Применение полимерных материалов на железной дороге. Работа №255166

ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГЕ

Первые опыты использования полимерных материалов на железнодорожном транспорте относятся к началу ХХ века, когда подвижной состав стали оборудовать тормозами с применением резиновых шлангов и уплотняющих прокладок.

В настоящее время полимерные материалы на железной дороге являются, без преувеличения, главной движущей силой технического и экономического развития отрасли, а также единственным путем, ведущим к повышению реальной конкурентоспособности. Полимерные материалы обладают повышенной прочностью и одновременно малой плотностью, что делает их незаменимым материалом при производстве современных изделий и конструкций. Помимо этого они обладают еще рядом положительных свойств, таких как коррозионная стойкость, долговечность и другие. А высокая технологичность в процессе переработки при относительно низких температурах предоставляет широкие возможности для изготовления изделий практически любой сложности при минимальных издержках производства.

В «Стратегии развития железнодорожного транспорта Российской Федерации до 2030 г.» (далее – Стратегия развития РЖД) к основным направлениям инновационной деятельности применительно к подвижному составу отнесены: увеличение скоростей движения, снижение массы тары грузового вагона, модернизация вагонов и улучшение их технико-экономических характеристик. При этом основным резервом обеспечения высоких требований Стратегии развития РЖД является внедрение инновационных решений, в частности, применение современных полимерных материалов [3].

В связи с этим современному специалисту-железнодорожнику необходимо иметь актуальные знания о полимерах и материалах на их основе, применяемых при строительстве подвижного состава, конструкций и сооружений железной дороги.

Цель нашей работы - изучение опыта применения полимерных материалов на железной дороге.

Поставленные задачи:

1) изучить химический состав полимеров, используемых для создания современных материалов, применяемых на железной дороге;

2) изучить области применения полимеров в железнодорожном машиностроении;

3) изучить области применения полимеров при строительстве железных дорог и транспортной инфраструктуры;

4) сделать вывод о преимуществах использования полимерных материалов по сравнению с традиционными материалами, используемыми на железной дороге.

Полимеры – вещества, молекулы которых состоят из множества повторяющихся структурных звеньев, соединенных между собой химическими связями.

Пластмассы – материалы, изготовляемые на основе полимеров, способные приобретать при нагревании заданную форму и сохранять ее после охлаждения.

Пластмасса – это композиция, в которой полимер служит связующим компонентом, соединяющим между собой остальные составные части – наполнители, пластификаторы, красители, противоокислители и др. В качестве наполнителей могут использоваться стеклянные волокна, опилки, асбест, газы и др. Наполненные пластмассы называют полимерными композиционными материалами (ПКМ).

Применение полимерных материалов при строительстве подвижного железнодорожного состава как пассажирского, так и грузового, обеспечивает его облегчение, удешевление, долговечность и меньшие затраты на эксплуатацию.

К полимерным композиционным материалам, применяемым в транспортном машиностроении, предъявляются высокие требования к характеристикам пожаробезопасности, поэтому в качестве связующей основы в них используются пожаростойкие полиэфирные и эпоксидные полимеры. Для изготовления прочных и виброустойчивых изделий на основе этих полимеров получают полимерные композиционные материалы - стеклопластики (материалы со стеклянным волокном).

На пассажирском железнодорожном транспорте из стеклопластиков производятся перегородки и боковые стены, облицовка вагонов, сиденья, столики, полки багажные, санузел, оконные наличники, поручни, короба для электропроводов, кожух контактного рельса, шкафы для аппаратуры.

Для электропоездов высокоскоростного движения определяющим критерием для обеспечения оптимального расположения центра тяжести кузовов вагонов является снижение его массы, что очень важно для наклона кузова при движении в кривых с высокой скоростью. Снизить массу кузова возможно благодаря использованию многослойных конструкций из полимерных композиционных материалов в элементах внутреннего оснащения вагонов. Жесткая панель из ПКМ в два раза легче, чем изготовленная из используемых ранее материалов. Благодаря применению ПКМ общую массу кузова вагона поезда удалось снизить на 8 тонн [2].

В вагонном хозяйстве широко применяются конструкционные полимерные материалы для изготовления контейнеров и крыш грузовых вагонов (стеклопластики), тормозных колодок (фенопласты с асбестом) и других деталей вагонов.

Неметаллические полимерные материалы применяются также в таких узлах пассажирских вагонов, как облицовка и изоляция.

В последние годы получили распространение облицовочные панели из стеклопластика на основе полиэфирных смол пониженной горючести.

Теплоизоляционные материалы в пассажирских вагонах снижают теплопередачу от металлической обшивки кузова во внутренние его помещения, сохраняют определенный температурный режим в вагоне. К теплоизоляционным материалам, используемым в вагоностроении, относятся пенополиуретаны. Кроме этого, широкое применение в вагоностроении нашли пенопласты, изготовленные на основе пенополистирола с порошкообразными добавками. Они имеют малую удельную массу, высокие тепло- и звукоизоляционные свойства, стойки к химическому и водяному воздействию.

Хорошие характеристики по сжимаемости позволяют использовать материалы на основе пенополиуретана и пенополистирола не только для теплоизоляции, но и в качестве элементов, поглощающих энергию при столкновениях.

Полимерные материалы используют при изготовлении диванов и спальных полок пассажирских вагонов, на каркасы которых укладывают эластичные пенополиуретановые подушки. Для обивки диванов и спальных полок применяется винилискожа пониженной горючести, представляющая собой тонкий рулонный материал на тканевой основе с нанесением на нее поливинилхлоридного покрытия.

Полы пассажирских вагонов покрывают износостойким поливинилхлоридным линолеумом марок «Метролин», «Транслин».

Изделия из полимеров используются в верхнем строении железнодорожного пути в качестве амортизаторов. Для снижения динамических нагрузок, возникающих при движении подвижного состава, используются амортизаторы — полимерные прокладки, которыми обкладывают с двух сторон металлическую подкладку между подошвой рельса и шпалой. Полимерные прокладки увеличивают трение между рельсами и металлической подкладкой, обеспечивают равномерную передачу давления от подошвы рельса на всю площадь подкладки и электрическую изоляцию рельсов от полотна. В качестве амортизаторов применяют резиновые прокладки. Для электрической изоляции закладных болтов от узла рельсового скрепления используют втулки из композиционного материала на основе полиамида.

Рост перевозок грузов и скорости поездов, повышение нагрузки на оси привели к необходимости создания изолирующего рельсового стыка, оборудованного воспринимающими механические нагрузки стальными накладками, изолированными от рельсов профилированными прокладками из полиэтилена низкого давления ПЭНД. Втулки и прокладки из этого же полимера применяют и для изоляции крепежных болтов в конструкции стыка. Такие стыки в 1,5 раза дешевле, чем стыки с накладками из древесно-слоистого пластика (последние сохранились только на метрополитене и на малонагруженных участках наземных дорог). Срок службы новых изолирующих стыков в два раза больше, чем у прежних.

Одним из важнейших строений верхнего строения пути, где необходимо использовать композитные материалы, является шпальное хозяйство. В настоящее время на железных дорогах в России применяются несколько типов шпал: деревянные; железобетонные; металлические и полимерные (пластиковые), которые успешно прошли испытания, но пока не нашли широко применения.

В качестве композиционного полимерного материала для изготовления пластиковых шпал используют полиэтилен низкого давления (ПЭНД) - до 50% с применением стабилизаторов, концентраторов и других присадок. В композитный состав шпал входит также стекловолокно, которое увеличивает прочность и долговечность этих железнодорожных изделий.

Состав ПКМ сохраняет все важнейшие физико-химические свойства ПЭНД: химическую стойкость, морозостойкость, высокие диэлектрические и изоляционные свойства, нечувствительность к удару, эластичность. Такие шпалы не деформируются и не боятся влаги, химически устойчивы, не ржавеют, не рассыхаются и не изменяют характеристик в диапазоне температур от +60 до -60°C. Материал шпал одновременно является диэлектриком, устойчивым к агрессивным средам и не подверженным электрокоррозии. Железнодорожные шпалы из переработанного пластика имеют срок службы более 50-ти лет и позволяют значительно сократить финансовые и кадровые затраты на их обслуживание [2].

Немаловажно и другое свойство ПЭНД - его экологичность. Он безопасен для организма человека при непосредственном контакте с ним, и легко может быть переработан вторично. Композитные железнодорожные шпалы могут производиться из отходов разных видов переработанного пластика, что позволяет защитить окружающую среду от пластиковых отходов.

Главными причинами того, что традиционные материалы на железной дороге следует активно заменять композиционными, являются: высокая коррозионная стойкость, повышенная прочность, малая плотность, отличные изолирующие свойства, хорошее шумопоглощение ПКМ. Кроме того, изделия из композитов более надежны и долговечны при работе, чем их аналоги из различных видов металлов.

Применение полимерных композиционных материалов (ПКМ) на железной дороге дает следующие результаты:

— замену дорогостоящих металлических сплавов в конструкциях, несущих пониженную нагрузку;

—уменьшение массы конструкций подвижного состава, что способствует повышению скорости;

—повышение безопасности перевозок путем применения поглотителей энергии удара при столкновениях;

— понижение уровня пожароопасности на подвижном составе;

— уменьшение трудоемкости при ремонте;

—повышение комфортности и эргономического уровня пассажирских вагонов в сочетании с долговечностью и минимизацией затрат на обслуживание;

— изделия из термопластичных полимеров могут быть переработаны вторично, что позволяет защитить окружающую среду.

Литература

1. Артеменко А.И. Удивительный мир органической химии. – М.: Дрофа, 2004.

2. Богданов А. Пластики на рельсах // Пластик. 2013. №8 (126). С. 16–22.

3. Дасковский М.И., Дориомедов М.С., Скрипачев С.Ю. Полимерные композиционные материалы в железнодорожном транспорте России (обзор) // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2016. №5. Ст. 06. URL: http://www.viam-works.ru

4. Зубрев Н.И. Инженерная химия на железнодорожном транспорте. – М.: Желдорпресс, 2000.

5. Никонов А. М., Гасанов А. И. Железнодорожный путь: учебник. — М.: ФГБОУ «УМЦ ЖДТ», 2013.