать в конструкциях относительно недорогие композиционные материалы.
В соответствии с программой HYCOTRANS предполагается:
- создать поглощающие энергию конструкции с использованием широкого спектра композиционных материалов;
- разработать типовую методику определения свойств конструкций без применения дорогостоящих полномасштабных испытаний;
- разработать обеспечивающую возможность прогнозирования методику проектирования энергопоглощающих конструкций из новых композиционных материалов.
Ожидают, что в ходе выполнения программы удастся получить в качестве конечного результата, с одной стороны, прототип композитной конструкции, защищающей от разрушения, и, с другой стороны, процедуру испытаний на уменьшенной модели, позволяющую определить свойства полномасштабной конструкции.
В состав участников программы HYCOTRANS входят также две компании, которые, как полагают, воплотят результаты исследований в своей продукции: итальянская Costamasnaga по производству подвижного состава и испанская Irizar по производству автобусов. Они станут первыми демонстраторами и пользователями технологий, полученных в случае успешного завершения проекта.
В качестве конечного результата планируют изготовить полномасштабный вагон с установленным на обычные тележки композитным кузовом, который будет подвергнут ударным испытаниям на опытном пути.
Координатором работ назначен Центр перспективных железнодорожных исследований (ARRC) в Шеффилде, Великобритания. Специалистам ARRC известны существующие предубеждения, согласно которым легкие материалы дают слабую защиту. Из-за этого большинство специалистов железных дорог Европы традиционно не рассматривали возможность применения других материалов, кроме металлов, и отстали от быстро развивающихся технологий, связанных с композиционными материалами. В качестве противоположного примера приводят решимость железных дорог Республики Корея, где была проявлена соответствующая инициатива и, как ожидают, в близком будущем должен появиться высокоскоростной поезд из вагонов с кузовами из композиционных материалов [4].
Железнодорожная промышленность Японии в качестве способа уменьшения массы конструкций подвижного состава рассматривает применение композитов на основе пластика, армированного стекловолокном.
По мнению специалистов ARRC, основные преимущества композиционных материалов по сравнению со сталью и алюминием, например при изготовлении кузовов вагонов из многослойных панелей, лежат в сфере экономики и безопасности.
Для железных дорог США из композиционных материалов в основном изготавливают следующие детали и узлы:
- фрикционные планки, вкладыши подпятников, элементы настила пола, где требуются длительный срок службы и износостойкость. Традиционным поставщиком продукции такого рода является фирма Zeftek, но в последнее время на рынок выходят новые, такие как Holland (фрикционные планки и изолирующие втулки), Brenco (сепараторы подшипников, фрикционные кольца) и TransTech Products (лобовые стекла);
- более крупные детали: раздвижные и распашные двери, внутренние перегородки, где факторами выбора материала являются уменьшение массы и повышение сопротивляемости повреждениям. Высокопрочные композиционные материалы применяются также для изготовления торцевых дверей вагонов для перевозки автомобилей, а также панелей крыш и боковых стенок. Здесь лидирующие позиции занимает фирма Prime Composites, известна также продукция фирм Railcar Specialities и Youngstown Steel Door.
Грузовые железные дороги США пока не рассматривали композиционные материалы в качестве основных конструкционных для вагонов, за исключением Burlington Northern (BN), которая еще до слияния с Santa Fe имела опыт совместной работы с компаниями Trinity Industries (отделение Railcar) и DuPont-Hardcore по созданию двух типов облегченных изотермических вагонов большой вместимости. По мнению разработчиков, такие вагоны могли бы способствовать возвращению железных дорог на рынок перевозок скоропортящихся грузов, который был практически потерян из-за недостаточно интенсивной замены и модернизации стареющего парка вагонов-рефрижераторов с механическим охлаждением и изотермических вагонов.
Здесь есть перспективы для развития, так как Trinity получила первый заказ на вагоны-рефрижераторы с кузовами из композиционных материалов. За этими вагонами могут вскоре последовать вагоны других типов, такие как крытые вагоны-хопперы. В этом случае понадобится сотрудничество многих причастных сторон: железных дорог, вагоностроителей, поставщиков сырья, проектировщиков. В отличие от вагонов-рефрижераторов, для которых нужны главным образом плоские композитные панели, для изготовления крытых хопперов потребуются конструкции на базе стекловолокна, полученные методом намотки, т. е. по гораздо более передовой технологии, чем использованная при постройке двух вагонов типа Glasshopper, поставленных много лет назад фирмой ACF Industries дороге Southern Pacific и компании Cargill.
Условия контрактов и совместной работы не разглашаются, но ясно, что основной упор делается на снижение стоимости изготовления и, соответственно, цены нового подвижного состава. Следовательно, необходимо найти такое сочетание материалов и технологии, чтобы обеспечить приемлемую себестоимость, снижение эксплуатационных расходов в расчете на весь срок службы и отсюда привлекательность для потенциальных покупателей. Важны, естественно, такие факторы, как уменьшение собственной массы конструкции вагонов, увеличение вместимости и грузоподъемности, улучшение теплоизолирующих и иных эксплуатационных характеристик.
Помимо Burlington Northern заказчиком компании Trinity стала железная дорога Union Pacific (UP) - 50 вагонов с возможным увеличением заказа. Вагоны для UP будут построены на заводе в Нью-Касле, штат Делавэр, совладельцами которого являются Trinity и Hardcore. По мере выполнения заказа и ввода вагонов в эксплуатацию с их достоинствами и недостатками смогут ознакомиться другие возможные покупатели. Для обоснованного суждения о целесообразности покупки
необходимо накопить опыт эксплуатации парка численностью по меньшей мере в сотни вагонов, но если к этому мероприятию присоединятся еще несколько железных дорог и компаний-грузоотправителей, такая цифра вполне достижима.
Кроме вагонов-рефрижераторов, Trinity изучает вопрос применения композиционных материалов в подвижном составе других типов. Планировали использовать новые материалы в вагонах типа Power-Flo, а также выпустить 150 крытых вагонов с композитными крышами; такие вагоны считаются почти идеальными для перевозки бумаги.
Рассматривали также состояние рынка вагонов-хопперов, используемых, в частности, в перевозках зерна. В пересчете на вагонные отправки зерно занимает третье место среди грузов, перевозимых железными дорогами США. Полагают, что большая часть зерна и впредь будет отправляться по железным дорогам. В то же время вагонный парк стареет, и в дальнейшем необходимость в его замене будет ощущаться все острее. Но при предложении вагонов для обновления парка следует обеспечить соответствие цены экономической выгоде (эксплуатационной, маркетинговой, а также чисто финансовой), которую можно получить от использования вагонов с композитными кузовами. Важно продемонстрировать достоинства новых вагонов уже на опытных образцах, иначе отношение к ним будет изначально критическим.
В последнее время активность железных дорог в продвижении действительно новаторских технических решений снизилась. С этим столкнулись фирмы Standard Car Truck и Lockheed Martin, когда они предложили нескольким железным дорогам организовать партнерские взаимоотношения, в рамках которых дороги купили бы и испытали тележки совершенно новой конструкции для грузовых вагонов. Шкворневую балку и боковины таких тележек предполагали изготовить из высокопрочного композиционного материала, что позволило бы при сохранении структурной целостности конструкции значительно уменьшить ее массу. Но такая тележка будет гораздо дороже имеющихся в настоящее время на рынке усовершенствованных тележек фирм ASF, Buckeye Steel Castings и той же Standard Car Truck. Разработчики новой тележки предлагали сотрудничество всем крупным дорогам, делая акцент на ее эксплуатационных и экономических достоинствах. Поэтому создание композитной тележки не продвинулось до сих пор.
Лучше обстоит дело с менее революционным проектом дверей из композиционного материала, которые поставляются разными фирмами и проходили испытания в разных условиях эксплуатации на нескольких железных дорогах. Стоимость композитной двери, раздвижной или распашной, может превышать стоимость обычной в 2 раза, но материал, из которого она изготовлена, обладает свойством восстанавливать форму после деформации, и, значит, в случае повреждения двери нет необходимости отставлять вагон от эксплуатации, как это приходится делать для замены металлических дверей, которые не восстанавливают форму после повреждения, например, вилочным подъемником. Прогноз расходов в расчете на весь срок службы показывает, что стоимость двух замен обычных металлических дверей компенсирует более высокую стоимость композитной двери.
Тот факт, что обычную дверь из-за повреждений приходится менять 1-2 раза в год, стал для одной из железных дорог серьезным аргументом для размещения заказа на 1000 композитных раздвижных дверей в ходе модернизации эксплуатируемых грузовых вагонов.
В Казахстане на данный момент использование композиционных материалов в железнодорожном транспорте ограничилось применением в панелях внутреннего интерьера пассажирских вагонов, кабинах управления локомотивами, при восстановлении ресурса некоторых узлов (например боковых рам тележек), тормозных колодках, вкладышах устанавливаемых между стыковой накладкой и шейкой рельса межрельсового стыкового электроизолирующего соединения, вкладыше опорного скользуна надрессорной балки тележки грузового вагона, упругих элементах связи колесных пар и боковых рам. В перспективе есть предложения применения композиционных материалов на основе углеродных нанотрубок в: втулке тормозной рычажной передачи и износостойкой планке фрикционного клина; крышке буксы железнодорожных вагонов, накладки тормозных колодок, прокладке, сухарях; вкладыше и упорной шайбе, установленных на поворотной оси; опоре скольжения для транспортировки рельс; скользящих подкладках (башмаки) и фиксирующих блоках, используемые и при транспортировке сломанных локомотивов; подрельсовых электроизолирующих прокладках повышенной износостойкости для шпал, имеющих ресурс в семь-десять раз больше резиновых, замена в полтора раза дешевле и экономичнее, срок гарантии - более 10 лет; облицовке и футеровке внутренней поверхности контейнеров-цистерн, вагон-цистерн, хоппер-дозаторов, полувагонов для сыпучих грузов.
Учитывая вышеизложенное в перспективе применение композиционных материалов возможно практически в любом узле грузовых вагонов любого типа, основная проблема в данном случае сокращение расходов в расчете на весь срок службы.
Расширению масштабов применения композиционных материалов за счет привлечения новых покупателей могут способствовать аргументированные доводы, основанные на доказательствах экономической эффективности.
Например, компания Brenco, отмечая эксплуатационные достоинства полиамидных сепараторов, используемых в подшипниках типа Generation 2000, указывала на значительную экономию, достигнутую благодаря применению композитных фрикционных колец, которые в течение года проходили испытания в вагонах маршрутного угольного поезда. Назначением фрикционного кольца является устранение кольцевого износа шейки оси с заранее выполненной канавкой при плохой фиксации подшипника и предотвращение последующих ее повреждений. Раньше канавки восстанавливались методом гальванической металлизации, что обходилось примерно в 200 долларов на ось. Использование композитных фрикционных колец позволит избавиться от этих расходов.
Экономическая эффективность нового подвижного состава повышается по мере увеличения объема продукции и численности эксплуатируемого парка. Однако высокая цена опытных образцов пока не способствует росту объема
заказов. Железные дороги (и не только они), оценивая возможность возврата конкурентоспособности на транспортном рынке, сопоставляют потенциальные выгоды с требуемыми затратами. В то время как рынок обычных грузовых вагонов сформировался и позиции железных дорог в перевозках массовых грузов стабильны, в перевозках скоропортящихся грузов конкуренция автомобильного транспорта еще более остра, и за результат здесь ручаться нельзя, даже несмотря на положительные результаты испытаний вагонов-рефрижераторов, построенных Trinity для компании Coors, интерес к которым проявили Tropicana и другие компании, производящие продукты питания.
По мнению сторонников композиционных материалов, одни железные дороги используют возможности, предоставляемые композитными конструкциями кузовов и другими деталями вагонов, а другие по-прежнему обращают внимание только на цену композиционных материалов в сравнении с металлами [5].
Себестоимость типичной волокнистой полимерной композиции, как правило, в 3 раза выше себестоимости стального листа, поэтому при обосновании выбора композиционного материала необходимо учитывать иные возможные преимущества. Например, при использовании деталей, к которым предъявляются повышенные требования по механическим свойствам, возможна экономия за счет толщины и массы детали. Для деталей сложной формы затраты на отделку в сравнении с деталями из стального листа могут быть значительно меньшими [6].
Стоимость производства волокнистой полимерной композиции определяется расходами на необходимое технологическое оборудование, которые в свою очередь зависят от числа изготавливаемых деталей. На формование детали из волокнистой полимерной композиции обычно затрачивается больше времени, чем на штамповку стального листа, однако суммарная стоимость обработки включает в себя некоторые дополнительные факторы. Например, вследствие исключения в ряде случаев операций сборки и окраски композиционный материал может быть более экономичным.
Стоимость оснастки для формования волокнистой полимерной композиции составляет около 10 % стоимости оборудования для формования металлического листа. Из этих соображений при выпуске партии изделий общая экономия может быть тем более существенной, чем выше стоимость единицы изделия. В связи с этим умеренные затраты на оборудование в случае применения волокнистой полимерной композиции позволяют рассматривать композиционный материал как наиболее экономичный для получения деталей кузовов. Одновременное решение задач стоящих перед разработчиками и производителями изделий для железнодорожного транспорта невозможно без эффективного совместного использования традиционных и перспективных композиционных материалов; без развития многофункциональных конструкций, способных одновременно выдерживать все многообразие механических нагрузок и воздействие окружающей среды. Во многих случаях это потребует новой для данной отрасли технологии применяемые ранее для аэрокосмической отрасли [8].
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 Бондалетова, Л. И., Бондалетов, В. Г. Полимерные композитные материалы. - Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2013.
- С. 57-84.
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. - С. 96-141.
3 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. - С. 31-43.
4 Шоршоров, М. Х. Волокнистые композитные материалы с металлической матрицей. - М. : Машиностроение, 1981. - С. 81-97.
5 Мэттьюз, Ф., Роллингс, Р. Композитные материалы. Механика и технология
- М. : Техносфера, 2004. - С. 54-76.
6 Каракаев, А. К., Зарипов, Р. Ю. Композитные материалы в грузовом вагоностроении // Наука и техника Казахстана. - 2016. - №1-2. - С. 4-9.
7 Вашуков, Ю. А. Технология конструкций из композитных материалов. -Самара, 2012. - С. 156-170.
8 Стеклопластики: информационный портал. [Электронный ресурс]. - URL: http://www.stroimsamolet.ru/057.php. - 2013. - С. 24.
9 Статьи: информационный портал. [Электронный ресурс]. - URL: http://www. ref.by/refs/93. - 2006. - С. 51.
10 Полимеры: информационный портал. [Электронный ресурс]. - URL: http:// www.polymerbranch.com (дата обращения 27.12.16).
Материал поступил в редакцию 11.06.17.
