книги из ГПНТБ / Ситковский, И. П. Полимерные материалы на зарубежных железных дорогах

Г л а в а 4

ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ВЛОКОМОТИВАХ

1.Общие сведения

Многие виды полимерных материалов используются для изготовле­ ния деталей разнообразного оборудования современных локомотивов. Сочетание своеобразных свойств различных пластмасс и резин в ряде случаев позволило улучшить технические характеристики локомотив­ ного оборудования, повысить его надежность и увеличить межремонт­ ные сроки эксплуатации. Создание и развитие промышленного выпус­ ка новых, более совершенных полимерных материалов привело в по­ следние десятилетия к еще большему их применению для деталей и эле­ ментов всевозможного оборудования электровозов, тепловозов и мо­ торвагонного подвижного состава.

На зарубежном железнодорожном транспорте полимерные мате­ риалы в локомотивах находят разнообразное применение. Они исполь­ зуются для деталей и элементов конструкционного, амортизационного, тепло-звуко-гидроизоляционного и фрикционного назначения. Начи­ ная с 1960 г. наиболее характерной является тенденция к росту при­ менения пластмасс в конструкции экипажной части и резин в аморти­ зирующих устройствах и ходовых частях локомотивов. Объясняется это стремлением к улучшению общих динамических характеристик

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 электроизоляцион­ ными свойствами, чем ранее применявшиеся.

2. 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 теплопровод­ ность, способствовало сохранению тепла зимой и меньшему нагреванию < помещения летом. Высокая удельная (отнесенная к удельному весу) прочность открывала возможность некоторого снижения веса кон­ струкции.

Применение стеклопластиков в конструкции кузовов локомоти­ вов стимулировалось к тому же их коррозионной стойкостью и спо­ собностью поглощать и гасить вибрацию и колебания звуковых частот.

130

Положительное значение, сыгравшее определенную роль в приме­ нении стеклопластиков в локомотивостроении, имело и то, что эти пластики обладают высокой устойчивостью к воздействию влаги, имеют высокие электроизоляционные свойства и обладают опреде­ ленными преимуществами технологического характера.

Наиболее высокая прочность стеклопластиков достигается обычно при использовании их в качестве оболочек трехслойных конструкцион­ ных панелей типа «сэндвич». Детали из стеклопластика могут изго­ товляться обычным для переработки пластмасс прессованием. Сте­

в холодном состоянии и при повышенной температуре до 100° С и более

и напыления, при которых смесь полимерного связующего с отверди­ телей и стеклянным наполнителем наносится на негативную форму изделия и полимеризуется на ней при нормальных давлении и темпера­ туре. Детали из стеклопластика изготовляют также методом прессова­ ния с эластичным пуансоном под вакуумом или под избыточным давле­ нием. В этих случаях для прессования детали необходима только одна полуформа из любого материала. На нее укладывается заготовка про­ питанного смолой стеклонаполнителя и накрывается эластичным пу­ ансоном, обычно изготовляемым в виде резинового мешка. Формова­ ние детали эластичным пуансоном осуществляется при помощи давле­ ния, создаваемого накачиваемым в эластичный пуансон воздухом или при помощи вакуума, создаваемого между поверхностью формы и ма­ териалом, прижимаемым к ней эластичным пуансоном. Все эти способы создают возможность относительно простого изготовления из стекло­ пластиков 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 стекло­ пластика изготовлены крыша и верхняя часть наружной обшивки. Пластмассовыми крышами оборудованы английские тепловозы мощ­ ностью 3300 л. с. и некоторые моторные вагоны дизельных поездов. Б 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 ло­ бовые части кузовов, а на электровозах серии ВВ9400 — боковые пане­ ли кузова, включая панели, оборудованные жалюзи (рис. 92).

В ФРГ из стеклопластиков изготовляют крупногабаритные эле­ менты кузова, резервуары для водяного отопления и другое обору­ дование локомотивов (рис. 93).

На локомотивостроительном заводе в Хеннингсдорфе (ГДР) на опыт­ ном шестиосном электровозе переменного тока из стеклопластика из­ готовлены крыша капота и потолок кабины машиниста. Крыша капота размером 2,2 X 2,6 м 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 локо­

крышевых частей капотов и кабин машиниста. Эти элементы кузова выполнены в виде трехслойных конструкционных панелей типа «сэндвич» с оболочками из листовых стеклопластиков и проме­ жуточными слоями из бумажнослоистого сотопласта на основе фенолоформальдегидных смол. Средняя часть капота имеет оболочки панелей толщиной 3 мм с приклеенными снаружи стальными хому­ тами. По контуру наружной части крыша капота снабжена стальной рамой толщиной 3 мм с крепежными деталями для крепления элек­ трического 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. Гнездо для установки прожектора отформовано одновременно и за одно целое

Ч"

Рис. 92. Французский электровоз с кабинами управления из стеклопластика

132

Рис. 93. Тепловозы железных дорог ФРГ с кузовами из стеклопластика:

а — серии V200; б — серин V180

133

с корпусом кабины. Применение стеклопластика и других синтетиче­ ских материалов при изготовлении электровоза серии Е11 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 локо­ мотива и уменьшены трудоемкость и стоимость кузова, так как изго­ товление кузова обтекаемой формы из стеклопластика оказалось проще и дешевле, чем из стали. Кабины управления, стены кузова и крыши кабин управления изготовлялись из стеклопластика методами контакт­ ного формования и напыления с применением трехслойных конструк­ ционных панелей из стеклопластика. Использование' стеклопластика и других пластических масс позволило усовершенствовать конструк­ цию 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 состав­ ляет 120 т . Минимальный радиус кривых 120 м. Электровоз предназна­ чен для вождения скоростных грузовых и пассажирских поездов. Из­ менением 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 пласт­ масс были выполнены лишь кабины управления. Эксплуатационные испытания показали высокую прочность и надежность кабин из пласт­ масс. Использование стеклопластика улучшило звуко-и теплоизоля­ цию 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

134

щие элементы конструкций кузовов вагонов выполнялись из тонколи­ стового 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 ли­ стов, соединенных друг с другом наполнителем из твердого пенопласта толщиной 40 мм с удельным весом в пределах от 0,1 до 0,15 г/см3, 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 лис­ тов оболочек. В то же время пенопластом, заключенным между оболоч­ ками, 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 склеи­ вают рамочные и перегородочные профили; первый лист оболочки па­ нели приваривают или приклеивают к рамке, протравливают с внут­ ренней стороны и к нему приклеивают мат из стекловолокна; монти­ руют распределительную трубу с наполнительным штуцером для заливки компонентов, образующих вместе со стекломатом теплоизо­ ляционный слой панели, и сверлят отверстия для выпуска воздуха. Затем приклеивают мат из стекловолокна ко второму листу; уплот­ няют кромки у перегородок, а также приваривают или приклеивают второй лист к одному из продольных профилей. После этого обе оболоч­ ки монтируемой панели устанавливают в кондукторе с контрпрофиля­ ми и в полость между оболочками заливают компоненты, образующие промежуточный слой из теплоизоляционного пенопласта. Заливку ком­ понентов 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 сбслсчками панелиблока смешиваются три компонента пенопласта — модифицированный полиэфир, диизоцианат и газообразующий активатор, состав, разо­ греваясь до температуры 130° С, вспенивается и полностью заполняет полость панели, пропитывая одновременно мат из стекловолокна. Объ­ ем теплоизоляционного слоя рассчитывается так, чтобы во время вспе­ нивания его состава создавалось давление несколько более 5 атм, чем обеспечивается достаточное усилие, прижимающее листы обо­ лочек панели к контрпрофилю кондуктора с образованием их глад­ ких 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 ваго­ на электросекции, покрывают пленкой из поливинилхлоридного плас­ тика, соответствующей по цвету и рисунку внутреннему декоратив­ ному оформлению вагона.

135

Для соединения панелей-блоков при монтаже кузова используются зажимные скрепления, с помощью которых обрезные кромки блоков вдвигаются и фиксируются винтами в соответствующих пазах карка­ са кузова.

Головной вагон электропоезда вместе с ходовыми частями, с кузо­ вом обычной, облегченной стальной конструкции длиной 16 м весит 15 т, а с кузовом описанной конструкции — 10 т. Вес укомплекто­ ванного 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 раз­ личным объемным весом и соответствующими механическими свойст­ вами (табл. 11).

ся с использованием в качестве оболочек анодированных, эмалирован­ ных и окрашенных листов из алюминиевых сплавов (без наружной отделки), стальных — чистых, оцинкованных, окрашенных, эмали­ рованных или покрытых пленкой из поливинилхлоридного пластика, а также листов из нержавеющей стали или стеклопластика. Струк­ тура этого пенопласта на 95% состоит из закрытых пор, поэтому он практически негигроскопичен и не увлажняется, что позволяет приме­ нять его также для защиты от коррозии.

Применение стеклопластиков в элементах кузовов локомотивов позволяет также наиболее простым способом решать задачи архи­ тектурно-эстетического характера. На заводе ЧКД (Прага) при проек­ тировании 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 исполь­ зование стеклопластиков (рис. 95) [1].

Т а б л и ц а 11

Основные прочностные характеристики мольтопрена

136

Рис. 95. Тепловоз постройки ЧССС с кабинами управления, крышей и па­ нелями 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 исполь­ зованием пластиков [2]. Стены кабины управления и крыша кузова ло­ комотива изготовлены из трехслойных конструкционных панелей типа «сэндвич» с оболочками из листового стеклопластика на основе поли­ эфирной смолы. Средний теплоизоляционный слой выполнен из бумаж­ нослоистого 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 дости­ гает 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 из­ готовлены с применением полупрозрачного листового стеклопластика,

усмотрело конструкцию кабин машинистов из стеклопластиков [4]. 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. Теп­

137

лоизоляция стен кузова и кабин управления этих локомотивов осу­ ществляется пенополистиролом, армированным стекловолокном. Кон­ цевые элементы крыши, кузова и входные дв'ери имеют такую же трех­ слойную конструкцию.

На Лейпцигской ярмарке 1968 г. демонстрировался электровоз се­ рии Е211 переменного тока с кремниевыми выпрямителями мощностью 3360 кет, 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

срезиновыми кольцевыми амортизаторами передачи крутящего мо­ мента.

Благодаря применению высокопрочной стали и профилированных элементов, в комбинации со стеклопластиком была получена легкая и прочная конструкция кузова локомотива. В электровозах этой кон­ струкции, эксплуатирующихся на железных дорогах ГДР, кабины ма­ шиниста выполнены в виде трехслойных конструкций типа «сэндвич» с оболочками из стеклопластика на основе полиэфирной смолы. В ка­ честве 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 предусмот­ рены панели, также выполненные из стеклопластика, предназначен­ ные для монтажа измерительных приборов. Все двери и промежуточные стены со стороны кабин управления отделаны декоративным пла­ стиком.

Крыша машинного отделения состоит из трех съемных секций, так­ же выполненных из трехслойных конструкционных панелей типа «сэндвич» с оболочками из стеклопластика и с внутренним заполнением из бумажнослоистого сотопласта. Толщина оболочек панелей из стек­ лопластика около 1,5 мм, а толщина промежуточного слоя сотопласта

2,5 до 3 мм. По всем крышевым секциям проложены переходные ра­ бочие мостки.

На дорогах Южной Америки эксплуатируются маневровые тепло­ возы мощностью 35 л. с.

Кузова их целиком выполнены из стеклопластика. Кабины маши­ нистов изготовлены из трехслойных панелей типа «сэндвич» с оболоч­ ками из стеклопластика и внутренним заполнением из пенополиуре­ тана. Это позволило повысить коррозионную стойкость кузовов локо­ мотивов, 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 технико­ экономическую целесообразность строительства крайних крышевых элементов и кабин управления локомотивов из стеклопластика. Для

138

кабин применяется в комбинации со стальным решетчатым каркасом стеклопластик толщиной 3 мм, а для крышевых элементов — стекло­ пластик толщиной 1,2—1,5 мм. За одно целое с основым корпусом кабины управления в электровозах отформованы приборная панель, часть пола, наружные монтажные гнезда прожектора и нижних сиг­ нальных фонарей. Изготовление кабины со всеми ее элементами одно­ временно осуществляется формовкой стеклопластика на основе поли­ эфирных смол, на деревянных моделях методом контактного формо­ вания.

Наряду со стеклопластиком, применяемым для изготовления эле­ ментов кузова, в зарубежном локомотивостроении при изготовлении деталей и элементов разнообразного локомотивного оборудования ши­ роко используют и другие пластмассы. Поливинилхлорид применяют для защитных кожухов некоторого оборудования и для защитных ко­ зырьков от солнечных лучей на лобовых и боковых стеклах кабин, материалы на основе полиамидных смол (дедерон) — для изготовления воздушных фильтров, перфоль—для оболочки волокнистой звукоизоли­ рующей массы. Полиамид вифлон применяют для изготовления матов— воздушных фильтров. Пенополистирол часто используют для тепло­ изоляции.

Из фенопластов выполняют многие корпуса электроаппаратов, приборов, рукоятки и многие детали общетехнического и вспомо­ гательного назначения. Из аминопластов на основе меламино- и карбомидноформальдегидных 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 электро­ возов постоянного тока английской постройки на 3000 в весом 80 т и мощностью 2080 кет, обладающие скоростью до 125 км/ч. С целью сни­ жения веса кабельные каналы, двери, пульты управления машиниста, кожуха, контроллеры и индуктивные шунты выполнены из стекло­ пластиков.

Различные пластмассы успешно и широко применяют и во вспомо­ гательном локомотивном оборудовании. Например, на тепловозе ДК137 типа 4 Английских железных дорог в системе привода объединенной насосной установки применены зубчатые колеса, выполненные из найлона, армированного стекловолокном [7]. Такой привод был приме­ нен вместо обычного из стальных зубчатых колес с целью обеспечения работы этого узла без подвода смазки. Установка работает от электро­ двигателя мощностью 7,5 л. с. при 2440 об/мин. Температура зубьев колес при работе достигает ~70° С. Преимущества нового (армирован­ ного волокном) пластика по сравнению с неармированным заклю­ чается в большой прочности, а также в том, что снижается коэффи­ циент трения колес и их износ.

Много различных полимерных материалов применяется для сниже­ ния вибрации и уровня шумов в локомотивах и электропоездах, для изоляции тяговых электродвигателей, в устройствах фильтров, в узлах трения и в амортизирующих устройствах.

139