Новые материалы при производстве вагонов (применение новых конструкционных материалов при производстве грузовых вагонов)

Размещено на http://allbest.ru

Омский государственный университет путей сообщения

Направление «Вагоны и вагонное хозяйство»

Новые материалы при производстве вагонов (применение новых конструкционных материалов при производстве грузовых вагонов)

Шинкаренко К.А., студент 4 курс,

Коняхина Е.Г., студент 4 курс,

Тищенко А.В., студент 4 курс,

Огнев И.И., студент, 4 курс,

Россия, г. Омск

Аннотация

Статья посвящена применению новых конструкционных материалов при производстве грузовых вагонов. Рассматриваются альтернативные инновационные материалы. Изучение материалов для производства грузовых вагонов. В данной статье рассматриваются способы повышения эффективности работоспособности грузовых вагонов.

Ключевые слова: композиционные материалы, углеродистая и низколегированная сталь, алюминий, железнодорожный транспорт, грузовые вагоны, литая сталь, износ.

Annotation

The article is devoted to the use of new structural materials in the production of freight cars. Alternative innovative materials are considered. Study of materials for the production of freight cars. This article discusses ways to improve the efficiency of freight cars.

Keywords: composite materials, carbon and low-alloy steel, aluminum, railway transport, trucks, cast steel, wear.

Введение

Производство железнодорожных вагонов - это стандартизированный и стандартизированный сектор промышленности. Тем не менее, конструкторы и производители железнодорожного транспорта всегда ищут новые способы снижения веса, повышения коррозионной стойкости, высокой эффективности и надежности.

Альтернативные инновационные материалы (высокопрочная сталь, алюминий, нержавеющая сталь) вместе с новыми технологиями сварки открыли новые и успешные методы. Вместе со специализированными идеями автоматизации можно добиться экономичного производства, хотя свариваемость новых материалов является более сложным процессом.

Новые дизайнерские решения в сочетании с новыми материалами и улучшенными методами технического обслуживания могут помочь решить эти проблемы. Оптимизация конструктивной схемы, использование материалов с высоким отношением прочности к плотности и использование высокопроизводительной технологии сварки с уменьшенным тепловыделением и высокой стабильностью процесса являются ключевыми задачами современной сварки железнодорожных вагонов.

Материалы, применяемые в вагоностроении

Стальной прокат. В настоящее время для изготовления вагонов в основном применяют углеродистые и низколегированные стали (ГОСТ 380 - 71, ГОСТ 6713-75, ГОСТ 1050-74, ГОСТ 19281-73 и ГОСТ 19282-73).

В вагоностроении используются углеродистые стали различной степени раскисления: кипящие, спокойные и полуспокойные. Кипящая сталь дешевле, но качество не такое хорошее, как у спокойной стали. Полупогружная сталь занимает промежуточное положение по степени раскисления и производительности. Кипящая сталь имеет более высокий порог разрушения при холодном разрушении, и по сравнению со спокойной сталью она обладает меньшей устойчивостью к хрупкому разрушению при низких температурах. Поэтому спокойная сталь используется в качестве ответственного несущего элемента конструкции транспортного средства.

Основные компоненты грузовых вагонов в основном изготавливаются из низколегированной стали с гарантированным содержанием меди. Сталь 10ХНДП обладает повышенными механическими свойствами и коррозионной стойкостью в атмосферных условиях, поэтому ее рекомендуется использовать в тонкостенных конструктивных элементах толщиной до 6-8 мм. Он используется при изготовлении железнодорожных котлов -цистерн для транспортировки некоторых кислот, желтого фосфора, расплавленной серы, различных синтетических смол, пестицидов, жидких минеральных удобрений, молока и особо чистых продуктов. Были использованы высокие сплавы, содержащие редкие легирующие элементы (никель, молибден, хром и медь). Двойной-была использована многослойная сталь (биметалл) с покрытием из высоколегированной стали. [1]. Стальной прокат используется в вагоностроении в виде листового, полосового, сортового и профильного проката (горячекатаного и холоднокатаного). В последнее время использование холодноформованных профилей расширяется.

Литые стали. Для изготовления литых деталей вагонов в основном применяют углеродистые и низколегированные стали (ГОСТ 977--75 и отраслевые технические условия).

Одним из основных способов повышения качества отливок является снижение содержания серы и фосфора за счет использования синтетического шлака, специального непрерывного литья и т.д. Уменьшение вредных примесей в стали обеспечивает повышение ее пластичности и вязкости, а также улучшает производительность литья, что, в свою очередь, улучшает качество отливаемых деталей (уменьшая возможность горячих и холодных трещин, трещин, пор, раковин и т.д.).

Алюминиевые сплавы. Алюминий и его сплавы используются в конструкции пассажирских и грузовых транспортных средств. Алюминий и его сплавы используются при изготовлении легких кузовов вагонов для городского транспорта и скоростных поездов, а также деталей для внутреннего оборудования вагонов. Эти материалы также используются при изготовлении котлов-цистерн, для транспортировки концентрированной азотной кислоты и других агрессивных грузов, для транспортировки пищевых продуктов и для изготовления изотермических резервуаров для футеровки вагонов.

Алюминиевый сплав имеет много преимуществ перед углеродистой сталью и низколегированной сталью, наиболее важными из которых являются его малый вес, достаточно высокие механические свойства и коррозионная стойкость. Возможность использования алюминиевого сплава для изготовления профилей практически любой конфигурации позволяет изготавливать легкие и надежные конструкции грузовых вагонов, значительно снижая их вес в таре и увеличивая грузоподъемность. Одним из недостатков алюминиевого сплава является его относительно высокая стоимость, что препятствует широкому внедрению в вагоностроении. В будущем расширение использования алюминия и его сплавов в вагоностроении, несомненно.

Окраска вагонов. Из-за особенностей условий его эксплуатации антикоррозийная защита металлической конструкции грузовика очень важна. Большое внимание также уделяется внедрению прогрессивных технологий окраски в вагоностроении, что обеспечивает экономию лакокрасочных материалов, повышает качество покраски и производительность труда. [2]

Новые материалы при производстве вагонов

В настоящее время все более популярными также становятся композитные материалы - материалы, полученные путем объединения химически разнородных по объему компонентов с четкой границей раздела между ними (стекловолокно, биметалл, железобетон и др.) Использование этих материалов обусловлено желанием производителя улучшить характеристики используемых изделий и открыть инновационные возможности для разработки новых конструкций и технических процессов. Эти материалы даже прочнее стали при низкой плотности и легче алюминиевых сплавов.

Они также помогают повысить надежность и долговечность машин и механизмов, устройств, а также значительно снизить материалоемкость производства. композиционный железнодорожный грузовой вагон

Железнодорожная промышленность заинтересована в композитных материалах, поскольку рассматривает эти легкие и прочные материалы в качестве альтернативы стали и алюминию при производстве кузовов вагонов. Их использование помогает в большей степени упростить конструкцию вагонов, снизить затраты на их техническое обслуживание в течение всего срока службы и снизить стоимость подвижного состава. Это важные факторы при производстве этого вида транспорта. Они в основном используются для компонентов, требующих долговечности и износостойкости - раздвижных и плоских дверей, внутренних перегородок, фрикционных накладок, опорных площадок, элементов пола и т.д. Благодаря своему качеству они очень подходят для использования в торцевых дверях вагонов, для транспортировки вагонов, боковых стенках и панелях крыши. Что касается раздвижных дверей и плоских дверей, то эти материалы широко популярны в производстве, поскольку их можно восстановить до их первоначальной формы после деформации. Поэтому в случае повреждения двери нет необходимости выводить вагон из полета для ремонта. В связи с этим в процессе модернизация железнодорожного транспорта, замена традиционных дверей дверями из композитных материалов стала популярной у многих зарубежных компаний. [3]

Огромные перспективы использования композитных материалов в вагоностроении обусловлены следующими факторами:

- Композитные материалы обладают высокой устойчивостью к химическому воздействию перевозимых грузов и окружающей среды;

- Совместимость с химией и пищевыми продуктами;

- Способность сохранять механические свойства в течение всего срока службы при воздействии высоких и низких температур;

- Нет необходимости использовать дорогую краску;

- Сокращение частоты технического обслуживания.

Все эти факторы повлияют на снижение стоимости жизненного цикла инновационных продуктов.

Использование композитных материалов позволяет снизить вес вагона. Уменьшение собственного веса, в свою очередь, помогает снизить эксплуатационные расходы, связанные с контейнером движущегося вагона, и увеличить грузоподъемность вагона в пределах допустимой нагрузки на ось. Можно сказать, что по сравнению с производством тех же деталей из металла производство деталей железнодорожного вагона из композитных материалов менее трудоемко. Формирование композитных деталей обычно занимает больше времени, чем штамповка стальных пластин, но обработка металла включает в себя множество дополнительных операций, таких как сварка и зачистка, которые не характерны для неметаллических материалов. Высокая стоимость композитных материалов компенсируется эффективностью их использования, которая превышает эффективность использования металлов в вагоностроении. Хотя детали, изготовленные из композитных материалов, увеличивают первоначальную стоимость вагона, производительность, получаемая деталями, обеспечивает бесперебойную работу изделия на протяжении всего жизненного цикла. [6]

Применение новых конструкционных материалов при производстве грузовых вагонов

Использование композитных материалов в компонентах кузова грузовика помогает повысить коррозионную стойкость без необходимости в дорогостоящих покрытиях, что снижает частоту ремонтов или позволяет избежать их.Кроме того, использование новых материалов обеспечивает снижение веса контейнеровоза.

Внедрение композитных материалов на железнодорожном транспорте может быть достигнуто только путем поэтапного решения комплекса следующих задач:

- Технико-экономическое обоснование разработки нового материала для изготовления универсалов;

- Определение новых материалов и их характеристик, выбор технологии изготовления;

- Разработка дизайна вагонных деталей с использованием новых материалов.

В ходе пилотного проекта специалистов ООО «Всесоюзный научноисследовательский центр транспортных технологий» («ВНИЦТТ»), ЗАО «Тихвинский вагоностроительный завод» («ТВСЗ») и ООО «Нанотехнологический центр композитов» («НЦК») по внедрению композиционных материалов в конструкцию вагонов -хопперов была поставлена задача повышения эксплуатационной надежности вагонов - хопперов, перевозящих минеральные удобрения. Поскольку композитные материалы позволяют изготавливать кровлю в целом и ее отдельные элементы, на первом этапе работ обоснование соответствующей сферы применения неметаллических материалов основывается на сравнительной оценке экономической эффективности различных схем проектирования.

Анализ данных показывает, что использование компонентов из композитных материалов увеличивает первоначальную стоимость вагона. Однако природа конструкции обеспечивает ее использование на протяжении всего жизненного цикла вагона. В то же время экономический эффект от использования композитных материалов достигается за счет снижения затрат на ремонт.

Изготовление небольших конструктивных элементов осуществляется на вакуумной формовочной машине (ВФМ). Сам процесс формования включает в себя несколько этапов:

- Установка и герметизация полимерных листов на станине;

- Нагрейте лист до состояния высокой эластичности;

- Предварительное пневматическое формование (выдувание купола);

- Запуск пресс-формы, вакуумное формование. Стол со столом поднимается в верхнее положение. Под надувным куполом край стола прижимается к уплотнению нижней части кровати (полимерный лист прижимается к уплотнению верхней части кровати, что вместе с нависающим столом образует герметичную формовку камера). Воздух откачивается из формовочной камеры и вакуумируется. В результате под воздействием разности давлений между атмосферным воздухом и давлением в формующей полости нагретая заготовка принимает контур формы, расположенной на нависающем столе.;

- Охлаждение продукта;

- Приготовление и потребление готовой продукции.

Термореактивное связующее и стеклонаполненный ПКМ трехслойной композитной структуры (наружный слой стекловолокна с термореактивным связующим и внутренним пенопластовым наполнителем) используются в качестве материала для изготовления крупномасштабных конструктивных элементов - крыши бункера.

Основой для выбора кровельных материалов являются условия технологичности для производства крупносерийных изделий и требования к физико-механическим свойствам материалов. Крыша вагона должна иметь прочную конструкцию и дополнительно жестко удерживать стенки кузова. Кроме того, необходимо обеспечить соблюдение требований безопасности при перевозке пищевых грузов. Благодаря использованию композитных материалов с многослойной структурой, пенопластовым наполнителем и встроенным металлическим каркасом соблюдаются параметры прочности, требуемые для конструкции.

Технология изготовления крупномасштабных конструктивных элементов включает нанесение слоя армирующего материала на форму с последующей ручной пропиткой термореактивным связующим или механическим смешиванием и распылением измельченных стеклянных волокон.

При укладке вручную армирующие материалы в виде тканей и матов укладываются слоями на оснастку и пропитываются вручную. Связующее обычно наносится кистью или валиком. Затем слои армирующего материала скатываются друг с другом до тех пор, пока избыток смолы и пузырьки не будут полностью удалены. Ручная компоновка и технология распыления позволяют размещать встроенные компоненты (металлические коробки, вспененные материалы, крепежные детали и т.д.) Внутри изделия из различных материалов, необходимых для усиления и последующей сборки конструкции, установки дополнительных компонентов футеровки кузова вагона-хоппера. На заключительном этапе исследовательского проекта для разработки модели продукта используется программная система трехмерного моделирования. Их использование позволяет нам рассматривать различные варианты проектирования при относительно низких трудозатратах. На втором этапе начальный вариант конструкции моделируется методом конечных элементов. По результатам анализа в конструкцию были внесены необходимые изменения: композитная структура, требуемые физико-механические свойства, структура и силовая схема, тип подключения и т.д. Он выбирается, а затем повторно анализируется. Этот процесс является итеративным с целью выбора наилучшего дизайна, типа композитного материала и технологии производства.

На третьем этапе с учетом характеристик выбранных материалов и технологии производства, технологичности и возможности сборки изделия (например, минимальный радиус закругления, толщина, наклон и т.д.) формулируется окончательный вариант дизайна.). Результатом этой работы является создание конструкторской документации для прототипа конструктивных элементов вагона-хоппера, которая требует дальнейшей экспериментальной проверки в опытном производстве.

Чтобы окончательно подтвердить принятые конструктивные и технические решения, в настоящее время изготавливаются модели и прототипы, проводятся испытания на прочность и функциональность, а также проводятся операции по надзору за качеством продукции. [5]. В последние годы в России был принят ряд мер, направленных на широкое использование композитных материалов в подвижном составе железнодорожного транспорта, включая стратегии развития железнодорожного транспорта, административные и экономические стимулы для промышленных предприятий. Основное применение композитных материалов связано с внутренней отделкой вагонных интерьеров, кабин, туалетов, внешних компонентов (вагонных масок) и других деталей, и компонентов (тормозные колодки, накладки, компоненты вентилятора и т.д.) Железнодорожные транспортные средства.

Основными причинами, по которым традиционные материалы должны быть активно заменены композитными материалами, являются: высокая коррозионная стойкость, повышенная прочность, низкая плотность и изоляционные свойства, а также хорошее шумопоглощение. Кроме того, композитные изделия более надежны и долговечны в эксплуатации, чем аналоги, изготовленные из различных видов металлов, в основном из-за отсутствия сварных швов (врезных, переходных), концентраторов напряжений и химической стойкости в композитных изделиях. [4]

Список литературы

1. Вагоны. Проектирование и устройство [Электронный ресурс]. URL: https://www.dieselloc.ru/vagony-proektirovanie-ustroystvo/materialy- primenyaemye-v-vagonostroenii.html (дата обращения: 17.05.2022);

2. Материалы, применяемые в вагоностроении [Электронный ресурс]. URL: ййр8://8ІийШе.пе1/ргеуіе'№/6310300/раде:9/#:~:1ех1=%2В%20Стальной%20прок ат.%20В%20настоящее,ГОСТ%2019281 --73%20и%20ГОСТ%2019282--73 (дата обращения: 17.05.2022);

3. Металлы в производстве железнодорожных вагонов [Электронный ресурс]. URL: https://www.metaljournal.com.ua/metals-in-the-manufacture-of- railway-wagons/ (дата обращения: 17.05.2022);

4. Полимерные композиционные материалы в железнодорожном транспорте России [Электронный ресурс]. URL: http://viam-works.ru/ru/articles?art_id=988 (дата обращения: 17.05.2022);

5. Применение композиционных материалов в грузовом вагоностроении [Электронный ресурс]. URL: https://tt-center.ru/about-company/vnictt-publishing/primenenie-kompoziczionnyix-materialov-v-gruzovom- vagonostroenii.html (дата обращения: 17.05.2022);

6. Современные и новые материалы в промышленности [Электронный ресурс]. URL: https://extxe.com/28947/sovremennye-i-novye-materialy-v- promyshlennosti/#i-4 (дата обращения: 17.05.2022).

Размещено на Allbest.ru