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

температуры, развивающейся в процессе торможения при таких скорос­ тях, в зоне контакта колодок и поверхности катания колеса. В связи с этим усилия специалистов многих зарубежных дорог были направ­ лены на создание тормозных колодок из полимерных материалов на основе синтетических каучуков и смол, обладающих более стабильным коэффициентом трения, менее зависящим от температуры торможе­ ния [38].

В настоящее время на железных дорогах США, ФРГ, ГДР, Англии, Японии, Франции и других стран эксплуатируется и широко прове­ ряется на локомотивах и другом подвижном составе около 20 типов композиционных тормозных колодок из различных полимерных матери­ алов. Составы материала этих колодок разнообразны и представляют

последних обычно применяют разные сочетания волокнистых и порош-

.кообразных веществ минерального и органического происхождения, металлические порошки, стружку. Тормозные колодки из полимерных материалов изготовляют прессованием однородной смеси всех компо­ нентов в соответствующих пресс-формах под высоким давлением и не­ обходимой для полимеризации связующего из синтетической смолы

.160

неметаллических колодок шириной 102 мм и колодок, имеющих посе­

В ФРГ колодки типа «Jurid» широко применяются с 1957 г. Различ­ ные модификации их (ВК-58, ВК-63, ВК-64, ВК-9 и др.), имеющие раз­ личные коэффициенты трения, эксплуатируются на тепловозах разных серий, на электровозах, пассажирских вагонах, дизель-поездах, гру­ зовом подвижном составе, на поездах метрополитенов и маневровых локомотивах. Из материала «Jurid»-874 с более высоким коэффициентом трения, равным 0,34, применяют тормозные накладки дисковых тор­ мозов подвижного состава ФРГ, Японии, Франции, Бельгии, Швей­

бандажей у тепловозов V60 примерно одинаков. Полимерные колодки устойчиво работают в сухую погоду. Наблюдения показали, что для большей части подвижного состава лучшим оказалось использование колодок с низким (0,18) коэффициентом трения. Такие колодки при­ меняются в эксплуатации без переделки рычажной передачи и имеют более стабильный коэффициент трения в различных климатических условиях. К существенным недостаткам полимерных колодок отно­ сится снижение в дождливую и снежную погоду коэффициента тре­ ния, что наряду со снижением коэффициента сцепления колеса с рель­ сом приводит к увеличению тормозного пути. Испытаниями колодок более чем 10 различных вариантов их состава установлено, что коэф­ фициент сцепления колес с рельсами при торможении полимерными колодками в большинстве случаев меньше реализуемого при исполь­ зовании чугунных колодок и что наличие в составе материала коло­

контактирующей поверхности стальных включений. В эти же периоды наблюдается повышенный износ бандажей чугунными колодками. Отме­ чается, что грубые повреждения поверхности катания колесных пар происходили при торможении в течение длительного времени с не­ большим усилием нажатия (до 0,3 кГ/см2) при наличии на поверх­ ности трения нажатия воды (дождь, снег, лед).

Во Франции разработан новый материал для колодок, который обес­ печивает высокую тормозную эффективность на сухих и мокрых рель­

кольцевых выработок. На пригородных поездах, эксплуатирующихся со скоростью до 120 км/ч с частыми торможениями, обнаруживался повышенный износ бандажей, наличие выбоин и выработок на них от колодок шириной 85 мм, наиболее заметных на краях профиля банда­ жа [40]. Предполагается, что вся тормозная нагрузка вследствие де­ формации колодки во время торможения приходится, главным образом, на ее крайние части и выделяющееся при этом тепло способствует образованию кольцевых выработок на колесе. Установлено, что поли­ мерные колодки в результате меньшей теплопроводности и большого' коэффициента теплового расширения деформируются под влиянием тепла торможения в продольном и поперечном направлениях в большей степени, чем чугунные. Незначительная теплопроводность материала колодок является причиной повышенного нагрева поверхностных слоев, колеса. Быстрое последующее охлаждение приводит к появлению в них напряжений и образованию трещин, выкрашиванию металла и наво­ лакиванию его на поверхность колодок. Наличие влаги и низких тем­ ператур способствует усиленному износу поверхности катания. Иссле­ дования показали, что металл, нанесенный на рабочую поверхность колодки с бандажа, имеет мартенситную структуру. Отмечается, что образование трещин, выкрашивание и наволакивание металла в боль­ шей степени вызываются в колодках со связующим из синтетических смол. На основании исследований воздействия полимерных колодок на колесо при торможении со скоростью 120 км/ч предполагается, что термическое воздействие на колесо может быть снижено применением колодок с низким модулем упругости [41].

Наряду с расширением эксплуатации полимерных тормозных коло­ док в ряде стран продолжаются исследования по совершенствованию их состава и технологии изготовления. В США запатентована колодка, в состав которой входят 35—65% эпоксидной смолы и отвердителей, 20—40% графита и 15—25% минеральных абразивных частиц из пем­ зы или полевого шпата, известняка, доломитов, окиси алюминия со включением различных глиноземов. Отмечается, что колодка такого состава не вызывает перегрева поверхности колеса при торможении, обладает высокой износостойкостью и применяется без переделки рычажной передачи.

В Швейцарии предложена колодка, состоящая из 30—80% гра­ фита или сажи с размером частиц 0,029—0,25 мм, до 45% мелких ме­ таллических наполнителей (медь, алюминий) й 20—25% фенолофор­ мальдегидной или меламиноформальдегидной смолы. Средний коэф­ фициент трения, равный 0,18 при скорости 120 км/ч, сохраняется практически до скорости 260 км/ч и температуры 380—450° С [43].

В Японии предложен способ изготовления колодок, в состав кото-і рых входит порошкообразное железо с размером зерен 200—300 мк в количестве 20—35%, асбест — 3%, графит— 10—30%, каучук — 5%, фенолоформальдегидная смола— 10—30%, стекло 5— 10% (от объема смолы). Колодки прессуются под давлением 1000 am, при темпе­ ратуре 130—160° С с выдержкой от 0,5 до 2 ч [44].

Для запатентованного ранее материала для колодок на основе ка­ учукового и смоляного связующего с 20—25% белого чугуна рекомен-

162

жгутов или нитей, армированных металлической проволокой, 0—20% пемзы, 5—15% сернистых соединений, свинцового блеска, 5—25% окиси цинка, магния или меди, 0—10% сульфата бария, 0—10% ме­ таллы — свинец и др. [45].

Отмечается, что из-за плохой теплопроводности и выделения боль­ шого количества тепла, вредно влияющего на бандаж колеса, полимер­ ные колодки не являются перспективными для подвижного состава, эксплуатируемого со скоростями более 140—160 км/ч при тормозном пути 1000 м. В ФРГ, например, в связи с этим сокращается применение колодочных тормозов. Более перспективным для высокоскоростных составов считается применение дисковых тормозов, совместное исполь­

7.«Engineer», 1969, v. 229, № 5931, p. 35—37.

8.«Ry Gaz», 1969, v. 125, № 14, p. 529—532.

9.«Modern Railway», 1969, v. 25, № 246, p. 117—119.

10. «French Railway Techn», 1968, 11, № 3, 1—105.

11.«Glasers Ann», 1968, 92, Ws 6, c. 173—182.

12.«Ry Gaz», 1969, v. 124, Ws 14, c. 538—540.

13.«Glasers Ann.», 1968, 92, Ws 14, c. 341—345.

14.«Brown Boveri Mitt», 1970, 57, Ws 10, s. 398—409.

15.«Chemins Fer», 1968, 87, Ws 3, 125—146.

16.«Ry Gaz», 1968 v. 124, Ws 3, p. 94—96.

17.«Ry Loc. and Cars», 1971, v. 145, Ws 1, p. 25—27.

18.«Ry Loc. and Cars», 1969, v. 143, Ws 7, p. 21—22.

19.«Elektr. Bahnen», 1969, 40, Ws 6, s. 134—135.

20.«Eisenbahntechn Rundsch.», 1970, 19, Ws 10, s. 391—404.

21.«Dtsch. Eisenbahntechn», 1970, 18, Ws 3, s. 104—107.

22.«Ry Gaz», 1968, v. 124, Ws 9, p. 336—339.

23.«Rev. Cen. Chemins Fer», 1970, 89, Ws 2, c. 119—128.

24.«Mod. Railways», 1968, v. 24, Ws 233, p. 79—81.

25.«Eisenbahningenieur», 1968, 19, Ws 1, c. 11—16.

26.«Eisenbahner», 1969, Ws 4B, s. 136.

27.«Zeicht bau Verkehrfahrzeuge», 1970, 14, Ws 3, c. 104—109.

28.«Glasers Ann.», 1968, 92, Ws 11, s. 341—345.

29.«Bundesbahn,» 1968, v. 2, Ws 17—18, c. 687—694.

30.«Glasers Ann.», 1969, 93, Ws 6, s. 165—170.

31.«Ry Gaz», 1968, v. 124, Ws 23, p. 877—878.

32.«Eisenbahnpraxis», 1970, 14, Ws 6, s. 197—198.

33.«Elektr. Bahnen», 1968, 39, № 9, s. 202—214.

34.«Ry Gaz», 1969, v. 125, № 13, p. 498—499.

35.«Ry Gaz», 1968, v. 124, № 13, p. 492-—493.

тация композиционных тормозных колодок на вагонах». ЦНИИ ТЭИ и пропаг. ж.-д. транспорта. Серия вагоны и вагонное хозяйство., вып. 50, 1969 г.

39.«Ferrocarriles у tranvias», 1968, 32, № 374, 347.

40.«Railway Gaz», 1968, 124, № 22, 842.

41.«Railway Gaz», 1970, 126, № 25, 169.

42.Патент США № 3410374, 1968.

43.Швейцарский патент № 441890, 1968.

44.Японский панент № 9970, 1969.

45.Французский патент № 1575746, 1969.

46.Ежемесячный бюллетень Международной ассоциации железнодорожных

конгрессов, 1970, № 5, 42.

I

Г л а в а 5

ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ В УСТРОЙСТВЕ ПУТИ И СООРУЖЕНИЙ

1. Общие сведения

На железнодорожном транспорте многих зарубежных стран поли­ мерные материалы нашли разнообразное применение в устройстве железнодорожного пути. Использование их объясняется стремлением к усовершенствованию пути, что стало возможным благодаря наличию у этих материалов ряда ценных свойств. Хорошие электро- и гидро­ изоляционные способности, химическая устойчивость, достаточная усталостная прочность при многократных нагружениях, высокая износостойкость, незначительное водопоглощение и амортизационные свойства полимерных материалов открыли возможность применением их улучшить те или иные технические и экономические характеристи­ ки устройства пути.

Применение полимерных материалов, начатое в некоторых странах несколько десятилетий назад, для отдельных деталей рельсовых скреп­ лений привело к расширению полигона их использования в верхнем строении пути и железнодорожных сооружениях. Постоянное совер­ шенствование конструкций пути и создание новых полимерных ма­ териалов вызвали интенсивные исследования и экспериментирование

вобласти дальнейшего увеличения их применения. Благодаря этому

впоследние годы разные полимерные материалы широко применяют для электроизоляционных и амортизационных деталей, материалов и клеев в конструкциях промежуточных рельсовых скреплений, изоли­ рующих рельсовых стыков, стрелочных переводов как в строительстве новых железных дорог, так и при ремонте верхнего строения пути. Увеличение выпуска и создание промышленностью новых типов поли­ мерных материалов, открывающих новые возможности, привели к еще

большему расширению их использования. В последние годы предпри­ нимаются попытки повышения с помощью полимерных материалов прочности и долговечности щебеночной призмы железнодорожного полотна, создания шпал на основе синтетических материалов и повы­ шения с помощью полимерных материалов несущей способности грунтов земляного полотна.

2. Элементы железнодорожного полотна

На одной из опытных железных дорог Ачесон Торека и Санта Фэ

вСША проводятся экспериментальные работы по стабилизации и соз­ данию монолитности щебеночной балластной призмы путем введения

внее связующего полимерного материала. Полимерный материал под

названием петросет РБ соединяет эластичной пленкой в точках сопри­ косновения отдельные фракции щебня в единую упругую систему [1]. Модифицированная таким образом балластная призма приобретает большую прочность и долговечность, лучшие демпфирующие характери­ стики и способность поглощать большие толчки, удары и вибрацию, передаваемые при проходе поездов. Кроме того, образование меж­ щебеночной связи само по себе снижает возможность загрязнения бал­ ласта, повышает его работоспособность, увеличивая межремонтный срок службы верхнего строения пути. Отмечается, что в проводимых исследованиях создание монолитности щебеночной призмы проводи­ лось следующим образом. Готовая балластная призма сначала хорошо промывалась (поливалась водой), 15 мин выдерживалась и после этого смачивалась раствором аммиака и тоже выдерживалась в течение 15 мин. После этого она опрыскивалась водной эмульсией петросета РБ. Через час после такой обработки отдельные фракции щебня схваты­ вались между собой, а через 4 дня происходило полное отверждение связующего полимера между щебнем с образованием единой системы. Состав материала петросет РБ неизвестен, но можно предполагать, что для этих целей использовалась латексная эмульсия или ее мо­ дификации.

Испытания балласта для сравнения с обычным проводились под статической нагрузкой, равной 22,7 т, и динамической —22,7 и 34 т с частотой нагружения соответственно 5 и 250 циклов в 1 мин. При этом просадка шпал на обычном балласте составила 14,9 мм после 3 млн. циклов нагружения, а на обработанном петросетом РБ после 4 млн. циклов нагружения — только 2,2 мм, лишь после 11 млн. циклов достигла 5,8 мм.

Проведенные испытания показали, что стабилизированная поли­ мерным материалом балластная призма под воздействием динамических нагрузок по сравнению с обычным балластом дает примерно в 10 раз меньшие просадки. Упругие просадки шпал под динамической нагруз­ кой составляют примерно 60% величины просадки шпал под действием статической нагрузки. Величина ускорений шпал и земляного полотна в вертикальной плоскости под действием динамических нагружений составляет примерно 3/4 величины ускорений обычного балласта,

авеличина бокового сопротивления незагруженного пути на стабили­ зированном балласте примерно в пять раз выше, чем на обычном.

ВЧССР проводятся исследования по усилению верхнего строения пути с использованием полимерных материалов в качестве гидроизо­ ляции грунтового основания [2]. Новый способ укрепления верхней поверхности земляного полотна заключается в том, что на грунт, под основание балластной призмы, укладывается гидроизоляционный слой, ,

азатем сборные плиты из предварительно напряженного железобетона, имеющие незначительную толщину и вес. Наличие гидроизоляции повышает стабильность грунтового основания, особенно в дождливые периоды года. Верхнее, укрепляемое таким образом строение пути выполняется путем укладки на грунт сначала поливинилхлоридной

гидроизоляционной пленки, на которую по песчаной прослойке укла­ дывают затем железобетонные плиты размером 300 X 50 X 6 см, яв-

166

ляющиеся основанием для щебеночного балласта, покрываемого гидрофабизированной золой. Предварительные испытания плит в комби­

применяются для гидроизоляции земляного полотна и в других стра­ нах. В Японии для предотвращения просадки пути, сооружаемого на влагонепроницаемых грунтах в районе г. Кобе, была использована гидроизоляция из неопреновой пленки. Полотнища неопрена размером 3,96 X 5,03 м и толщиной 1 мм склеивали внахлестку синтетическим клеем на основе неопрена. Длина участка пути, покрываемого гидро­ изоляционной пленкой, достигала 100 м. На неопреновое покрытие укладывался слой песка толщиной 150 мм, на который помещалась балластная призма и укладывался путь. Ширина неопренового покры­ тия грунта составляла приблизительно 9 м. Ранее, начиная с 1964 г., таким же образом, но с использованием пленок из различных полимер­ ных материалов осуществлялась опытная гидроизоляция на разных участках линии Новая Токайдо. Из шести типов испытывавшихся гид­ роизоляционных эластичных покрытий наилучшим оказалось покры­ тие из неопрена. Эксперименты в этом направлении продолжаются (рис. 106).

Укрепление земляного полотна путем использования гидроизоля­ ционных полимерных пленок производится на дорогах ФРГ. Для за­ щиты и оздоровления земляного полотна и для водоотлива широко применялась поливинилхлоридная пленка (рис. 107, 108). Наряду с этим на железных дорогах ФРГ проводятся работы по использованию асфальтовых покрытий балластного щебня [3]. Это осуществляется для защиты пути от влаги и загрязнения, а также для повышения тре­ ния опорной поверхности шпал. Значение применения асфальта и би­ тума в указанных целях особенно возрастает в условиях повышения скорости движения поездов, увеличения осевых нагрузок, грузонапря­ женности дорог, осложняющих условия работы и текущего содержания пути.

Опытная конструкция асфальтового покрытия щебеночной балласт­ ной призмы рассматривается как первый шаг к созданию «вечного» верхнего строения пути. Асфальтом заливают слой щебня призмы на глубину 30—40 см. Этим повышают прочность и упругость балластной призмы, защищают от проникновения влаги, загрязнений и предо­ храняют щебень от истирания.

Первый участок пути с асфальтовым покрытием был уложен в 1963 г. Затем еще несколько участков. Такое устройство пути дало поло­ жительные результаты, значительно снизив расходы на его текущее со­ держание.

Для оздоровления пути вместо укладки песчаного защитного слоя, укрепления грунтов или покрытия основной площадки водонепроница­ емыми пленками, требующих длительного перерыва движения, начи­ нают применять дренирование. Водоотвод в этом случае осуществляет­ ся при помощи трубчатых дренажных устройств, закладываемых

Рис. 105. Гидроизоляция грунтового основания пути на железобе­ тонных плитах:

Рис. 106. Схематичный разрез железнодорожного земляного полотна линии Токио — Саньо, защищенного от поверхностных вод гидроизо­ ляционной пленкой:

Рис. 107. Гидроизоляция грунта насыпи железнодорожного полотна:

пленка; 10 — песчаный слой толщиной 7,5 см

168

Рис. 108. Укладка гидроизоляционной поливинилхлоридной пленки на защитный песчаный слой грунтового основания железнодорожного полотна

под балласт через шпальные ящики. Дренирующее устройство пред­ ставляет собой круглую или сплюснутую сетчатую пластмассовую тру­ бу, заполненную ватообразным пенополистиролом и имеющую внутри вторую перфорированную трубу меньшего диаметра, также из пласт­ массы (полиэтилена или поливинилхлорида). Внутренняя труба выводится в междупутье на поверхность балласта, второй ее конец является водосточным и выпускается на откос [41. На Австрийских железных дорогах в пределах Венской дистанции пути было уложено в 1967 г. несколько таких дренажных устройств. Окончательных выводов о качестве такого метода оздоровления пути из-за крат­ ковременной работы участков еще не сделано, но отмечается, что полученные результаты являются весьма обнадеживающими.

Плиточные и рамные бетонные основания давно испытываются в различных странах мира. Накоплен опыт их эксплуатации и выявле­ ны особенности и недостатки применяемых конструкций. Теоретиче­ ское изучение процессов взаимодействия подвижного состава и пути позволило выбрать оптимальные параметры прокладок и прикрепителей, упругие характеристики которых позволяют обеспечить допусти­ мый уровень сил на контакте колеса с рельсом [46]. Одним из вариантов конструкции безбалластного пути является конструкция, применен­ ная на Швейцарских железных дорогах в тоннеле Бёзберг на линии Белль — Цюрих в 1967 г. (рис. 109). Модуль упругости порис­ той неопреновой подушки составляет 6 КГІсм.3. Объем ее пустот дости­ гает 50% общего объема. После трех лет эксплуатации эта конструк­

169