Применение композиционных материалов в грузовом вагоностроении

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.

Впервые двухкомпонентный композит из стеклянного волокна и затвердевающего состава был использован в Великобритании во время Второй мировой войны, когда появилась задача создания легкого, прочного и радиопрозрачного обтекателя для радиолокационных станций самолетов. С того времени в массовую эксплуатацию поступили гражданские и военные самолеты с крыльями из композиционных материалов, автомобили и трамваи с кабинами и кузовами из стеклопластика, корабли и суда с неметаллическими корпусами, строительные бетонные конструкции с композиционной арматурой.

В то же время использование композиционных материалов в кузовных конструкциях железнодорожного подвижного состава на сегодняшний день невелико и ограничено стеклопластиковыми обтекателями кабин грузовых и пассажирских локомотивов и высокоскоростных поездов.

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).

Также композиты иногда классифицируют по материалу матрицы:

• с полимерной матрицей;
• с керамической матрицей;
• с металлической матрицей;
• композиты оксид-оксид.

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.

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.

Указанные работы составили совместный проект специалистов ООО «Всесоюзный научно-исследовательский центр транспортных технологий» («ВНИЦТТ»), ЗАО «Тихвинский вагоностроительный завод» («ТВСЗ») и ООО «Нанотехнологический центр композитов» («НЦК») по внедрению композиционных материалов в конструкцию вагонов-хопперов. В ходе пилотного проекта была поставлена задача повышения эксплуатационной надежности вагонов-хопперов, перевозящих минеральные удобрения. Как известно, самым уязвимым элементом их кузовов является крыша с загрузочными люками, которая коррозирует вследствие воздействия влаги и остатков удобрений.

К данным узлам конструкции предъявляются следующие требования: соответствие климатическому исполнению «УХА» с обеспечением эксплуатационной надежности в диапазоне температур воздуха от минус 60 до плюс 50 °С;

• обеспечение показателей прочности и устойчивости в соответствии с требованиями «Норм для расчета и проектирования вагонов железных дорог колеи 1520 мм (несамоходных)»;
• обеспечение назначенного срока службы 32 года;
• применение материалов, устойчивых к коррозионному и химическому воздействию перевозимых грузов, а также по своим химическим свойствам нейтральным к пищевым грузам и не выделяющим в воздушную среду химических веществ в концентрациях, превышающих допустимые по ГН 2.3.3.972-00.

Поскольку композиционный материал допускает как изготовление крыши целиком, так и ее отдельных элементов, на первом этапе работы было выполнено обоснование целесообразного объема применения неметаллических материалов на основе сравнительной оценки экономической эффективности различных вариантов конструкции:

1. вагон-хоппер цельнометаллический;
2. вагон-хоппер с крышками загрузочных люков, изготовленными из композитных материалов;
3. вагон-хоппер с крышками и рамками загрузочных люков, изготовленными из композитных материалов;
4. вагон с крышками и рамками загрузочных люков и крышей, изготовленными из композитных материалов.

Оценка вариантов проводилась на основании сравнения двух показателей вагона: себестоимости изготовления и стоимости ремонтов.

Анализ полученных данных показал, что применение деталей, изготовленных из композиционного материала, увеличивает первоначальную стоимость вагона. Однако свойства конструкции обеспечивают ее использование на протяжении всего жизненного цикла вагона. При этом экономический эффект от применения композиционных материалов достигается за счет уменьшения затрат на ремонт. Наиболее эффективным является вариант вагона-хоппера с неметаллической крышей, включая загрузочные люки.

Подтверждение экономической целесообразности использования ПКМ позволило перейти к следующему этапу разработки элементов вагона — определению характеристик новых композиционных материалов и технологии их производства. Необходимо отметить, что на сегодняшний день в грузовом вагоностроении уже существует положительный опыт использования композиционных материалов в конструкции вагона-хоппера для минеральных удобрений.

В ходе исследования поставленной задачи была выполнена разработка универсальных материалов для элементов вагона, совместимых с более широкой номенклатурой грузов. Для изготовления малогабаритных элементов конструкции — 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.

При проектировании крышки загрузочного люка основным ограничивающим фактором являлась необходимость унификации конструкции для разных типов вагонов-хопперов производства ЗАО «ТВСЗ» и соблюдение требований нормативного документа ГН 2.3.3.972-00 к материалу изделия. 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.

Изготовление малогабаритных элементов конструкции выполняется на вакуум-формовочной машине (ВФМ). Сам процесс формования включает в себя несколько этапов:

1. установка и уплотнение полимерного листа на ложементе ВФМ;
2. нагрев листа до высокоэластического состояния;
3. предварительное пневмоформование (выдувка купола);
4. подъем формы, вакуумное формование. 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;
5. охлаждение изделия;
6. подготовка и съем готового изделия.

В качестве материала для изготовления крупногабаритного элементаконструкции — 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). Полученные данные послужили исходной информацией для проектирования технологических карт процесса производства изделия.

В основу выбора материала для крыши легли условия технологичности производства крупногабаритного изделия и требования к физико-механическим свойствам материала. 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-структурои, пенным наполнителем и закладной металлической рамой.

Технологичность производства достигается выбором термореактивного связующего с необходимыми свойствами и технологии напыления и выкладки, аналогичными изготовлению небольших лодок и яхт. Нейтральность к пищевым грузам обеспечивается путем применения специальных связующих, используемых при производстве водопроводных труб или иных стеклопластиковых изделий, контактирующих с пищей, или применением специальных укрывных пленок.

Технология изготовления крупногабаритных элементов конструкции заключается в размещении на оснастке слоев армирующего материала с последующей их ручной пропиткой термореактивным связующим или же в механизированном смешивании и напылении рубленого стекловолокна и связующего.

При ручной выкладке армирующий материал в виде ткани и мата слоями выкладывается на оснастку и пропитывается вручную. Связующее обычно наносится с помощью кисти или валика. Далее слои армирующего материала прикатываются друг к другу до полного удаления излишков смолы и воздушных пузырей. Пакет обычно отверждается при комнатной температуре и нормальном 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.

На заключительном этапе исследовательского проекта 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.

По результатам анализа в конструкцию внесены необходимые изменения: выбраны структура композита, требуемые физико-механические свойства, конструктивно-силовая схема, тип соединений и т.д., после чего сделан ее повторный анализ. Данный процесс носит итерационный характер с целью выбора оптимального исполнения конструкции, типа композитного материала и технологии производства.

На третьей стадии проработан окончательный вариант конструкции с учетом особенностей выбранного материала и технологии производства, технологичности и сборки в составе изделия (например, минимальные радиусы округлений, толщины, уклоны и т.д.).

Для крышки загрузочного люка на данном этапе откорректированы радиусы округлений, углы наклона вертикальных поверхностей, толщина. Исходя из технологичности производства, выбран процент наполнения матриц. Для крыши вагона-хоппера внесены уточнения геометрических параметров сэндвич-структуры.

Результатом работы стало создание конструкторской документации на опытные образцы элементов конструкции вагона- хоппера, которая подлежит дальнейшей экспериментальной проверке на опытном производстве.

Описанные в данной статье этапы работ являются исследовательской частью комплекса мероприятий, направленного на внедрение изделий из новых материалов в конструкцию грузового вагона. Для окончательного подтверждения принятых конструкторских и технологических решений в настоящее время изготавливаются макетные и опытные образцы, проводятся прочностные и функциональные испытания, поднадзорная эксплуатация изделий.

Проведенное исследование подтвердило экономическую целесообразность использования композиционных материалов в конструкции грузового вагона. Реализованные опытно-конструкторские мероприятия позволили разработать неметаллические элементы вагона, имеющие различные габаритные размеры и эксплуатационную нагруженность, а также выбрать наиболее подходящую технологию их изготовления.

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;
• сосуды вагонов-цистерн и контейнеров-цистерн для транспортирования различных агрессивных сред (водных растворов кислот и их солей, щелочей и других жидких продуктов с примесями абразива);
• поручни, подножки, переходные площадки, лестницы;
• крышки разгрузочных люков;
• покрытие кузова для защиты от воздействия солей и абразивного износа.

С.А. Федоров, канд. техн. наук, ООО «ВНИЦТТ»

А.Ю. Новоселов, ООО «ВНИЦТТ»

С.А. Волков ООО «НЦК»