Автор: редакционная статья

Категории: применение металлопродукции

Металлы в производстве железнодорожных вагонов

Для того чтобы современные вагоны отвечали высокому технологическому уровню и надежности, при их изготовлении требуется употреблять экономичные прогрессивные конструкционные материалы, которые обладают гарантированным комплексом требуемых физико-химических свойств, как в исходном состоянии, так и в сварных соединениях.

До конца 50-х гг. прошлого столетия в вагоностроении в основном в качестве главного конструкционного материала применялась углеродистая сталь марок ст3, 15, 20. Она была достаточно технологичной в производстве и позволяла использовать различные приемы резки, сварки, гибки, штамповки и т.д.

Однако повышение требований по эксплуатации, безопасности и надежности поездов, увеличение интенсивности использования подвижных составов, стремление к увеличению межремонтных сроков заставили принять меры и провести комплексные мероприятия по повышению качества металла, используемого в основных несущих элементах конструкции вагонов.

Примерно с 60-х гг. широко начали применять низколегированную или близкую ей по составу сталь вместо углеродистой.  Это позволило заводам-производителям более экономно использовать имеющиеся у них в распоряжении материалы (было сэкономлено более  2 млн.т. металлопроката). Сталь, упрочненная легирующими компонентами, позволила выпускать более надежные и прочные вагоны, и при этом ещё способствовала улучшению такого важного показателя как коэффициент тары.

В ходе исследований было доказано, что использовании стали с содержанием 2-5% легирующих элементов экономически выгодно, так как она обладает более высоким временным сопротивлением разрыву и текучести, не так склонна к механическому старению, как углеродистая сталь, и отвечает требованиям по ударной вязкости при температурах меньше 0 градусов Цельсия, чувствительности к концентраторам напряжений, износостойкости, свариваемости и хладноломкости.
Но в связи с тем, что применение этих сталей уже не может обеспечивать повышение грузоподъемности грузовых вагонов без увеличения их массы, разрабатывались новые требования к использованию горячекатаных профилей класса прочности 390-420 МПа и высоко жестких профилей прочности 450 МПа.

В 21 веке в странах СНГ при выборе материала в вагоностроительстве все больше стали  обращать внимание на коррозионностойкие нержавеющие, двухслойные стали и алюминиевые сплавы. Более широко стали применяться низколегированные стали класса прочности 450-500 МПа и композиционные материалы.  
Использование специально подобранных сортов стали и применение современных технологий, таких точечная сварка, специальные методы штамповки стоек боковых стенок, лазерная сварка листов наружной обшивки помогают облегчить конструкции вагонов. Для производителей облегченных конструкций сталь является удобным материалом, потому что стоит относительно недорого, обладает хорошей прочностью и пластичностью, имеет высокий модуль упругости, хорошо подвергается обработке и свариванию, ремонтопригодна, сохраняет хорошие показатели экологичности и возможность утилизации,  имеет значительный потенциал для создания облегченных конструкций.

Нержавеющая сталь широко применяется в строительстве вагонов, обладающих повышенными параметрами безопасности особенно в случаях столкновения. Металлоконструкции вагона из нержавеющей стали поглощают энергию в 2,5 раза большую, чем конструкции из обычной стали за счет лучшей способности к деформации и большей жесткости. Срок службы при этом составляет 30-40 лет, каждые 5 лет проводится техническое обслуживание и каждые 15 лет – капитальный ремонт. Несмотря на то, что металлоконструкции из нержавеющей стали более дорогостоящие, чем из углеродистой, их применение считается экономически оправданным.
Поскольку кузова грузовых вагонов для перевозки угля и железной руды испытывают значительные  ударные нагрузки и подвержены износу, для повышения жизненного цикла используют вагоны из нержавеющей стали ферритного класса, которые обладают увеличенным жизненным циклом. Механические свойства металла, из которого они сделаны, позволяют при производстве уменьшить массу вагона на несколько тонн за счет меньшей толщины обшивки стенок и днищ примерно в 2 раза (от 8-10 мм до 5мм). Общие затраты на обслуживание этих вагонов, срок службы которых составляет примерно 30 лет, уменьшатся на треть, считают австралийские специалисты.

Однако, в 80-гг. прошлого столетия наметилась тенденция замены стали алюминиевыми сплавами и полимерами, армированными стекловолокном.  Потребовались десятилетия, чтобы производители оценили экономическую эффективность алюминия в изготовлении конструкций для железнодорожного транспорта. В наши дни алюминий является одним из основных конструкционных материалов в производстве пассажирских и грузовых вагонов и имеет хорошие перспективы в будущем.
В производстве используются различные вариации алюминиевых сплавов – дуралюмины (наиболее прочные сплавы), магналии (сплавы с большим содержанием магния), силумины (с большим содержанием кремния, название образовано от латинского названия кремния – силициум).

Силумины обладают лучшими среди всех алюминиевых сплавов литейными качествами. Их применяют там, где необходимо изготовить тонкостенные или сложные по форме детали. Их коррозионная стойкость больше чем у дуралюминов и меньше чем у магналиев. Кроме вагоностроения их применяют в авиастроении, автомобилестроении и производстве сельскохозяйственных машин.

При производстве металлических изделий, использующихся под воздействием высоких температур и требующих повышенной стойкости против окисления, используют сплавы из окисленного алюминиевого порошка.  При температуре 200-400 градусов Цельсия  прочностные свойства этого сплава превосходят дуралюмины и магналии.

Было замечено, что вагоны из вышеперечисленных сплавов  обладает большей грузоподъемностью. Их меньшая масса  помогает экономить электроэнергию, использовать большее количество вагонов в составе, и, следовательно, увеличивать вместительность состава.

Опыт использования транспортных средств из данных материалов показал:

• Большую легкость вагона
• Ресурс – 30 лет
• Невысокие эксплуатационные затраты
• Стоимость жизненного цикла алюминиевых вагонов как у вагонов из конструкционной стали
• Сниженные расходы на эксплуатацию
• Конструкция может позволить полностью автоматизировать технологический процесс
• Невысокая трудоемкость изготовления
• Срок окупаемости 3-4 года.

На рисунках изображены крытый вагон из алюминиевых сплавов 60-х гг. 20 века, и цельнометаллический вагон дальнего следования.

Рис.1  Крытый вагон из алюминиевых сплавов


Рис.2 Цельнометаллический вагон дальнего следования

        В наше время также набирает популярность композитные материалы – материалы, полученные путем соединения в их объеме химически разнородных компонентов с четкой границей раздела между ними (стеклопластики, биметаллы, железобетон и др.) Использование этих материалов обусловлено стремлением производителей улучшать характеристики используемых изделий и открывать инновационные возможности для разработки новых конструкций и технологических процессов.  Данные материалы при низкой плотности ещё прочнее, чем сталь и легче сплавов из алюминия.

Они также помогают повышать надежность и долговечность машин и механизмов, приборов, и заметно снижать материалоемкость производства.
Железнодорожная отрасль заинтересована в композиционных материалах, потому что рассматривает эти легкие, и прочные материалы как замену стали и алюминия в изготовлении кузовов вагонов. Их применение способствует еще большему облегчению конструкции вагона, сокращению расходов на их обслуживание в расчете на весь срок службы и удешевлению подвижного состава, а это немаловажные факторы при производстве данного вида транспорта.

Применяются они в основном для элементов, от которых требуется долговечность и износостойкость – раздвижные и распашные двери, внутренние перегородки, фрикционные планки, вкладыши подпятников, элементы настила пола и др.  Благодаря своих качествам они хорошо подходят для торцевых дверей в вагонах для перевозки автомобилей, боковых стенок и панелей крыш.

Что касается конкретно раздвижных и распашных дверей, то эти материалы широко популярны в производстве потому, что могут возвращать исходную форму после деформирования, следовательно, в случае повреждения двери отпадает необходимость снимать вагон с рейса для ремонта. В связи с этим среди многих зарубежных компаний стала популярной замена обычных дверей дверями из композитных материалов в ходе модернизации их железнодорожного транспорта.

Александр Рыбаков

Источники использованные при написании статьи:

Цыган Б.Г. , Цыган А.Б. "Вагоностроительные конструкции:изготовление,модернизация,ремонт"