Полимерные материалы на зарубежных жд - Звуко- и теплоизоляция из пластмасс в пассажирских вагонах

Увеличение скоростей движения поездов сопровождается возрастанием интенсивности шумов в пассажирских вагонах, нередко превышающих санитарные нормы, и увеличением тепловых потерь.
Исследованиями, проведенными в Научно-исследовательском центре национальных железных дорог Японии, установлено, что с ростом скоростей движения интенсивность шумов в вагонах пассажирских скоростных поездов возрастает в квадратичной и кубической зависимости [38]. Поэтому большое значение придается вопросам звуко- и теплоизоляции пассажирских вагонов, как одним из главных элементов комфортабельности поездки пассажиров.
Снижение уровня шумов в вагонах достигается различными мерами, направленными на гашение их непосредственно у источников их возникновения. Например, в сопряжениях системы тормозной рычажной передачи устанавливают пластмассовые втулки. Тормозные цилиндры изолируют от сопрягающихся элементов рамы вагона специальными резиновыми прокладками. Раздвижные двери в вагоне монтируют на пластмассовых роликах.
Для снижения уровня шума применяются звуко- и теплоизоляционные материалы, резиновые или пластмассовые элементы в шкворневом узле, изготовляются отдельные части элементов кузова из пластмасс и т. п. Широко распространены герметизация окон и применение звукопоглощающих покрытий и мастик, например, с асбестовым наполнителем, наносимых распылением на поверхности стальных элементов кузова и деталей. Снижение уровня шума внутри вагона достигается применением звукопоглощающих материалов таких, как перфорированные листы пластиков для обшивки потолка, мягкие пористые материалы для пола и стен, ткани из синтетических волокон для обивки мебели и др.
Для снижения уровней шума, вибрации и улучшения теплозащиты в пассажирских вагонах особенно скоростных поездов применяются разные, преимущественно полимерные материалы, выполняющие одновременно роль вибро-, звуко- и теплозащиты [39—41]. Известны случаи, когда для особо надежной вибро-, звуко- и теплоизоляции вагонов применяют до 15 различных слоев всевозможных ограждающих средств.
В табл. 5 приведен перечень и некоторые характеристики изолирующих материалов, применяемых в Японии в качестве звуко- и теплоизоляции при постройке вагонов [23].
Тепло- и звукоизолирующие материалы, применяемые в железнодорожном подвижном составе, должны отвечать следующим основным требованиям:
иметь по возможности минимальный объемный вес;
обладать достаточной прочностью, чтобы не разрушаться при длительном воздействии вибраций, изменении температуры и влажности;
иметь минимальные показатели гигроскопичности и водопоглощении;
не выделять токсичных летучих веществ и сильных запахов; не оказывать корродирующего действия на металлы.

Изолирующие материалы, применяемые в вагонах Государственных железных дорог Японии (стоимость твердой древесноволокнистой плиты принята за 100 единиц)

Номенклатура используемых в подвижном составе тепло- и звукоизоляционных материалов весьма разнообразна. К ним относятся всевозможные шумопоглощающие мастики, пенопласты, стеклянные и минеральные ватообразные материалы, резина, конструкционные панели типа «сэндвич», с заполнителем из пенопластов или сотопластов, стеклопластики, древесноволокнистые, бумажнослоистые и другие пластические материалы.
Ниже приводятся краткие сведения о наиболее употребляемых в зарубежном вагоностроении тепло- и звукоизолирующих материалах и примеры их использования в вагонах различных конструкций.

Мастики наносятся на металлические листы обшивки кузовов вагонов, металлические профили каркаса кузова, перегородки и другие элементы для того, чтобы уменьшить шум от двигателей, компрессоров и вибрации, возникающей при движении вагона. Шумопоглощающие мастики относятся к числу основных материалов, препятствующих распространению шума и выполняющих одновременно теплоизоляционные функции. В некоторых случаях отдельные марки мастик предназначаются также и для антикоррозионной защиты металла кузова. Известно большое разнообразие мастик, различающихся по своему составу и технологическим характеристикам. Мастики изготовляют на основе битумов, смоляных связующих, латексов и всевозможных их сочетаний, иногда с растворителями, маслами, пластификаторами, антикоррозионными пигментными и другими присадками. В качестве  наполнителей в мастиках чаще всего применяют асбест, асбестовую пыль, слюду, дробленую пробку и другие материалы.
В ГДР широко применяют мастику марки еива 3405, у которой связующей основой является смесь смолы и каучука. Она может эксплуатироваться при температуре до +90° С. Другая распространенная мастика марки 2263/9005, применяемая в вагонах ГДР, изготовляется на основе битума с асбестовым наполнителем. В вагонах метрополитена для поглощения корпусного шума применяют звукопоглощающую мастику под названием фонкиллер.
Вагоны-рестораны трансъевропейских экспрессов ФРГ на всей листовой обшивке кузова имеют звукопоглощающий слой мастики шифра 301 р. Д, наносимый метод набрызгивания. Таким же методом напыления наносятся мастики на внутренние поверхности кузовов вагонов из нержавеющей стали поездов австралийских железных дорог, курсирующих по маршруту Сидней—Перт [42]. В США в вагонах скоростных поездов применена мастика под названием аквапласт, наносимая на металлические поверхности кузовов толщиной слоя 1,6 мм.

Изоляция из пенопластов.

Главное место в тепло- и звукоизоляционных ограждающих устройствах, применяемых в пассажирских так же, как и в изотермических и рефрижераторных, вагонах, занимают жесткие пенопласты. Из-за малого объемного веса и высоких тепло- и звукоизолирующих свойств они получили признание в технике зарубежного вагоностроения. В вагонах постройки 40-х годов применялись пенопласты на основе фенолоформальдегидной и мочевино- формальдегидных смол — пенофенопласты и пенокарбомиды. В 60-х годах в вагоностроении начали широко применять пенополистирол (ППС) и пенополивинилхлорид (ППХВ), а позднее — пенополиуретан (ППУ). В табл. 6 приведены физико-механические свойства наиболее распространенных за рубежом жестких пенопластов общего назначения, применяемых в вагоностроении.

Пенополистирол (ППС) получил распространение как теплоизоляционный материал, в пассажирских и изотермических вагонах США, Англин, Франции, ФРГ, ГДР, Австрии, Дании, Швеции, Югославии и других стран. В последние годы зарубежные фирмы значительно улучшили свойства этого пенопласта.
ППС имеет различные фирменные названия, например в США стирофом, в Англии — полицой, сарофом, во Франции — фриглит, полизит, в ФРГ — стиропор, изопор, фриголит, в Венгрии — хунгароцелл, в Голандии — ибурит, темпекс. В вагоностроении чаще всего применяют стирофом, стиропор, фриголит. В США для тепло- и звукоизоляции железнодорожного подвижного состава выпускается стирофом марок FR и FB. Объемный вес пенопласта этих марок 30—35 кг/м³, теплопроводность 0,022— 0,026 ккал/м-ч° С, теплостойкость до 80 °C, водопоглощение менее 0,25%. Материал выпускается в виде плит толщиной 25; 50; 75 и 100 мм, длиной от 3 до 6 и шириной 1,9 и 2,1 м.

Таблица 6
Физико-механические свойства пенопластов зарубежных фирм

Таблица 7
Основные свойства стиропора

В ФРГ выпускается пенополистирол марки стиропор. Разновидностью его являются трудновоспламеняемый стиропор марки стиропор F, а также химически стойкий и трудно воспламеняемый стиропор FH. Свойства некоторых марок стиропора приводятся в табл. 7.
В последние годы выпускаются марки стиропора с очень малым объемным весом, достигающим 13—15 кг/м³; 16—20 и 20—25 кг/м³. Коэффициент теплопроводности стиропора: при —50°С — 0,023 ккал/м·ч °C; при 0° — 0,028; при +20° — 0,030, а при +50°С — 0,033 ккал/м ·ч °C.
В ФРГ в вагонах I класса серии Арюм-65 постройки 1965—1966 гг. пенопласт ППС для теплоизоляции пола применен в виде плит толщиной 20 мм, а толщиной 40 мм для крыши. В обоих случаях плиты ППС наклеивались на изоляционное покрытие, напыленное на стальные поверхности. В ФРГ ППС используется и при постройке вагонов-ресторанов [24]. В ГДР он применяется в пассажирских вагонах дальнего следования, в частности, в вагонах типа УВ/70 [27].

Пенополивинилхлорид

Пенополивинилхлорид (ППВХ) так же, как и ППС, применяется в пассажирских и изотермических вагонах во Франции, Италии, Бельгии, Японии, США. В Японии он используется для термо- и звукоизоляции пассажирских вагонов и некоторых серий вагонов электропоездов. Важным свойством этого материала является его химическая стойкость к сильным кислотам и щелочам, органическим растворителям, смазкам и к высокой влажности. Кроме того, он обладает некоторой эластичностью, что делает его стойким к вибрациям и ударам. К недостаткам относится большой по сравнению с ППС и другими пенопластами объемный вес (от 64 кг/м³ и выше).
Пенопласт ППВХ производится в промышленных масштабах многими фирмами Италии, Франции, Японии, Голландии, США, ГДР.

Пенополиуретан

Пенополиуретан (ППУ) считается наиболее перспективным материалом для тепло- и звукоизоляции железнодорожного подвижного состава, несмотря на относительно высокую по сравнению с другими пенопластами его стоимость.
Важнейшим свойством этого материала является низкий коэффициент теплопередачи (0,015 ккал/м-ч °C) и низкое водопоглощение.

За последние 10—12 лет в создании и улучшении свойств вспененных полиуретанов достигнуты большие успехи, особенно в ФРГ, США, Англии, Японии. Некоторые рецептуры и марки ППУ разработаны для использования путем заливки в жидком виде в соответствующие полости конструкции или изделия с последующим в течение нескольких минут отверждением в них. Марки ППУ других составов наносятся на металл, например, на внутренние поверхности кузовов вагонов, методом напыления пли набрызгивания. Нанесенный материал в течение нескольких минут в процессе отвержения становится твердым или эластичным в зависимости от состава и вследствие хорошей адгезии к металлу, древесине и другим материалам, на которые он нанесен, надежно с ними схватывается, создавая надежное антикоррозионное и одновременно теплоизолирующее покрытие.
В ФРГ, США, Японии производят в промышленных масштабах также и огнестойкие марки жестких ППУ в виде плит или блоков. Этот материал широко применяют вагоностроительные фирмы США, ФРГ, Англии, Франции, Италии, Японии и др. [25, 26, 31,37,42,45,47, 50, 52]. Иногда его используют в комбинации с эластичными сортами ППУ.
В ГДР трудновозгораемый ППУ применяют для теплоизоляции полов, стен и крыш в вагонах типа WLABem, предназначенных для международного сообщения [50]. В вагонах трансавстралийского экспресса Сидней—Перт, построенных австралийскими компаниями, звуко- и теплоизоляция обеспечивается, главным образом, использованием для стен и крыш ППУ толщиной 60 мм [51]. Япония в 1969 г. поставила для Чили партию пассажирских вагонов I класса со звуко- и теплоизоляцией, состоящей из комбинированного слоя стекловолокна и ППУ на внутренней стороне обшивки кузова, образующего основной слой теплового ограждения [45]. В Англии ППУ применяют на вагоностроительном заводе в Дерби в вагонах серии МКПа [24]. При этом в местах, труднодоступных для укладки изоляции, применяют жидкий ППУ, заливая им пустоты, щели, пространство между полками металлических швеллеров п профилей и т. п. В Югославии в числе других звуко- и теплоизоляционных материалов ППУ (мольтопрен) толщиной от 20 до 40 мм в зависимости от места укладки используется в вагонах дизельных четырехвагонных поездов, построенных в 1970 г. [43]. В США ППУ применяется в вагонах скоростных поездов «Метролайнер» [52].