1. Теплоограждающие конструкции кузовов пассажирских вагонов

Типовой кузов современных пассажирских вагонов представляет собой цельнометаллическую сварную конструкцию, состоящую из набора про­дольных и поперечных элементов, обтянутых снаружи силовой обшивой из конструкционных сталей. В специальные проемы кузова укрепляются окна и двери. На внутреннюю поверхность силовой обшивы, после специ­альной обработки, включающей антикоррозионное покрытие, накладыва­ется теплоизоляция в виде матов, панелей или герметизированных пакетов. Теплоизоляция боковых стен и пола, в свою очередь, закрывается декора­тивными панелями из трудногорючих материалов. Планировка осуществ­ляется внутри кузова в соответствии с типом вагона (купейный, открытый, межобластной и т. д.), причем крепление оборудования жёстко связано с силовой конструкцией кузова с использованием различных металлических и деревянных профилей. Крыша вагона после укладки теплоизоляции об­тягивается изнутри тонколистовой оцинкованной сталью. Наружная по­верхность кузова типового вагона составляет величину порядка 290 + -i-300 м². Из них 10 •+■ 15 % приходится на поверхность окон. Таким обра­зом, теплотехнические качества вагона, характеризуемые величиной инте­грального коэффициента теплопередачи кузова, в статических условиях не должна превышать К_С1 < 1,0 Вт/м • К, как это определено ГОСТ на пасса­жирские вагоны [2].

1.1. Теплоизоляционные материалы

Качество теплоизоляции пассажирских вагонов является одним из главных факторов обеспечения требуемых санитарно-гигиенических норм в помещениях вагона в процессе эксплуатации, а также сбережения энер­горесурса при работе систем отопления и охлаждения.

Качество теплоизоляции зависит от многих свойств используемых ма­териалов. Например, величина водопоглощения теплоизоляционных ма­териалов (гидрофильность) значительно влияет на теплопроводность ма­териалов и теплотехнические качества кузова вследствие того, что при эксплуатации вагона влага за счет процессов диффузии проникает и ска­пливается в виде конденсата в изоляционном слое. Чем выше гидрофиль­ность материала, тем больше скапливается влаги и тем хуже становятся его теплотехнические качества вследствие возрастания коэффициента те­плопередачи. В таблице 1 представлены результаты теплотехнических ис­пытаний вагонов различных сроков службы с двумя типами изоляции.

Как видно из данных, приведенных в таблице 1, наиболее значитель­ные изменения коэффициента теплопередачи происходят в первые годы эксплуатации вагона. Кроме того, накопленная влага оказывает отрица­тельное воздействие на коррозионную стойкость металла кузова, на его долговечность.

Таблица 1. Коэффициент теплопередачи кузовов пассажирских вагонов

Срок эксплуатации вагонов	Кузов с гидрофиль­ными материалами	Кузов с гидрофоб­ным материалом
Новый вагон	0,95	0,95
5 лет	1,21	1,03
28—30 лет (весь срок службы)	1,35	1,15

Теплоизоляция является одним из важнейших элементов конструкции кузова. Поэтому к теплоизоляционным материалам, используемым для теплоизоляции кузовов пассажирских вагонов при их строительстве и ка­питально-восстановительных ремонтах предъявляются жёсткие требова­ния, регламентированные нормами ОСЖД (Памятка О Р538/1), которые перечислены ниже:

• негорючесть;

• виброустойчивость и механическая прочность;

• нетоксичность (вещества, выделяемые изоляцией в воздушную среду вагона, не должны превышать установленных значений ПДК);

• стабильность физикотехнических качеств в условиях эксплуатации;

• устойчивость формы при колебаниях температуры окружающей сре­ды в диапазоне от минус 65 °С до плюс 75 "С;

• однородность структуры материала;

• технологичность при укладке в ограждающие конструкции кузова вагона;

• обеспечение устойчивости к коррозии металла, соприкасающегося с теплоизоляцией;

• объемная масса не более 50 кг/м³;

• коэффициент теплопроводности при температуре 20 "С не более 0,040 Вт/(м • К);

• максимальное сорбционное увлажнение не более 5 % по массе;

• изолированный теплоизоляцией кузов пассажирского вагона должен иметь средний коэффициент теплопередачи в стационарных условиях не более 1,0 Вт/(м² • К) и эта величина после 6 лет эксплуатации не должна увеличиваться более, чем на 10 %.

Показатели водопоглощения, прочности и сохранности линейных раз­меров всегда дополнительно согласовываются с заказчиком.

Срок службы теплоизоляции должен соответствовать сроку службы ва­гона, т. е. 28 лет.

На протяжении более чем 25 лет в пассажирском вагоностроении при­менялся довольно технологичный, гидрофобный материал в виде плит из пенополистирола марок ПСБ и ПСБ-С-30, 40 (ГОСТ 15588), который по физико-техническим свойствам соответствует основным эксплуатационным требованиям вагоностроения: имеет малый объемный вес — 30 + 40 кг/м³, хорошие теплоизоляционные свойства (коэффициент теплопроводности при температуре 25 °С не более 0,035 Вт/м • К), имеет однородную струк­туру, достаточную прочность, сохраняет устойчивость формы при колеба­ниях температуры окружающей среды в диапазоне от минус 65 "С до плюс 75 "С и стабильность физико-технических качеств в условиях эксплуата­ции. Водные вытяжки пенополистирола не увеличивают скорость корро­зии металла. Вагоны с пенополистирольной изоляцией имеют довольно хорошие коэффициенты теплопередачи в пределах 0,95 + 1,0 Вт/м² ■ К. Од­нако в конце прошлого столетия использование пенополистирола для те­плоизоляции пассажирских вагонов было запрещено вследствие того, что при высокой температуре (при возникновении пожарных ситуаций) он поддерживает горение и при этом выделяет высокотоксичные продукты горения [3], которые в значительных количествах проникали через неплот­ности в салон и вызывали отравления пассажиров.

Вместо пенополистирола для теплоизоляции вагонов начали применять материалы из супертонкого стекловолокна торговых марок «ИСОВЕР» или «УРСА». Материалы эти не горят и не выделяют токсичных веществ, но плавятся при высоких температурах. К основным недостаткам этих мате­риалов относятся их высокая гидрофильность (в 5 + 6 раз водопоглощение выше, чем у ПБС-С), недостаточная механическая прочность, высокая сжимаемость.

Опыт эксплуатации первых опытных вагонов, теплоизолированных материалами типа «УРСА» и «ИСОВЕР», показал, что они полностью ут­рачивают свои первоначальные теплотехнические качества в течение го­да эксплуатации, что произошло вследствие значительного увлажнения. Для повышения стабильности теплоизоляции с использованием мате­риалов «УРСА» и «ИСОВЕР» были применены различные оберточные влагонепроницаемые пленки. Была разработана и применена на практи­ке на ОАО ТВЗ довольно эффективная технология пакетирования мате­риалов в различные виды парогидроизоляционной пленки: ТАФ-2, ТАФ-3, ПТГ, полиэтилен и др. В отличие от пленок ПТГ, пленки типа ТАФ-2 и ТАФ-3, выполненные из фторированного стекловолокна, не горят, но имеют высокую стоимость. Учитывая, что масса пленок, используемых для пакетирования относительно незначительна и не вызовет значитель­ных выбросов токсичных газов в салон вагона, особенно при очаговом возникновении возможных возгораний, ОАО «ТВЗ» стал использовать и выпускать серийные вагоны с применением «УРСЫ», предварительно герметично пакетированной в пленку ПТГ. При этом предусмотрено из­готовление пакетов различной конфигурации и толщины с учетом гео­метрии изолируемой поверхности кузова вагона. Технология укладки па­кетов осталась примерно той же, что и при использовании ПСБ-С. Од­нако благодаря «мягкости» новая изоляция укладывается с «поджатием» и «перекрышей». В результате, как показали испытания многих образ­цов, вагоны с такой изоляцией имеют довольно хороший коэффициент теплопередачи на уровне К — 0,85 Вт/м² - К и даже ниже. Следует, одна­ко, учесть, что при этом завод провел определенные работы по увеличе­нию плотности (герметичности) кузова и стал серийно применять алю- мопластмассовые окна с двухкамерными стеклопакетами, отличающи­мися более высокими теплотехническими качествами по сравнению с окнами с деревянными рамами. Выборочная проверка с проведением те­плотехнических испытаний вагонов, после различных сроков эксплуата­ции (1, 2, 3 года) показала, что коэффициент теплопередачи кузовов практически не изменился.

Однако существуют опасения, что вследствие недолговечности поли­этиленовой пленки, подверженной влиянию многих факторов, приводя­щих её к «старению», возможна утрата первоначальных свойств, разгер­метизация пакетов и разрушение теплоизоляции вагонов. Поэтому поиск новых видов высокоэффективных теплоизоляционных материалов для ва­гонов остается актуальной задачей.

В связи с этим рассматривались предложения по реанимированию пе- нополистирольных плит, защищённых различными огнестойкими мате­риалами. Сущность предложений заключалась в защите пенополистироль- ных плит тонкостенными огнестойкими материалами с использованием различных технологий их нанесения (пакетирование, автоматизированная наклейка специальными клеями и т. д.).

В качестве защитных материалов был предложен и исследован ряд отече­ственных материалов, основные показатели которых приведены в таблице 2.

Как видно из рассмотрения данных, представленных в таблице 2, огне­защитные материалы отличаются по физическим свойствам и стоимости, размерам и структуре выпускаемых материалов.

Так пенополиэтипен, представляющий собой сшитые листы толщиной 10-5-30 мм, не плавится и не разлагается до 400 °С. Закрытоячеистая струк­тура пенополиэтилена обеспечивает хорошие теплоизоляционные свойст­ва и низкую величину водопоглощения.

Слоистый материал типа А-30, представляющий собой пеноасбесг «Ритм» толщиной 30 мм с тремя слоями алюминиевой фольги толщиной 0,01 мм, имеет самый низкий коэффициент теплопроводности.

Пеноизол можно использовать методом напыления или заливки, что обеспечит высокую технологичность использования и повышенную плот­ность теплоизолирующих конструкций вагона.

Материалы типа ATM, изготавливающиеся на основе супертонких стеклянных или кремнеземных волокон и неорганических связующих тол­щиной от 3,5 до 20 мм, обладают высокой температурной стойкостью.

Базальто-волокнистый картон БВТМ, выпускаемый толщиной до 5 мм, отличается низким водопоглощением и стоимостью, технологичен, огне­устойчив.

Картон из керамического каолинового волокна ТКА толщиной до 5 мм, также как и БВТМ, огнестоек и технологичен, но стоимость его вы­ше почти в 4 раза.

Все рассматриваемые материалы для многослойной теплоизоляции хо­рошо обрабатываются механическим путем, эластичны, легко укладывают­ся в ограждающие конструкции кузова вагона и не требуют изменений су­ществующей организации технологического процесса при изготовлении термоизоляции пассажирских вагонов.

Для проверки эффективности предложений по использованию ПСБ-С с защитными пленками для испытаний на огнестойкость московской фир­мой «Гента», специализирующейся на изготовлении изоляции ПСБ-С в сочетании с защитными пленками, был подобран негорючий клей и изго­товлены следующие образцы.

• ПСБ-С, оклеенный базальтовым картоном и поверх него рулонным стеклопластиком.

• ПСБ-С, оклеенный рулонным стеклопластиком.

Наименование материала	Плот­ность, кг/м3	Коэффи­циент те­плопро­водности, Вт/м • К	Водопо- глошение (по весу) % (за 1 сутки)	Температу­ра исполь­зования, °С	Стои­мость С НДС, руб./м2
Пенополиэти- лен-50	50	0,030	до 4,0	макс. 400	200
Пенополиэти- лен-100	100	0,034	до 4,0	400	120
Минеральная вата -50, -75	35-75	0,041- 0,042	45-47	400	500- 600*
Иглопробивное полотно, пропи­танное латексом	0,99 (кг/м2)		50	200	60
Пеноасбест с тремя слоями алюминиевой фольги марки А-30	1 (кг/м2)	0,025	до 5,0	500
Пеноизол	8-25	0,030- 0,044	115	-5 -ь +120	100*
ATM-6	140	0,062 (260 °С)	84	макс. 300
АТМ-9	200- 500	0,067- 0,069 (260 °С)		40	макс. 300
Базальтовый картон — БВТМ	45	0,038	16	-269-ь +700	27
Керамическое волокно каоли­нового состава — ТКА	25	0,09 (400 °С)	12	ми­нус 250 ч- + плюс 1260	100
Пленка ТАФ-3	0,13 (кг/м2)		влагоне­проницае­мая	трудного­рючая	86
Рулонный стек­лопластик — РСТ	0,25 (кг/м2)		влагоне­проницае­мая	400	25

• ПСБ-С, оклеенный керамическим волокном ТКА.

• ПСБ-С, оклеенный базальтовым картоном БВТМ.

• ПСБ-С, оклеенный пленкой ТАФ-3.

Испытания проводились Тверским институтом вагоностроения (ЗАО НО «ТИВ»), аккредитованным для проведения испытаний по оценке огне­защитной способности материалов, по утвержденной ЦЛ и ЦУО МПС РФ «методике оценки эффективности защитной прослойки в ограждающих конструкциях пассажирских вагонов».

Следует отметить, что расчеты теплопередачи через плоскую много­слойную плиту [4] показывают, что вследствие незначительной теплоёмко­сти пористого теплоизоляционного материала температура его будет воз­растать с большой скоростью. Например, при скачкообразном повышении температуры у поверхности плиты неограниченной толщины от начальной /,= 20 "С до t_K= 800 "С температура на глубине 0,1 м (при коэффициенте теплопроводности X = 0,04 Вт/м* • К) будет равна 460 °С через 5 минут, на поверхности t„= 753 "С, на наружной поверхности t_H= 53 °С.

Распределение температур в термоизоляционном слое при стационар­ном режиме теплопередачи будет линейное, причем температура почти по­ловины термоизоляции, примыкающей к наружной поверхности, в начале пожара не достигнет температуры самовоспламенения пенополистирола (ПСБ-С), которая составляет примерно 400 "С. Такое повышение темпе­ратуры в этой части конструкции возможно по мере испарения и разруше­ния термоизоляции, примыкающей к помещению, где происходит пожар.

Огнезащитные негорючие пленки и другие негорючие покрытия тол­щиной в несколько мкм не создают значительного термического сопро­тивления, то есть не могут препятствовать процессу нагрева теплоизоля­ции в результате их малой теплопроводности, но, несмотря на это их при­менение представляется эффективным по следующим причинам. Горение термоизоляционного материала (например, ПСБ-С) будет происходить в замкнутом пространстве между огнезащитной пленкой и металлической ограждающей конструкцией за счёт кислорода, содержащегося в порах ма­териала, практически без притока его извне. Ограждающая конструкция будет заполняться продуктами сгорания, что препятствует развитию про­цесса горения.

В результате испытаний было выявлено, что все испытанные материалы — рулонный стеклопластик РСТ, базальто-волокнистый теплоизоляционный материал БВТМ, керамическое каолиновое волокно ТКА, ТАФ-3 облада­ют достаточной поверхностной плотностью, обеспечивающей невоспла­меняемость теплоизоляции ПСБ-С при огневом воздействии по темпера­турному режиму реального пожара, то есть, предложенные сочетания ма­териалов отвечают требованиям пожарной безопасности по огнестойкости.

В этом случае при выборе вида огнезащитного материала следует исхо­дить из технологической, экономической и эксплуатационной целесооб­разности.

Учитывая, что толщина огнезащитного слоя по отношению к толщине слоя ПСБ-С составляет всего около 10 %, а также то, что материал ПСБ-С является маловлагоёмким и то, что огнезащитный слой должен прилегать к теплой (внутренней) стене вагона и, следовательно, при эксплуатации вагона будет сухим, можно рекомендовать не ставить гидрозащитную прокладку.

Исходя из данных таблицы 2, следует, что наиболее дешёвым является базальтовый картон, к тому же он выпускается серийно и в достаточном количестве, легко поддается раскрою, имеет небольшую плотность и ма­лую влагоёмкость, высокие пожарозащитные свойства. Поэтому предлага­ется в качестве теплоизоляции использовать композицию из двух материа­лов, а именно, к наружной (холодной) стене располагать слой ПСБ-С, а к внутренней стене располагать слой БВТМ, который, будучи приклеен к поверхности плиты ПСБ-С, защищает её от воздействия мощного источ­ника тепла, что приведет не только к замедлению расплавления материала, но и, самое главное, предотвратит его возгорание.

Полученные расчетные и экспериментальные данные по исследова­нию влияния защитных свойств огнезащитных материалов, наклеенных на поверхность изоляционной плиты из ПСБ-С, позволяют заключить, что эти материалы не защищают от разрушения (оплавления) слоя изоля­ции пассажирского вагона при воздействии на внешние поверхности ку­зова мощного высокотемпературного теплового потока, например, в слу­чае, когда происходит пожар в аналогичном вагоне, стоящем напротив на соседнем пути.

В результате такого воздействия, вагон в короткий отрезок времени полностью «потеряет» теплоизоляционный слой из ПСБ-С за счет его оп­лавления. При этом первоначальная поверхность изоляции резко сокра­тится и её полное сгорание в дальнейшем зависит от условий подведения тепла к массе жидкой фазы ПСБ-С со значительно меньшей поверхно­стью. Поэтому для защиты наружной поверхности стен вагона от воздей­ствия повышенных температур от соседнего, стоящего параллельно вагона, целесообразно плиту ПСБ-С оклеивать с двух сторон, что удорожит изо­ляцию незначительно, но её надежность с точки зрения защиты от пожа­роопасной ситуации увеличится.

Следует отметить, что такие теплоизоляционные материалы, как «УРСА» или «ИСОВЕР», упакованные в полиэтиленовую пленку, также оплавля­ются при воздействии мощного теплового потока и вагон также теряет свои теплозащитные качества. Не оплавиться и сохранить свои объемные показатели могут только такие материалы, как пороволокнит, пенобазальт, минеральная вата, но только при непродолжительном воздействии тепло­вого потока, при этом отдельные физико-химические показатели могут из­мениться.

Поэтому целесообразно изготовление теплоизоляции кузовов вагонов при выполнении КВР из плит ПСБ-С с оклейкой на внутренней поверх­ности огнезащитного материала БВТМ. Для повышения надежности огне­защиты возможно применить дополнительное покрытие второй стороны теплоизоляционного слоя тем же материалом БВТМ. Для сохранения теп­лоизоляционного слоя от воздействия влаги возможно использовать в ка­честве третьего слоя материал РСТ.

Предложенный композиционный материал одобрен специалистами ва­гоностроительного (ОАО «ТВЗ») и вагоноремонтных заводов. По данным ВНИИЖГ токсичность защищённых материалов типа ПСБ-С при воздей­ствии на них повышенных температур не превышает допустимых норм и даже ниже, чем дают некоторые другие материалы, используемые в ваго­ностроении, например, пенополиуретан.

Если возможность использования защищённого ПСБ-С и определена вышеприведенными испытаниями, то целесообразность зависит от эконо­мической эффективности, учитывающей стоимости материалов.

В таблице 3 приведены данные необходимых объёмов (из расчета на 1 вагон) тепло-, гидро- и огнеизоляционных материалов, а также их стои­мости. Величины взяты по данным Воронежского вагоноремонтного заво­да им. Тельмана и фирмы «Гента».

Таблица 3. Необходимое количество материалов и их стоимость при различных видах ремонта

Показатель	Цена 1 ед. измерения	КВР	КР-2	КР-1
				1-й р.	2-й р.
Планируемое количест­во вагонов (ВРЗ им. Тельмана) на 2000 г., шт.	—	100	55	50	115
Минеральная вата, м3 Стоимость на 1 ва­гон, руб.	660 руб./м3	21	7	0,3	2
	—	13860	4620	198	1320
«УРСА», м3 Стоимость на 1 ва­гон, руб.	1300 руб./м3	21	7	0,3	2
	—	27300	9100	390	2600
Пленка ПТГ, м2 Стоимость на 1 ва­гон, руб.	13,5 руб./м2	1100	708	13	88
	—	14850	4158	176	1188
Пленка ТАФ-3, м2 Стоимость на 1 ва­гон, руб.	86 руб./м2	1100	708	13	88
	—	94600	60888	1119	7568
Клей 88, кг	52 руб./кг	130	80,5	1,5	10
Стоимость на 1 ва­гон, руб.	—	6760	1820	78	520
Трудозатраты: нормо-часы руб.
	4,42 руб.	549	93	13
	—	2427	411	57,5
ПСБ-С, м3	980 руб./м3	21	7	0,3	2