Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Уральский государственный университет путей сообщения»
(ФГБОУ ВО УрГУПС)
Кафедра «Электрические машины»
ДОКЛАД
по дисциплине «Электротехническое материаловедение» на тему
«Композиты на железнодорожном транспорте»
Проверил старший преподаватель
Выполнили студенты гр. СОэ-321
Никитина Евгения Петровна
Косяков Дмитрий Алексеевич
Павчинский Михаил Петрович
Екатеринбург
2024
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................. 3
1 ПРЕИМУЩЕСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ....................... 4
2 НЕДОСТАТКИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДЫ
БОРЬБЫ С НИМИ .................................................................................................. 5
3 КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В ЛОКОМОТИВО- И
ВАГОНОСТРОЕНИИ ............................................................................................ 7
4 КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В ИНФРАСТРУКТУРЕ
ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ .............................................................................................. 9
5 АНАЛИЗ ОБЩИХ ПРЕИМУЩЕСТВ, ПОЛУЧЕННЫХ ОТ ПРИМЕНЕНИЯ
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГЕ ............. 11
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................................... 13
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ ................................................................................... 14
2
ВВЕДЕНИЕ
Одни из основных инновационных перспектив развития, которых придерживается компания «Российские железные дороги», касаются повышения
общей эффективности и экономичности организации движения поездов и
включают в себя в том числе снижение массы тары вагонов, увеличение предела допустимых нагрузок на ось и скоростей движения подвижного состава,
а также продление общего ресурса эксплуатации стареющего подвижного состава. Все вышеперечисленные меры перечислены в «Стратегии развития железнодорожного транспорта Российской Федерации до 2030 года». В качестве
инновационного решения указанных выше задач предлагается в том числе
применение на железнодорожном транспорте полимерных композиционных
материалов.
Целью нашего доклада является раскрытие сущности и особенностей
применения композиционных материалов на железнодорожном транспорте.
Задачами являются: понятие причин преимущества полимерных композиционных материалов над применявшимися ранее, а также рассмотрение их
существующих недостатков и методов борьбы с ними, обзор конкретных примеров внедрения композиционных материалов на объекты железнодорожного
транспорта и анализ полученных преимуществ от этого.
3
1 ПРЕИМУЩЕСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Начать рассмотрение темы стоит с анализа основных преимуществ композиционных материалов над традиционными.
Композиционным материалом называют материал, изготовленный из
двух и более компонентов с существенно отличающимися физическими и
(или) химическими свойствами, которые, сочетаясь, приводят к образованию
нового материала с отличными от характеристик отдельных компонентов особенностями, которые при этом не являются простой их суммой. В композиционном материале выделяют матрицы и наполнители, выполняющие функции
укрепления. Наполнителем обычно служат стеклянные или углеродные волокна. Роль же матрицы играет полимер.
Правильное сочетание нескольких различных компонентов в композиционном материале позволяет улучшить общие характеристики материалов,
такие как их лёгкость и прочность. Так, многие композиционные материалы
превосходят традиционные материалы, а также сплавы по свойствам лёгкости
и механической прочности. С помощью правильной настройки состава матрицы и наполнителя можно получить достаточно широкий спектр материалов
с необходимым набором свойств.
Итак, к основным преимуществам композиционных материалов можно
отнести следующее:
– высокая удельная прочность до 3500 МПа;
– высокая жёсткость с модулем упругости 130 – 240 ГПа;
– высокая устойчивость к износу;
– высокая устойчивость к усталости материала;
– низкая масса материала;
– экономия металлов для других нужд производства.
4
2 НЕДОСТАТКИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И
МЕТОДЫ БОРЬБЫ С НИМИ
Помимо вышеперечисленных преимуществ, которые, безусловно, являются весьма значимыми при применении композиционных материалов на железнодорожном транспорте, у них существуют также и некоторые недостатки,
о которых необходимо помнить при замене традиционных материалов на композиционные.
Основной недостаток композиционных материалов – их высокая стоимость, которая обусловлена необходимостью применения дорогостоящего
специального оборудования, и, как следствие, необходимостью высокого развития сил промышленности в стране, а также её научной базы. В качестве
борьбы с высокой стоимостью можно предложить лишь повышение массовости применения композиционных материалов как на железнодорожном транспорте, так и в других отраслях промышленности, что со временем может привести к снижению потребительской стоимости данных материалов.
Следующий недостаток – анизотропия свойств, то есть зависимость их
от направления измерения. Анизотропия, однако, является недостатком лишь
в том случае, если необходима равная прочность изделия во всех направлениях
воздействия на него. Таким образом анизотропия может являться и преимуществом при определённом применении материала: так, в трубах воздействие в
окружном направлении гораздо сильнее воздействия в осевом направлении,
поэтому им не нужно обладать равной прочностью по всем направлениям воздействия, и применение композиционных материалов в данном случае будет
оправданным и вполне рациональным. То же самое касается, например, колёсных пар, если говорить о железнодорожном транспорте. Однако в данном случае осевое воздействие будет являться также довольно значительным, поэтому
нужно будет внимательно подойти к вопросу применения композиционного
материала в данном случае.
5
Также недостатком при некоторых сценариях применения композиционных материалов на железнодорожном транспорте может являться их повышенная гигроскопичность – склонность к впитыванию влаги, обусловленная
не сплошным строением структуры композиционного материала. В качестве
борьбы с данным недостатком используют современные способы повышения
связи наполнителя с матрицей, которые получаются методами особого вакуумного формования с, как следствие, сведённым к минимуму количеством
остаточных каверн в композите. Современные методы изготовления композиционных материалов уже позволяют использовать их в том числе и на открытой местности: примером для железнодорожного транспорта является построение композиционных опор воздушных линий электропередач и контактной
сети на электрифицированных железных дорогах России.
6
3 КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В ЛОКОМОТИВО- И
ВАГОНОСТРОЕНИИ
В настоящее время композиционные материалы применяются во многих
отраслях железнодорожного транспорта, в том числе и в локомотивостроении.
За последние годы промышленность добилась значительных успехов в
разработке и применении внешних и внутренних конструкций кабин локомотивов, в том числе тепловозов и электровозов, из стеклопластика. Данные проекты разрабатываются в ОАО «ВНИКТИ», ОАО «ВЭлНИИ», ОАО «Коломенский завод» и выпускаются на Брянском машиностроительном заводе, Коломенском машиностроительном заводе и Новочеркасском электровозостроительном заводе. В настоящее время силами данных предприятий выпускаются
крыши, корпуса кабин, интерьеры, крыши и лобовые части тепловозов и электровозов из композиционных материалов. Кабина управления известным электропоездом «Сапсан» также выполнена с внутренней отделкой из композиционных материалов.
В ходе исследований проблем современного вагоностроения в нашей
стране силами предприятия НПК «Объединённая Вагонная Компания» была
выполнена разработка универсальных материалов элементов вагонов, которые
будут совместимы с наиболее широкой номенклатурой грузов. Так, для изготовления крышек загрузочных люков выбран поликарбонат на основе термопластичного связующего. В качестве технологии производства выбрана вакуумная формовка листов на основе термопластичной матрицы с наполнителем.
Наполненный поликарбонат нейтрален к пищевым и другим типам грузов, потому что он не выделяет никаких вредных веществ.
В качестве же материала для более крупногабаритного элемента конструкции – крыши вагона-хоппера – выбран стеклонаполненный полимерный
композиционный материал на основе термореактивного связующего с трёхслойной структурой композита, которая также содержит подкрепляющие закладные металлические элементы.
7
Что касается пассажирского вагоностроения, в последние годы также
наблюдается увеличение применения в них композиционных материалов. В
пассажирских вагонах последнего поколения инновационные материалы используются, в частности, в сантехнических модулях, половом покрытии, в
наружной и внутренней облицовке вагонов, дверей и так далее. Пассажирские
сидения также всё чаще изготавливают не из металлов, а из лёгких композиционных материалов.
Указанные выше разработки композиционного вагоностроения в данный момент проходят прочностные и функциональные испытания на макетных и опытных образцах и вскоре будут введены в эксплуатацию.
8
4 КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В ИНФРАСТРУКТУРЕ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ
Не менее важную роль играют композиционные материалы в поддержании и обновлении инфраструктуры железных дорог. Так, композиционные материалы нашли применение в качестве строительных материалов железнодорожных путей, мостов и тоннелей.
В России в качестве несущих конструктивных элементов композитные
материалы стали впервые применяться фирмой ООО НПП «АпАТэК» в 1993
году, а именно в качестве композиционных накладок стыковых соединений
рельсов на магистралях железнодорожного транспорта. К 2014 году такие
накладки стали применяться массово, объём их применения составил 684206
комплектов.
Другими массово применяющимися композиционными элементами
строения железных дорог являются водоотводные лотки, общая протяжённость которых составляет более 200 километров.
В России также получают широкое распространение композиционные
пешеходные мосты, первый из которых был построен около платформы «Чертаново» Павелецкого направления Московской железной дороги в 2004 году.
Строение выполнено в виде трёхпролётной фермы с пролётами длиной 13,2 –
15 – 13,2 метра. Мост располагается над железнодорожными путями, находящимися в выемке земляного полотна.
Следует отметить, что в наше время для композиционного мостостроения установлены определённые требования к характеристикам пожарной
опасности материалов, используемых в конструкциях из полимерных композитов. Данные требования определяются особыми национальными стандартами, регламентирующими композиционное мостостроение. К ним относятся:
– ГОСТ Р 54928-2012 «Пешеходные мосты и путепроводы из полимерных композитов. Технические условия»;
9
– ГОСТ 33119-2014 «Конструкции полимерные композитные для пешеходных мостов и путепроводов. Технические условия»;
– ГОСТ 33376-2015 «Секции настилов композитные полимерные для пешеходных и автодорожных мостов и путепроводов. Общие технические условия».
Таким образом, композиционные материалы активно применяются и в
инфраструктуре железных дорог; в настоящее время в России разработана
нормативная система документов, позволяющих осуществлять безопасное
проектирование, построение, обследование и испытание конструкций железнодорожного назначения.
10
5 АНАЛИЗ ОБЩИХ ПРЕИМУЩЕСТВ, ПОЛУЧЕННЫХ ОТ
ПРИМЕНЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА
ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГЕ
Можно выделить три основных группы преимуществ, полученных от
применения композиционных материалов на железнодорожном транспорте.
Во-первых, это сравнительная стойкость к коррозии и агрессивным средам. Композиционные материалы по сравнению с традиционными материалами (железобетон, сталь, дерево) обладают существенно более высокой стойкостью к коррозии, агрессивным средам, и воздействию химических реагентов. Это позволяет конструкциям из композиционных материалов, таким как
опоры контактной сети или платформы железнодорожных станций, обеспечивать длительный срок службы без дополнительных эксплуатационных расходов.
Во-вторых, это малая масса конструкций. Низкий удельный вес конструкций из композиционных материалов позволяет существенно снизить затраты на монтаж. Так, в области железнодорожной инфраструктуры применение водоотводных лотков позволило снизить общую стоимость работ по их
установке более, чем в три раза. Для монтажа железобетонных лотков, которые в 25 раз тяжелее композитных, необходима тяжёлая техника. Её использование приводит к убыткам из-за необходимости создавать перерывы в движении поездов. Монтаж композитных лотков не требует перерывов в движении, при этом трудоемкость сокращается до 8 раз при погрузочно-разгрузочных работах и до 3,5 раза при укладке лотков.
И в-третьих, это короткий технологический цикл, что означает сжатые
сроки изготовления и кратчайшие сроки монтажа. Например, можно привести
ситуацию с обрушением моста на платформе «Тестовская» в городе Москве 2
марта 2007 года. Тогда старый разрушенный мост был заменён на новый композиционный всего за два месяца, работы длились с 10 апреля до 14 июня. В
11
результате этого работоспособность пассажирской платформы и мостового
перехода была восстановлена в кратчайшие сроки.
12
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В докладе подробно рассмотрена сущность и особенности применения
композиционных материалов на железнодорожном транспорте.
Безусловно, у композиционных материалов были выявлены и некоторые
недостатки, но гораздо больший ряд их преимуществ позволяет судить о незначительности минусов. Итак, в результате оценок и анализа преимуществ от
применения композиционных материалов на железных дорогах России можно
сделать вывод о том, что данные материалы являются наиболее перспективой
областью развития железнодорожной транспортной инфраструктуры в нашей
стране и уже позволяют достигать больших успехов в экономике транспорта.
13
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1 Дориомедов М. С. Полимерные композиционные материалы в железнодорожном транспорте России (обзор) / М. С. Дориомедов, М. И. Дасковский, С.
Ю. Скрипачёв, Е. А. Шеин // Труды ВИАМ. – 2016. – № 7. – С. 113 – 118.
2 Конкурентные преимущества композитов // АпАТэК – Прикладные перспективные технологии. – Электронный ресурс (дата обращения : 02.03.2024).
3 Полимерные композиты в транспортном строительстве и мостостроении //
Вестник химической промышленности НИИТЭХИМ Москва. – Электронный
ресурс (дата обращения : 20.02.2024).
4 Применение композиционных материалов в грузовом вагоностроении //
НПК «Объединённая Вагонная Компания». – Электронный ресурс (дата обращения : 20.02.2024).
5 Применение композиционных материалов в железнодорожном транспорте //
НПП «Полёт». – Электронный ресурс (дата обращения : 20.02.2024).
6 Композитные материалы в производстве транспортных средств вытесняют
металл // Российская газета. – Электронный ресурс (дата обращения :
20.04.2024).
14