Полимерные материалы на зарубежных жд - Полимерные материалы в локомотивах

Глава 4
ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ В ЛОКОМОТИВАХ

Общие сведения

Многие виды полимерных материалов используются для изготовления деталей разнообразного оборудования современных локомотивов. Сочетание своеобразных свойств различных пластмасс и резин в ряде случаев позволило улучшить технические характеристики локомотивного оборудования, повысить его надежность и увеличить межремонтные сроки эксплуатации. Создание и развитие промышленного выпуска новых, более совершенных полимерных материалов привело в последние десятилетия к еще большему их применению для деталей и элементов всевозможного оборудования электровозов, тепловозов и моторвагонного подвижного состава.
На зарубежном железнодорожном транспорте полимерные материалы в локомотивах находят разнообразное применение. Они используются для деталей и элементов конструкционного, амортизационного, тепло-звуко-гидроизоляционного и фрикционного назначения. Начиная с 1960 г. наиболее характерной является тенденция к росту применения пластмасс в конструкции экипажной части и резин в амортизирующих устройствах и ходовых частях локомотивов. Объясняется это стремлением к улучшению общих динамических характеристик локомотивов, режимов работы деталей и узлов машин и механизмов и условий работы обслуживающего персонала. Определенная тенденция ощущается и в стремлении к улучшению характеристик электрических машин, аппаратов и устройств, использованием в них современных пластмасс и других полимерных материалов и деталей, обладающих более высокими теплофизическими и электроизоляционными свойствами, чем ранее применявшиеся.

Конструкционные элементы экипажной части

Применение стеклопластиков для элементов конструкции кузовов локомотивов на многих зарубежных железных дорогах началось в 50-х годах. Такое свойство стеклопластиков, как низкая теплопроводность, способствовало сохранению тепла зимой и меньшему нагреванию помещения летом. Высокая удельная (отнесенная к удельному весу) прочность открывала возможность некоторого снижения веса конструкции.
Применение стеклопластиков в конструкции кузовов локомотивов стимулировалось к тому же их коррозионной стойкостью и способностью поглощать и гасить вибрацию и колебания звуковых частот.

Положительное значение, сыгравшее определенную роль в применении стеклопластиков в локомотивостроении, имело и то, что эти пластики обладают высокой устойчивостью к воздействию влаги, имеют высокие электроизоляционные свойства и обладают определенными преимуществами технологического характера.
Наиболее высокая прочность стеклопластиков достигается обычно при использовании их в качестве оболочек трехслойных конструкционных панелей типа «сэндвич». Детали из стеклопластика могут изготовляться обычным для переработки пластмасс прессованием. Стеклянный наполнитель стеклопластика (стеклоткань, стекловолокно и др.), пропитанный полимерным связующим, может прессоваться в холодном состоянии и при повышенной температуре до 100° С и более в обычных пресс-формах при давлении от 1 до 20 атм. Детали из него можно изготовлять способами контактного формования и напыления, при которых смесь полимерного связующего с отвердителем и стеклянным наполнителем наносится на негативную форму изделия и полимеризуется на ней при нормальных давлении и температуре. Детали из стеклопластика изготовляют также методом прессования с эластичным пуансоном под вакуумом или под избыточным давлением. В этих случаях для прессования детали необходима только одна полуформа из любого материала. На нее укладывается заготовка пропитанного смолой стеклонаполнителя и накрывается эластичным пуансоном, обычно изготовляемым в виде резинового мешка. Формование детали эластичным пуансоном осуществляется при помощи давления, создаваемого накачиваемым в эластичный пуансон воздухом или при помощи вакуума, создаваемого между поверхностью формы и материалом, прижимаемым к ней эластичным пуансоном. Все эти способы создают возможность относительно простого изготовления из стеклопластиков крупногабаритных изделий.
При изготовлении деталей из стеклопластика способом намотки ткань, шнур или нити, пропитанные смолой, наматываются на форму изделия до необходимой толщины с последующим отверждением на ней. Стеклопластики удовлетворяют таким требованиям локомотивостроения, как снижение веса деталей, повышение в ряде случаев их надежности и долговечности, улучшение термических и акустических свойств, легкость изготовления деталей и простота их ремонта.
На английских электровозах типа Е300 постройки 1960 г. из стеклопластика изготовлены крыша и верхняя часть наружной обшивки. Пластмассовыми крышами оборудованы английские тепловозы мощностью 3300 л. с. и некоторые моторные вагоны дизельных поездов. В США с конца 50-х годов эксплуатируются несколько головных вагонов электропоездов, торцовые части крыш и кабины управления которых изготовлены из стеклопластиков. Во Франции на электровозах серии ВВ12000 и некоторых других из стеклопластика выполнены лобовые части кузовов, а на электровозах серии ВВ9400 — боковые панели кузова, включая панели, оборудованные жалюзи (рис. 92).
В ФРГ из стеклопластиков изготовляют крупногабаритные элементы кузова, резервуары для водяного отопления и другое оборудование локомотивов (рис. 93).

На локомотивостроительном заводе в Хеннингсдорфе (ГДР) иа опытном шестиосном электровозе переменного тока из стеклопластика изготовлены крыша капота и потолок кабины машиниста. Крыша капота размером 2,2 X 2,6 я выполнена способом напыления, потолок кабины машиниста — методом контактного формования. Двери локомотива выполнены из стеклопластика в виде трехслойных конструкций типа «сэндвич». С учетом положительного опыта эксплуатации этого локомотива был начат серийный выпуск внутренней обшивки потолков кабин машинистов из стеклопластика для электровозов серий Е11 и Е42. На электровозах серии Е42 эта часть кабины изготовляется способом напыления.
Большое снижение веса достигнуто на четырехосном электровозе переменного тока за счет изготовления из стеклопластика обеих крышевых частей капотов и кабин машиниста. Эти элементы кузова выполнены в виде трехслойных конструкционных панелей типа «сэндвич» с оболочками из листовых стеклопластиков и промежуточными слоями из бумажнослоистого сотопласта на основе фенолоформальдегидных смол. Средняя часть капота имеет оболочки панелей толщиной 3 мм с приклеенными снаружи стальными хомутами. По контуру наружной части крыша капота снабжена стальной рамой толщиной 3 мм с крепежными деталями для крепления электрического оборудования. Кабины машинистов выполнены также из трехслойных панелей, но в отдельных, особо напряженных местах имеют необходимые утолщения, выполненные путем дополнительного нанесения стеклопластика. На внутренней стороне кабины машиниста установлен инструментальный ящик. Из стеклопластика выполнены также часть пола и окантовка лампы потолочного освещения.  

Рис. 92. Французский электровоз с кабинами управления из стеклопластика 

Рис. 93. Тепловозы железных дорог ФРГ с кузовами из стеклопластика: а — серии V200; б — серин V180
Гнездо для установки прожектора отформовано одновременно и за одно целое с корпусом кабины. Применение стеклопластика и других синтетических материалов при изготовлении электровоза серии ЕН снизило его вес на 1000 кг, что составляет 1,25% общего веса локомотива.
В ЧССР на серийно выпускаемых с 1965 г. локомотивах ЧЭС2 обе кабины управления (рис. 94) и кузов изготовлены из многослойных стеклопластиков на основе полиэфирных смол. Этим снижен вес локомотива и уменьшены трудоемкость и стоимость кузова, так как изготовление кузова обтекаемой формы из стеклопластика оказалось проще и дешевле, чем из стали. Кабины управления, стены кузова и крыши кабин управления изготовлялись из стеклопластика методами контактного формования и напыления с применением трехслойных конструкционных панелей из стеклопластика. Использование стеклопластика и других пластических масс позволило усовершенствовать конструкцию кабин управления, снизив в них уровень шума. Это улучшило условия обслуживания электровоза, имеющего две трехосные тележки с тяговыми двигателями для каждой оси. Общий вес электровоза составляет 120 т. Минимальный радиус кривых 120 м. Электровоз предназначен для вождения скоростных грузовых и пассажирских поездов. Изменением передаточного отношения тягового редуктора максимальная скорость в грузовом движении может быть увеличена до 120 км/ч, в пассажирском движении — до 160 км/ч.
Тем же заводом был изготовлен электровоз, у которого из пластмасс были выполнены лишь кабины управления. Эксплуатационные испытания показали высокую прочность и надежность кабин из пластмасс. Использование стеклопластика улучшило звуко- и теплоизоляцию кабин, а также снизило ремонтные расходы в эксплуатации. При строительстве локомотива монтаж и прикрепление этих кабин к стальной раме и сопрягающимся элементам кузова осуществлялись с помощью специальных клеев. Одновременно при создании нового электровоза корпуса кабин были разработаны и выполнены как силовые несущие элементы конструкции кузовов. Была улучшена и максимально упрощена конструкция других стальных элементов кузова и было уменьшено число контактных поверхностей металла, сопрягающихся со стеклопластиком. Крыша и стенки кузова соединялись с обеими кабинами управления и друг с другом с помощью особых резиновых уплотняющих элементов, что предотвращало передачу шума из машинного отделения в кабины управления. Позднее был освоен серийный выпуск электровозов с кузовом описанной конструкции.

Рис. 94. Заготовка корпуса кабины управления чехословацкого электровоза серии ЧЭС2, изготовленной из стеклопластика

Обычно при строительстве электроподвижного состава несущие элементы конструкций кузовов вагонов выполнялись из тонколистового проката с ребрами жесткости из тонкостенных гнутых профилей. Материал тепло- и звукоизоляции не участвовал в восприятии силовых нагрузок. Использование трехслойных конструкционных панелей типа «сэндвич» с оболочками из двух тонких, воспринимающих нагрузку листов, соединенных друг с другом наполнителем из твердого пенопласта толщиной 40 мм с удельным весом в пределах от 0,1 до 0,15 г/см, открывает новые возможности. Такие панели характеризуются тем, что они без дополнительного упрочнения сохраняют жесткость под действием нагрузки вдоль плоскости панели или перпендикулярно к ней до величин нагрузок, равных пределу прочности материала листов оболочек. В то же время пенопластом, заключенным между оболочками, обеспечивается отличная тепло- и звукоизоляция панели. При использовании для одной из оболочек соответствующего материала одновременно может быть достигнуто и необходимое декоративное внутреннее оформление вагона электросекции.
Стена кузова выполняется из нескольких таких панелей-блоков, например, для пассажирского вагона из десяти. Такие панели-блоки изготовляют в следующей последовательности. Сваривают или склеивают рамочные и перегородочные профили; первый лист оболочки панели приваривают или приклеивают к рамке, протравливают с внутренней стороны и к нему приклеивают мат из стекловолокна; монтируют распределительную трубу с наполнительным штуцером для заливки компонентов, образующих вместе со стекломатом теплоизоляционный слой панели, и сверлят отверстия для выпуска воздуха. Затем приклеивают мат из стекловолокна ко второму листу; уплотняют кромки у перегородок, а также приваривают или приклеивают второй лист к одному из продольных профилей. После этого обе оболочки монтируемой панели устанавливают в кондукторе с контрпрофилями и в полость между оболочками заливают компоненты, образующие промежуточный слой из теплоизоляционного пенопласта. Заливку компонентов начинают с середины панели и осуществляют в течение 20 сек. В последующие 20—30 мин пенопласт отверждается, прочно соединяя листовые оболочки друг с другом. Когда между оболочками панели- блока смешиваются три компонента пенопласта — модифицированный полиэфир, диизоцианат и газообразующий активатор, состав, разогреваясь до температуры 130° С, вспенивается и полностью заполняет полость панели, пропитывая одновременно мат из стекловолокна. Объем теплоизоляционного слоя рассчитывается так, чтобы во время вспенивания его состава создавалось давление несколько более 5 атм, чем обеспечивается достаточное усилие, прижимающее листы оболочек панели к контрпрофилю кондуктора с образованием их гладких поверхностей требуемой формы.
В случае применения для оболочек панелей листов из нержавеющей стали, алюминия или пластмасс наружная окраска их в большинстве случаев не нужна. Сторону блока панели, обращенную внутрь вагона электросекции, покрывают пленкой из поливинилхлоридного пластика, соответствующей по цвету и рисунку внутреннему декоративному оформлению вагона.
Для соединения панелей-блоков при монтаже кузова используются зажимные скрепления, с помощью которых обрезные кромки блоков вдвигаются и фиксируются винтами в соответствующих пазах каркаса кузова.        
Головной вагон электропоезда вместе с ходовыми частями, с кузовом обычной, облегченной стальной конструкции длиной 16 м весит 15 /п, а с кузовом описанной конструкции — 10 т. Вес укомплектованного вагона уменьшился на 33 %, а кузова на 46%.
В качестве промежуточного теплоизоляционного слоя подобных конструкционных плит используют твердый пенопласт марки мольтопрен. В зависимости от назначения мольтопрен выполняется с различным объемным весом и соответствующими механическими свойствами (табл. 11).
Коэффициент теплопроводности материала с удельным весом 40 кг/м³ составляет λ=0,030 ккал/м-ч° С. Коэффициент теплопроводности с нормальной влажностью при удельном весе 15—20 кг/м³ составляет 0,34 ккал/м·ч°C.
Коэффициенты теплопроводности пробки, пенополистирола и минеральной ваты с удельным весом 100—150, 15—20 и 50—60 кг/м³ составляют соответственно 0,035; 0,03; 0,035 ккал/м · ч-° С.
Пенопласт мольтопрен пригоден также для применения в холодильных установках. Плиты-блоки с этим пенопластом могут изготовляться с использованием в качестве оболочек анодированных, эмалированных и окрашенных листов из алюминиевых сплавов (без наружной отделки), стальных — чистых, оцинкованных, окрашенных, эмалированных или покрытых пленкой из поливинилхлоридного пластика, а также листов из нержавеющей стали или стеклопластика. Структура этого пенопласта на 95% состоит из закрытых пор, поэтому он практически негигроскопичен и не увлажняется, что позволяет применять его также для защиты от коррозии.
Применение стеклопластиков в элементах кузовов локомотивов позволяет также наиболее простым способом решать задачи архитектурно-эстетического характера. На заводе ЧКД (Прага) при проектировании и постройке тепловозов этим вопросам уделяется много внимания. Для удовлетворения требований технической эстетики при проектировании кабины машинистов наиболее простым и удобным способом создания соответствующей формы кабины оказалось использование стеклопластиков (рис. 95) [1].

Таблица 11
Основные прочностные характеристики мольтопрена

Рис. 95. Тепловоз постройки ЧССС с кабинами управления, крышей и панелями стен кузова, выполненными из стеклопластика

Новый высокоскоростной электровоз серии Е211, построенный в ГДР, работающий на переменном токе напряжением 25 кВ на грузовых и пассажирских перевозках, отличается особенно широким использованием пластиков [2]. Стены кабины управления и крыша кузова локомотива изготовлены из трехслойных конструкционных панелей типа «сэндвич» с оболочками из листового стеклопластика на основе полиэфирной смолы. Средний теплоизоляционный слой выполнен из бумажнослоистого пластика на основе фенолоформальдегидной смолы в виде пчелиных сот. Толщина оболочек панели, кабин и крыши составляет 1,5 мм, а толщина слоя тепло-звукоизоляционного заполнителя достигает 40—50 мм. Крыша, воспринимающая нагрузки от различного электросилового оборудования (пантограф, главный выключатель, трансформатор тока и др.), усилена легкой стальной рамой, связанной со стеклопластиковой кровлей клеем на основе эпоксидной смолы.
В Англии при переоборудовании в 1958 г. нескольких моторных вагонов электропоездов в теплоэлектровозы мощностью 25 000 л. с. при эксплуатации на электрической тяге и 650 л. с. при эксплуатаций на дизельной для усиления кузова был использован стеклопластик [3]. Секции крыши, за исключением секций с холодильником, были изготовлены с применением полупрозрачного листового стеклопластика, что позволило обеспечить естественное освещение в машинном отделении.

В 1967 г. Национальное общество Французских железных дорог (SHCF) в строящихся четырехвагонных газотурбовозах предусмотрело конструкцию кабин машинистов из стеклопластиков [41. Учитывая свойства стеклопластиков, такое решение мотивировалось стремлением повысить безопасность бригады в случае столкновения. В 1969 г. на Французских железных дорогах начали эксплуатироваться первые тепловозы серии ВВ67400 с электрической передачей [51. Теплоизоляция стен кузова и кабин управления этих локомотивов осуществляется пенополистиролом, армированным стекловолокном. Концевые элементы крыши, кузова и входные двери имеют такую же трехслойную конструкцию.
На Лейпцигской ярмарке 1968 г. демонстрировался электровоз серии Е211 переменного тока с кремниевыми выпрямителями мощностью 3360 квт, предназначенный для работы со скорыми пассажирскими и грузовыми поездами. Электровоз развивает скорость до 160 км/ч и весит 82 т [6]. На локомотиве применен эластичный осевой привод с резиновыми кольцевыми амортизаторами передачи крутящего момента.
Благодаря применению высокопрочной стали и профилированных элементов, в комбинации со стеклопластиком была получена легкая и прочная конструкция кузова локомотива. В электровозах этой конструкции, эксплуатирующихся на железных дорогах ГДР, кабины машиниста выполнены в виде трехслойных конструкций типа «сэндвич» с оболочками из стеклопластика на основе полиэфирной смолы. В качестве их промежуточного слоя служит бумажнослоистый пластик на основе фенолоформальдегидной смолы, выполненный в виде пчелиных сот. Общая толщина стен составляет 54 мм. Подобную конструкцию имеет и часть пола. На торцовых стенках кабин управления предусмотрены панели, также выполненные из стеклопластика, предназначенные для монтажа измерительных приборов. Все двери и промежуточные стены со стороны кабин управления отделаны декоративным пластиком.
Крыша машинного отделения состоит из трех съемных секций, также выполненных из трехслойных конструкционных панелей типа «сэндвич» с оболочками из стеклопластика и с внутренним заполнением из бумажнослоистого сотопласта. Толщина оболочек панелей из стеклопластика около 1,5 мм, а толщина промежуточного слоя сотопласта в крайних секциях составляет 40 мм. Средняя секция для ее усиления имеет в панелях каркас из стального проката облегченных профилей, покрытых оболочками из стеклопластика толщиной от 2,5 до 3 мм. По всем крышевым секциям проложены переходные рабочие мостки.
На дорогах Южной Америки эксплуатируются маневровые тепловозы мощностью 35 л. с.
Кузова их целиком выполнены из стеклопластика. Кабины машинистов изготовлены из трехслойных панелей типа «сэндвич» с оболочками из стеклопластика и внутренним заполнением из пенополиуретана. Это позволило повысить коррозионную стойкость кузовов локомотивов, что важно, учитывая их эксплуатацию в условиях влажного климата морского побережья. Одновременно улучшилась тепло- и звукоизоляция локомотивов.
В ГДР на локомотивостроительном заводе в Хеннингсдорфе впервые стеклопластики были применены в 1960 г. для внутренней обшивки кабин машиниста и крыш электровозов. Опыт подтвердил техникоэкономическую целесообразность строительства крайних крышевых элементов и кабин управления локомотивов из стеклопластика. Для    кабин применяется в комбинации со стальным решетчатым каркасом стеклопластик толщиной 3 мм, а для крышевых элементов — стеклопластик толщиной 1,2—1,5 мм. За одно целое с основным корпусом кабины управления в электровозах отформованы приборная панель, часть пола, наружные монтажные гнезда прожектора и нижних сигнальных фонарей. Изготовление кабины со всеми ее элементами одновременно осуществляется формовкой стеклопластика на основе полиэфирных смол, на деревянных моделях методом контактного формования.
Наряду со стеклопластиком, применяемым для изготовления элементов кузова, в зарубежном локомотивостроении при изготовлении деталей и элементов разнообразного локомотивного оборудования широко используют и другие пластмассы. Поливинилхлорид применяют для защитных кожухов некоторого оборудования и для защитных козырьков от солнечных лучей на лобовых и боковых стеклах кабин, материалы на основе полиамидных смол (дедерон) — для изготовления воздушных фильтров, перфоль—для оболочки волокнистой звукоизолирующей массы. Полиамидвифлон применяют для изготовления матов — воздушных фильтров. Пенополистирол часто используют для теплоизоляции.
Из фенопластов выполняют многие корпуса электроаппаратов, приборов, рукоятки и многие детали общетехнического и вспомогательного назначения. Из аминопластов на основе меламино- и карбомедноформальдегидных смол применяют искрогасительные камеры и некоторые изоляторы.
Эпоксидные смолы используют для изготовления изоляторов, изолирующих катушек, коммутационных штанг и др.
На железных дорогах ПНР эксплуатируются несколько электровозов постоянного тока английской постройки на 3000 в весом 80 т и мощностью 2080 квт, обладающие скоростью до 125 км/ч. С целью снижения веса кабельные каналы, двери, пульты управления машиниста, кожуха, контроллеры и индуктивные шунты выполнены из стеклопластиков.
Различные пластмассы успешно и широко применяют и во вспомогательном локомотивном оборудовании. Например, на тепловозе ДК- 137 типа 4 Английских железных дорог в системе привода объединенной насосной установки применены зубчатые колеса, выполненные из найлона, армированного стекловолокном [7]. Такой привод был применен вместо обычного из стальных зубчатых колес с целью обеспечения работы этого узла без подвода смазки. Установка работает от электродвигателя мощностью 7,5 л. с. при 2440 об/мин. Температура зубьев колес при работе достигает ~70° С. Преимущества нового (армированного волокном) пластика по сравнению с неармированным заключается в большой прочности, а также в том, что снижается коэффициент трения колес и их износ.
Много различных полимерных материалов применяется для снижения вибрации и уровня шумов в локомотивах и электропоездах, для изоляции тяговых электродвигателей, в устройствах фильтров, в узлах трения и в амортизирующих устройствах.