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

3. Звукоизоляция

Свойства полимерных материалов открывают новые пути для улуч­ шения не только комфортабельности, но и звуко-виброизоляции внут­ ренних помещений локомотивов, их кабин управления и вагонов элек­ тросекций. Эти возможности начинают интенсивно использоваться за­ рубежными дорогами.

На железной дороге Нью-Йорк — Вашингтон эксплуатируются двух- и трехвагонные секции электропоезда, в центральном подвешива­ нии вагонов которого [8] применены резино-пневматические рессоры. Особое внимание в конструкции вагонов было уделено улучшению их звукоизоляции.

На раме кузова вагона под слоем стекловолокнистой термоизоля­ ции нанесен специальный звукопоглощающий материал. Пол и нижняя часть стен вагонов покрыты ковром из микропористой резины толщиной 4,8 мм, поверхности интерьеров-салонов отделаны меламиноформальдегидным декоративным пластиком.

Кабина английского тепловоза типа «Кестрел» с электропередачей мощностью 4000 л. с. имеет хорошую тепло-звуко- и виброизоляцию стен, полов и крыши, обеспеченную полимерными материалами. Дополнительно в целях снижения шума и вибраций в опорах каби­ ны предусмотрены специальные перегородки и упругие резиновые

Рис. 96. Английский тепловоз «Кестрел» с кабинами и элементами кузова, обеспечивающими высокую звуко- и внбронзоляцию благодаря использо­ ванию полимерных материалов

140

и кабинами машиниста и резиновые прокладки значительно снижают уровень шума и вибрации. Содействует этому и герметизация кабин машиниста, осуществляемая с помощью резиновых уплотнений, пол­ ностью исключившая неплотные сопряжения и сквозные щели окон

идверей.

Вкузовах локомотивов Французских железных дорог для повы­ шения эффективности шумопоглощения и виброизоляции также широ­ ко используются звуко-вибропоглощающие свойства полимерных ма­ териалов.

Применение полимерных материалов для звукоизоляции стен кузова и конструкций съемных пластмассовых лопастей вентиляторных колес значительно снизило шум в помещениях локомотивов [10]. Содейство­ вало этому и широкое применение пластмасс в элементах конструк­ ции крыши, стен кабины машиниста, пультов управления.

В тепловозах серии 68000 (мощность 2700 л. с. с нагрузкой на ось 18 т) звукоизоляции было уделено особое внимание. Уровень шума в этом локомотиве между кабиной управления и машинным отделением в режиме максимальной скорости не превышает 80 дб. Лопасти вен­ тилятора холодильника производительностью 35 м31мин покрыты сло­ ями специальной мастики, что снизило частоту собственных колебаний лопастей и подняло коэффициент звукопоглощения по сравнению с ло­ пастями из алюминиевого сплава. Выхлопная система двигателей обору­

которых исключает возможность возникновения колебаний высокой частоты.

Втепловозах типа Д443 Итальянских железных дорог главная рама

икузов не сварены. Для предотвращения передачи шума и вибрации от ходовых частей и главной рамы к более легкой конструкции рамы кузова главная рама сварена целиком, тогда как кузов состоит из трех частей.

Центральная часть кузова смонтирована на главной раме с использованием промежуточных виброгасящих резиновых уплотня­ ющих прокладок. Сопряжение ее с двумя примыкающими концевыми частями кузова осуществлено также с использованием резиновых про­ кладок в стыках, обеспечивающих гибкость соединения и предотвра­ щающих возникновение вибрации, проникновение шума и попадание пыли и влаги.

В конструкции крыши, внутренних перегородок, лобовых и боко­ вых стен кабин машиниста этих тепловозов применены тепло- и звуко­ изолирующие покрытия большой толщины. Деревянные полы кабин, уложенные на стальное перекрытие, облицованы резиновым покрытием. Двери также имеют изолирующие покрытия значительной толщины. Внутренняя поверхность дизельного помещения и перегородки по­ крыты специальным антивибрационным составом. Наружные буксы соединены с балансиром с помощью шарниров, оборудованных рези­

141

новыми амортизирующими втулками типа сайлентблоков. Боковые подвески также имеют резиновые элементы этого типа. Вторичное подвешивание выполнено с комплектом спиральных пружин, работа­ ющих совместно с резиновыми элементами. В подвешивании тяговых двигателей также применяются резиновые шарниры типа сайлент­ блоков.

В ФРГ построено 30 тепловозов с гидропередачей мощностью 4000 л. с. [11] с нагрузкой на оси 22 т. Вес тепловоза около 88 т, конструкционная скорость до 130 км/ч. В этих тепловозах кузов разделен на 7 изолированных помещений: 2 кабины машиниста, 2 кон­ цевых отделения, 2 машинных отделения и 1 помещение холодиль­ ника.

Разделяющие перегородки и двери между машинными отделениями и кабинами двойные, выполненные в виде трехслойных конструкцион­ ных панелей. Они снабжены хорошей звукоизоляцией из полимерных материалов. Боковые стены машинного отделения изнутри тоже по­ крыты звукопоглощающей мастикой. Промежуточные стены между другими помещениями снабжены звукопоглощающей обмазкой. Все стены кабин машиниста снабжены звукоизоляцией. Рама тепловоза опирается на 4 резиновых диска, уложенных в стальные тарелки (поддоны) на середине рессорной балки.

На Японских железных дорогах эксплуатируются электропоезда серии 581, предназначенные для перевозки пассажиров в любое время суток [12].

В составе этого поезда 12 вагонов, которые имеют 616 мест для сидения или 444 спальных места. Для обеспечения тепло- и звуковиброизоляции конструкция боковых стен вагонов имеет слой напы­ ленного состава из синтетических смол и асбеста толщиной 15 мм и промежуточный слой стекловолокна толщиной 50 мм. Конструкция пола снабжена изоляцией из стекловолокна толщиной 25 мм. Верхние и средние откидные полки размером 1900 X 700 мм изготовлены из стеклопластика.

На железных дорогах Греции эксплуатируются тепловозы с элек­ трической передачей весом 108 т с конструкционной скоростью 120 км/ч [13]. Кузова тепловоза покрыты внутри звукопоглощающей обмаз­ кой. Стены кабины машиниста имеют внутренний тепло-звуко-виб- роизоляционный слой из стекловаты и перфорированных листов для звуко- и теплоизоляции. Созданы благоприятные условия для работы локомотивных бригад — уровень шума не превышает 88 дб. Рама с кузовом смонтирована на тележках с опорами из восьми резино-ме­ таллических элементов. Наибольший прогиб таких рессор рамного подвешивания составляет 60 мм, а общий статический прогиб рессор локомотива в целом — 95 мм.

На электровозах серии Re 4/4 Швейцарских железных дорог мощ­ ностью 4780 кет, с максимальной скоростью 140 км/ч и сцепным весом 80 т корпуса вентиляторов для уменьшения шума смонтированы на резиновых элементах и оклеены внутри звукопоглощающей массой. Корпуса соединяются с воздуховодами также с помощью пористых резиновых прокладок [14].

142

4. Изоляция тяговых электродвигателей

Стремление к повышению надежности и улучшению качества изо­ ляции тяговых электродвигателей привело к настойчивым поискам бо­ лее совершенных изоляционных материалов. На протяжении последних 10—15 лет на многих зарубежных железных дорогах в этой области проводятся интенсивные исследования и разработки. Стимулируются они и постоянной тенденцией к увеличению мощности тяговых элек­ тродвигателей. Изыскания осуществляются в направлении улучшения изоляции обмоток якорей тяговых электродвигателей путем исполь­ зования новых полимерных материалов, которые обладают свой­ ствами, превосходящими прежние. Большинство их обладает высо­ кими электроизоляционными характеристиками. Многие из них наряду с этим имеют хорошие адгезионные свойства. Материалы на основе термореактивных смол обладают к тому же достаточно высокой теплостойкостью и стойкостью к воздействиям воды и многих раство­ рителей.

В связи с этим в зарубежном локомотивостроении в порядке широ­ кого экспериментирования и применения для этих целей в последнее десятилетие используются различные материалы на основе алкидных, эпоксидных, меламиновых, фенольных, силиконовых, полиэфирных смол и их сополимеров. Растущие требования к качеству изоляции тя­ говых электродвигателей и тяжелые условия работы ее, главным обра­ зом из-за воздействия переменной температуры, требуют от изоляции не только сочетания высокой электрической и механической прочности с теплостойкостью и высокой адгезией к металлу проводников, но и стабильности всех характеристик в течение времени эксплуатации дви­ гателей. Применение новых изоляционных материалов позволило на зарубежных железных дорогах за последнее десятилетие улучшить ка­ чество изоляции тяговых электродвигателей. Постепенно был совершен переход от изоляции класса В к классу F, а затем и к классу Н [15]. Это значительно подняло термостойкость изоляции, повысив ее спо­ собность длительное время работать при температуре соответственно 130°, 155°, а затем и 180° С. В свою очередь, это позволило постепенно увеличить мощность двигателей. Вместе с тем работы по дальнейшему совершенствованию изоляции продолжаются. В настоящее время су­ ществует и на зарубежных локомотивах применяется много фирменных

создана и применяется новая эмалевая изоляция, известная под фир­ менной маркой ML [15]. Кроме эмали ML, создан для этих целей изо­ ляционный материал каптон-тефлон. Параллельно с хорошим качеством новых типов изоляции заметные преимущества в электровозах были достигнуты благодаря лучшему использованию пазов якоря. Ряд фар­ форовых изоляторов в электрических цепях электровоза заменен на изоляторы из стеклопластика.

143

На французских новых двухсистемных электровозах серии СС 21000

изоляции в них также применялась эмаль ML, представляющая собой материал на основе полиимидных смол и обладающая лучшими харак­ теристиками, чем изоляция, относящаяся к классу Н. Она использова­ лась для покрытия обмотки секций якоря. При этом слой эмали, на­ несенный толщиной вдвое меньшей, чем толщина слоя обычных изоля­ ционных материалов, обеспечивает то же качество изоляции. Это по­ зволило разместить в пазу якоря медь обмотки большого сечения, что существенно улучшило тепловой режим работы двигателя. Увеличение мощности двигателя, полученное благодаря использованию изоля­ ции типа ML, составляет около 20%.

Одновременно в тяговых двигателях Французских электровозов используется и другой тип изоляции кэптон. Она применяется в виде пленки для обертывания проводов якорной обмотки. Для повышения изоляционных качеств и адгезии на поверхность медных шин накла­ дывается тонкий слой тефлона. Толщина такой изоляции несколько больше, чем покрытие эмалью ML, однако ее качества выше. Кэптоитефлоновая изоляция считается сейчас основным изоляционным мате­ риалом для тяговых электродвигателей французских железных дорог. Кроме хороших изоляционных качеств, она обладает высокой меха­ нической прочностью, термоустойчивостыо, стойкостью к растворите­ лям и отсутствием текучести при высоких температуре и давлении.

Помимо изоляции, полимерные материалы давно применяются и для других деталей и элементов тяговых электродвигателей в це­ лях улучшения их конструкции, повышения надежности и улучшения электрических характеристик.

На итальянских электровозах, например, серии Е444, мощностью до 3000 кет, предназначенных для скоростных поездов, для уменьше­ ния потерь и увеличения допускаемой окружной скорости якорей, металлические бандажи якорей тяговых электродвигателей были за­ менены стеклопластиковыми, выполненными намоткой стеклоленты, пропитанной полиэфирными лаками и смолами. Усовершенствованные теплоэлектровозы Британских железных дорог также оборудованы тяговыми электродвигателями, имеющими стеклопластиковую бандажировку якорей [16].

При усовершенствовании электрических передач тепловозов на же­ лезных дорогах США для повышения надежности электрооборудования было внесено несколько существенных изменений в конструцию тяго­ вых двигателей и других элементов электропередачи [17]. Конструкция обмоток возбуждения главного генератора, например, была улучшена дополнительными алюминиевыми пазовыми клиньями между каждой секцией обмоток и амортизирующими прокладками на основе кремнийорганического полистирола. Такая конструкция позволила пропус­ кать через обмотки более высокие токи, поскольку новая изоляция способна выдержать повышенный перегрев.

До 40-х годов при конструировании щеток основное внимание уде­ лялось их прочности, коммутационным свойствам, а также обеспече-

144

нию щеток прочными токоведущими проводами [17]. Однако повышение скоростей движения локомотивов потребовало увеличения мощностей двигателей за счет повышения окружных скоростей вращения коллек­ торов и плотности тока. Поэтому сплошные щетки стали малопригодны­ ми. Для этих условий создана и применяется новая конструкция ще­ ток с соответствующими щеткодержателями. Для генераторов созда­ ны разрезные щетки, состоящие из трех частей. Они изготовлены из высокопрочного материала. Повышение прочности достигается за счет обработки материала соответствующими синтетическими смолами.

В зависимости от условий работы применяется различный мате­ риал. При тяжелых условиях (с возможностью появления кругового огня, потемнения пластин коллектора или их подгаров) применяются щетки с менее плотной структурой, не пропитанные смолами, но име­ ющие более короткий срок службы. Износ щеток составляет 0,13— 0,05 мм на каждые 1000 км пробега для пассажирских локомотивов- и 0,15—0,1 мм — для грузовых.

Для тяговых двигателей применяются электрографитовые щетки, разрезные, снабженные токоведущим проводом. Материал пропитан синтетическими смолами. Применяемые смолы не должны плавиться, разлагаться и образовывать нагар на поверхности коллектора при температуре до 2000° С. В 1947 г. разработаны и запатентованы мно­ гослойные щетки. Щеткодержатели обычно отливаются из бронзы или штампуются из сплава алюминия с бронзой или из высокопрочной латуни.

5. Фильтры

Некоторые полимерные материалы начинают успешно применяться и в устройствах для фильтрации дизельного топлива, воздуха и масла.

Комитет по локомотивам AAR (США) изучает вопросы предва­ рительного обнаружения возможных неисправностей агрегатов и систем тепловозов. При этом как весьма существенная проблема рас­ сматривается фильтрация дизельного масла [18]. Одним из направлений ее решения является использование для этих целей фильтров из поли­ мерных волокон. Одновременно отмечается тенденция к применениюбумажных фильтров, пропитанных полимерными материалами для очистки топлива непосредственно на тепловозах.

На железных дорогах США широкое экспериментирование с ис­ пользованием новых, в том числе бумажных, фильтров отмечается еще с 1966 г. Считается, что затраты железных дорог на установку и использование бумажных фильтров окупаются в течение нескольких месяцев работы.

В начале эксплуатации тепловозов с такими фильтрами наблюда­ лись случаи неудовлетворительной работы фильтров из-за непра­ вильной сборки гофрированной бумаги и ее уплотнения в корпусе. В результате этого загрязненный воздух поступал в сборный кол­ лектор в обход сепаратора фильтра. Эти недостатки были устранены путем применения нового способа гофрирования бумаги и усовер-

145

шенствования уплотнений. Для увеличения срока службы фильтров была применена огнестойкая бумага.

Для оценки эффективности фильтров и их влияния на износ дизеля депо выделило два тепловоза серии GP-35 с одинаковым пробегом, работающих в одинаковых условиях. Один тепловоз был оборудован гофрированными бумажными воздушными фильтрами дунукелл, дру­ гой — центробежными воздушными фильтрами для первичной и вто­ ричной фильтрации воздуха. На обоих тепловозах были замерены за­ зоры по высоте между верхним поршневым кольцом и ручьем. Осмотр этих колец и ручьев после испытательного пробега в течение 18 ме­ сяцев показал, что на тепловозе, оборудованном бумажными фильтра­ ми, износ колец и других деталей поршневого узла дизеля на 0,05— 0,06 мм меньше, чем на тепловозе с центробежными воздушными филь­ трами. Хотя результаты испытаний не являются окончательными, они свидетельствуют о преимуществе бумажных фильтров.

Наилучшие результаты применения бумажных фильтров были полу­ чены на тепловозах серии SD-40. На этих тепловозах бумажные фильт­ ры работают без смены в течение года. Указанные усовершенствования бумажных фильтров позволят увеличить срок их службы. Срок служ­ бы бумажных фильтров на 13 тепловозах серии SD-40 достигает одного года при годовом пробеге тепловоза 256—272 тыс. км.

лись и заменялись в случае, если перепад давления воздуха в фильтрах достигал 304 мм вод. cm. Как показывает опыт эксплуатации тепло­ возов с бумажными воздушными фильтрами, перепад давления возду­ ха в последних может быть увеличен до 355 мм вод. cm. При осмотре бумажных фильтров с максимальным допускаемым перепадом давления на тепловозах серии SD-40 фильтры находились в относительно чистом состоянии и не вызывали потери мощности дизелем. В углеродистых отложениях на стенках цилиндровых втулок не было обнаружено пыли, которая могла поступать в дизель вместе с воздухом рабочей смеси. В промежуточном воздухоотделителе и трубопроводе, соединяющем

ного засорения и неудовлетворительной работы бумажных фильтров. Изучение этого вопроса показало, что преждевременное засорение и неудовлетворительная работа бумажных фильтров на этих тепловозах вызваны подсосом отработанных газов дизеля из атмосферного воз­ духа с большим содержанием влаги при ливневых дождях и сильных снегопадах. Для устранения этих недостатков в работе фильтров вса­ сывающие патрубки были снабжены специальными колпаками, а в воз­ душном коллекторе установлены дополнительные перегородки, обеспе­ чивающие резкое изменение направления потока водуха перед поступ­ лением его в фильтры. По мнению специалистов, бумажные фильтры полностью предотвратят попадание пыли в цилиндры дизеля.

На железных дорогах ФРГ в 1966 г. были начаты работы по улуч­ шению условий эксплуатации локомотивов и снижению расходов на

146

их ремонт и содержание. В числе мероприятий, проводившихся па улучшению конструкции локомотивного оборудования, в связи с этим было принято решение об обеспечении новых локомотивов сменными рамами для установки фильтров из стекловолокна.

6. Узлы трения

Значительное количество деталей из антифрикционных пластиков используется в зарубежных локомотивах в узлах трения ходовых частей. В Англии большое количество различных антифрикционных деталей в узлах трения локомотивов применяется из материалов различных модификаций под фирменным наименованием «Рейлко». В числе этих деталей антифрикционные шайбы буксового узла, раз­ личные втулки и вкладыши трущихся сопряжений рессорного подве­ шивания, вертикальные и горизонтальные скользуны и другие детали

«Рейлко», представляющего собой пластик на основе фенолсформальдегидных смол и их модификаций с различными хлопчатобумажными и асбестовыми наполнителями в виде асбестовых волокна, ткани, нитей, листов и их комбинаций с различными добавками, улучшающи­ ми антифрикционные характеристики деталей.

Все модификации материалов типа «Рейлко» характеризуются ста­ бильностью коэффициента трения и прочностных характеристик. Величина коэффициента сухого трения покоя близка к коэффициенту трения движения. Свойства сухого трения деталей из «Рейлко» обес­ печивают нормальную их работу без внешней смазки, предотвращая повреждение металлических поверхностей деталей, работающих с ни­ ми в паре. Предел прочности при сжатии у различных модификаций материала колеблется от 1200 до 2300 кГ/см2. Они способны выдер­ живать большие ударные нагрузки, намного превышающие расчетные рабочие напряжения. Модификации «Рейлко» выпускаются пропи­ танными минеральными маслами до 10% веса материала. Кроме того,

из строя вследствие фрикционного сваривания трущихся поверхно­ стей. Хорошо перенося ударные нагрузки, они способны нормально и длительно работать в условиях, в которых подшипники из фосфо­ ристой бронзы быстро разрушаются.

Вэлектровозах переменного тока шведской постройки серии EL-15

свыпрямителями, имеющими по две трехосных тележки с тремя тяго­ выми двигателями в каждой, в буксовые направляющие рамы тележки вмонтированы резиновые элементы, а шарниры тормозной рычажной передачи имеют втулки из антифрикционных полимерных материалов.

Этим повышен срок их службы и сокращены работы по содержанию и ремонту ходовых частей в эксплуатации. Тележки локомотивов обо­

147

рудованы резино-металлическими элементами между осевыми ролико­ выми буксами и рамой тележки, амортизирующими горизонтальные и вертикальные нагрузки, воспринимаемые подшипниками [19].

Железными дорогами ФРГ несколько лет назад была принята про­ грамма стандартизации тепловозов серийных типов. В соответствии с этим в тепловозах серии 221, являющихся основными грузо-пассажир­ скими локомотивами, для уменьшения износа и повышения меж­ ремонтного пробега пальцы в системе тормозной рычажной передачи были запрессованы в полиамидные гильзы. Это снизило износ пальцев в шарнирах рычажной передачи и обеспечило, кроме того, в связи •с малым люфтом постоянство величины тормозного нажатия. В тепло­ возах V I00 пятниковые опоры и боковые скользуны опор кузова на тележках изготовлены из материала типа текстолита, имеющего в сво­ ем составе дисульфид молибдена, добавленный для снижения коэффи­ циента трения материала [211.

К числу улучшений, которые были внесены в конструкцию электро­ возов ГДР, за последние 10 лет относится усовершенствование кон­ струкции опор кузова локомотива на тележках. Боковые опоры рамы электровозов серий Е42 и Е П начали изготовлять из антифрикцион­ ных пластиков, выполняемых в виде твердых полусфер, смазываемых молнбден-сульфидной смазкой. В отличие от металлических такие опо­ ры не требуют в процессе эксплуатации какого-либо ухода и после про­ бега 100 000 км не имели никакого износа.

На Итальянских железных дорогах в 1968 г. введены в эксплуата­ цию электровозы класса Е444 мощностью 3420 кет, спроектированные для работы на постоянном токе с напряжением 3000 в [22]. В этих элек­ тровозах рама кузова опирается на спиральные пружины по бокам те­ лежки. Балка тележки может перемещаться относительно рамы кузова на стальных и пластмассовых скользунах, изготовленных из антифрик­ ционного пластика на основе фенолоформальдегидных смол и располо­ женных в масляных ваннах.

7. Резиновые амортизаторы

Применение резиновых элементов и деталей во многих узлах и со­ пряжениях локомотивного оборудования позволяет значительно улуч­ шить амортизацию возникающих в них динамических усилий. В усло­ виях непрерывного роста скоростей движения и усиления нагрузок на оси локомотива это становится особенно важным, так как улучшает ■общие динамические характеристики локомотивов и способствует сни­ жению вредных динамических взаимодействий локомотивов и пути. Большое распространение получило применение резиновых амортизи­ рующих элементов в узлах надбуксового рессорного подвешивания

■(рис. 97—103).

Помимо улучшения динамических характеристик, использование резин в амортизирующих устройствах локомотивов снижает износ деталей, увеличивая срок их службы, снижает, а зачастую и пол­ ностью устраняет шум и гасит вибрацию непосредственно в источнике

148

Рис. 97. Тепловоз постройки ФРГ с буксовыми резиновыми рессорами типа «Краус-Маффей» с нагрузкой на ось 25 г (максимальная скорость 60 км)ч)

их возникновения, улучшая условия работы локомотивной бригады. На железных дорогах Франции были проведены унификация и усо­ вершенствование узлов, деталей и элементов различного оборудова­ ния электровозов СС21000 двухсистемной работы на постоянном токе с напряжением 1500 в и на переменном —■с напряжением 25 кв и час­ тотой 50 гц.

Кабины управления локомотива СС21000 были тщательно звуко­ изолированы. Лобовые оконные проемы застеклены безопасными стеклами толщиной 23 мм. Одновременно со звукоизоляцией кабин были улучшены амортизирующие узлы электровозов. Опоры кузова были заменены резино-металлическими. На продольных брусьях теле­ жек были установлены опоры из резино-металлических блоков под­ вешивания кузова и поставлены соединительные узлы поводков с сайлентблоками для направления букс колесных пар. Подвешивание с помощью резино-металлических блоков успешно используют также на моторных вагонах электросекций и на тепловозах.

Одновременно в электровозах серии СС21000 были применены более совершенные тяговые двигатели, что стало возможным благодаря ис­ пользованию для изоляции якорей тяговых электродвигателей совре­ менной эмалевой изоляции типа ML или изоляции на тефлоновой основе, допускающей значительные перегревы.

С 1953 по 1968 г. на железных дорогах Франции успешно проводи­ лись широкие испытания вагонов дизель-поездов Х360 с резиновыми рессорами в системе первичного подвешивания. В 1965 г. резино-метал­ лические элементы были успешно применены вместо возвращающих устройств в опорном маятниковом подвешивании тепловоза ВВ66080 123]. Позднее, учитывая надежность работы резино-металлических эле­ ментов, ими были оборудованы все тепловозы серии 66000, построенные после 1966 г. Резино-металлические элементы применены также на тепловозах серии AJA68000, ВВ67000, на электровагонах серии Z-5300

149