Выбор полимеров и полимерных композиций с требуемыми свойствами для конструкционных элементов железнодорожного пути

УДК 678.8.656.02

ЖИТАРЬ Б.Е., доцент (Донецкий институт железнодорожного транспорта); САМОЙЛОВ В.В., старший преподаватель (Донецкий институт железнодорожного

транспорта)

Выбор полимеров и полимерных композиций с требуемыми свойствами для конструкционных элементов железнодорожного пути

Zhitar B.E., Associate Professor

The choice of polymers and polymer compositions with the required properties for structural elements of the railway track

Введение

В последние годы на железнодорожном транспорте нашли широкое применение детали и конструкционные элементы из полимерных материалов. К числу наиболее применяемых полимеров относятся пластмассы (фенопласты и аминопласты, полиэтилен, полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, древесноволокнистые пластики, полиэфирные стеклопластики и др.). Особое значение приобретают принципиально новые конструкционные материалы на основе полимерных композиций.

Постановка проблемы

Металлические элементы

конструкции железнодорожного пути достаточно дороги, не всегда являются наилучшими по своим свойствам и характеристикам, зачастую имеют достаточно небольшой срок службы и надежность, чем и вызвана необходимость замены их полимерными. Полимер (связующий элемент) является основой полимерных композиций.

Физико-химические и физико-

механические свойства полимеров и полимерных композиций во многом позволяют прогнозировать

технологические свойства полимерных материалов. В связи с этим основным фактором для выбора типа полимера и полимерной композиции, является учет отмеченных их свойств.

Анализ последних исследований и публикаций

Анализ последних исследований и публикаций [1-4] свидетельствует об отсутствии данных о целенаправленном выборе полимеров и полимерных композиционных материалов для их использования в конструкциях

железнодорожного пути. Это вызывает необходимость проведения исследований в данной области.

Цель работы

Целью настоящей работы было выполнить прогнозно-аналитические исследования целенаправленного выбора полимерных материалов для

конструкционных элементов

железнодорожного пути. В статье

использованы методологические подходы к зависимостям в системе «структура -свойства полимеров».

Основной материал

Практика использования полимеров и полимерных композиций на железнодорожном транспорте часто ставит вопросы выбора полимерных материалов, необходимых для изготовления деталей конструкции железнодорожного пути.

Решить эти вопросы можно путем изучения структуры и свойств полимеров и полимерных композиций.

Существует взаимосвязь между структурой и свойствами полимеров. Под структурой в дальнейшем будем подразумевать строение полимерной цепи, упаковку матрицы в композиционном материале. Структура полимера в значительной мере определяет его свойства (физико-химические, физико-механические и

др.).

Таблица 1

Основные физико-химические свойства различных типов полиэтиленов_

Свойство материала Полиэтилен

низкой плотности, высокого давления высокой плотности, низкого давления высокой плотности, среднего давления

Плотность, г/см3 0,92-0,93 0,935-0,95 0,95-0,97

Кристалличность, % 55-70 75-85 до 92

Молекулярная масса 18000-35000 70000-800000 70000-400000

Таблица 2 Основные физико-механические свойства полиэтиленов

Свойство материала Полиэтилен

низкой плотности, высокого давления высокой плотности, низкого давления высокой плотности, среднего давления

Предел прочности при растяжении, кгс/см2 120-160 220-450 270-330

Относительное удлинение при растяжении, % 150-600 200-900 200-800

Предел прочности при изгибе, кгс/см2 120-170 200-380 250-400

В качестве примера исследования был выбран полиэтилен (далее - ПЭ) различных типов. В промышленном масштабе выпускают ПЭ низкой и высокой плотности.

Полиэтилен низкой плотности иногда называют ПЭ высокого давления [ПЭВД], полиэтилен высокой плотности - ПЭ низкого давления [ПВНД], а синтезируемый при средней плотности -ПЭ среднего давления [ПВСД].

По структуре и молекулярной массе ПЭ различных типов характеризуются следующими показателями (см. табл. 1).

Из этих данных видно, что плотность и кристалличность уменьшается от ПЭ высокой плотности - к ПЭ низкой плотности.

Такая же закономерность наблюдается и в отношении молекулярных масс.

Механические свойства разных типов ПЭ для анализа сведены в таблице 2.

Сравнительный анализ приведенных данных показывает, что с повышением плотности увеличивается прочность при растяжении, предел прочности при изгибе.

Были исследованы и другие свойства полиэтиленов.

Электрические свойства. Тангенс угла диэлектрических потерь при 106 Гц для всех типов составляет 0,0002-0,0003. Небольшая величина диэлектрических потерь ПЭ в сочетании с хорошими механическими свойствами и высокой водостойкостью позволяет применять ПЭ в качестве ценного диэлектрика, например, для высокочастотной изоляции.

Теплофизические свойства. С повышением плотности ПЭ увеличивается температура плавления (от 108-120°С - у ПЭ низкой плотности - до 125-137°С - у ПЭ высокой плотности). Изделия из ПЭ низкой плотности могут эксплуатироваться при температурах до 60°С, из ПЭ высокой плотности - до 100°С.

ПЭ становится хрупким при очень низких температурах (-70°С), поэтому изделия из него могут эксплуатироваться в суровых климатических условиях.

Таким образом, анализ структуры и свойств полиэтилена дает возможность целенаправленного выбора различных типов ПЭ для конструкционных элементов железнодорожного пути (прокладки, вкладыши, втулки и др.). Учитывая высокие деформационные нагрузки на стыке рельсов, следует выбирать для этих целей ПЭ высокой плотности.

Для изготовления изолирующих прокладок промежуточных скреплений можно использовать

сверхвысокомолекулярный полиэтилен со сшитой структурой [СВМПЭ]. Он обладает повышенными прочностными качествами, высоким коэффициентом трения,

стойкостью к растрескиванию и химической стойкостью.

Применение полимерных

композиций для элементов конструкции железнодорожного пути обусловлено их высокой эффективностью. Так, стеклопластики, состоящие из

стекловолокнистого наполнителя

(стеклянное волокно из кварца) и связующего вещества (термопластичные и термореактивные полимеры) в 3-4 раза легче стали, не уступают ей по прочности.

Для выбора полимерной композиции в качестве конструкционного материала элементов железнодорожного пути можно воспользоваться механическими свойствами некоторых видов стеклопластиков (таблица

3).

Анализ механических свойств различных видов стеклопластиков дает возможность сделать прогноз

пригодности для конструкционного материала стеклопластика на основе эпоксидно-фенольного связующего.

Применение в конструкциях. Каждый тип полимеров и полимерных композиций отличается своим назначением.

Для предотвращения пучинной деформации земляного полотна при промерзании грунтов рекомендуют использовать теплоизоляционные плиты из пенополистирола или

полимерцементного бетона на его основе, на слой которых укладывают балластный материал верхнего строения пути [5].

Для предотвращения утечки тока из рельсов по болтам или анкерам промежуточных скреплений в каждом узле скреплений рельсов со шпалами устанавливают изолирующие вкладыши из термопластичной пластмассы (полиамид) ПА-6-210 (бесподкладочное упругое промежуточное скрепление типа КПП-5).

Таблица 3

Основные механические свойства стеклопластиков

Свойство материала Вид стеклопластика

стеклотекстолит ЭФ 32-301* ориентированный стеклопластик СВАМ* стеклопластик АГ-4В** пластик на основе стекломата***

Предел прочности, кгс/см2 - при растяжении - при статическом изгибе 4000 4150 4500-4700 4100-4600 80-1200 1500-2000 1000-1800 2000-3200

Модуль упругости при растяжении, кгс/см2 220000 350000 120000-150000 80000-100000

Примечание: * - эпоксидно-фенольное связующее

** - модифицированное фенолоформальдегидное связующее *** - полиэфирное связующее

Является возможным и эффективным для промежуточного рельсового скрепления также применение композиции на основе полиэфирной или эпоксидной смол. При этом прочность скрепления повышается в несколько раз.

Применение конструкционных

элементов пути на основе полимерных композиционных материалов значительно повышает надежность, безопасность эксплуатации и обслуживания пути.

Выбор полимерных композиций для элементов конструкции пути (подобно приведенным выше ПЭ) обусловлен их необходимыми свойствами и может повысить экономический эффект от внедрения современных конструкций железнодорожного пути.

Высокие ударные нагрузки возникают на стыках рельсов. В результате именно стыковые зоны рельсов являются наиболее подверженными возникновению дефектов, а верхнее строение пути в целом - в таких местах чаще деформируется.

В качестве более надежной конструкции внедрена бесстыковая конструкция, значительно сокращающая количество эксплуатируемых стыков на

1 км пути. На границах блок-участков в такой конструкции устраивались изолирующие стыки разборной конструкции, имевшие достаточно высокую повреждаемость изолирующих деталей, что делало существенно дороже их эксплуатацию.

Дальнейшим развитием этой тенденции стало внедрение бесстыкового пути длиной до блок-участка и перегона, при которой рельсовые плети обычной длины сваривались вместе, где это возможно, а рельсовые цепи разделялись высокопрочными клееболтовыми стыками неразборной конструкции (К1В 65, К1В 60) с использованием полимерных изолирующих элементов: продольных, торцевой прокладок и втулок - из хлопчато-фенолового материала, продольных прокладок из технической стеклоткани (марки Т11) [6]. Такие изостыки вваривались с рельсовыми рубками в рельсовые плети на границах блок-участков и не имели слабостей обычных разборных изолирующих стыков.

В клееболтовых стыках, помимо изолирующих прокладок применяют феноло-формальдегидный и древесно-слоистый пластик для изоляции стыковых болтов.

Перспективное направление

усовершенствования стыков - применение конструкций с деталями и элементами из эпоксидного пластика, обладающего высокими прочностными свойствами.

Таким образом, во всех случаях выбора полимерного материала необходимо исходить из структуры и зависимых от нее свойств полимера.

Для выбора полимера и ПК с позиций системного подхода нами предложен следующий алгоритм.

1. Постановка цели (задачи).

2. Ознакомление со свойствами полимерных материалов.

3. Ознакомление с условиями работы верхнего строения пути и конкретно - рассматриваемого элемента.

4. Выбор необходимых требований к элементу конструкции железнодорожного пути.

5. Уточнение необходимых параметров и характеристик материала для изготовления полимерного элемента.

Практические выводы по целенаправленному применению

полимерного материала.

Выводы

1. Выполнены прогнозно-аналитические исследования выбора полимерных и полимеркомпозитных конструкционных элементов железнодорожного пути.

2. Предложен целенаправленный выбор полимерного материала элементов конструкции пути, исходя из закономерностей, существующих в системе «структура - свойства полимера».

Разработан алгоритм подбора полимерных материалов для путевых конструкций.

Список литературы:

1. Богданов А. Пластики на рельсах // Пластик. - 2013. - № 8. - С. 1622.

2. Коблов Е.Н. Композиты: сегодня и завтра // Металлы Евразии. -2015. - № 1. - С. 36-39.

3. Власенко Ф.С. Применение композиционных материалов в строительных конструкциях / Ф.С. Власенко, А.Е. Раскутин // Труды ВИАМ: электрон. науч.-техн. журнал. -2013. - № 8. - Электронный ресурс: URL: http://viam-works.ru/ru/articles?art_id=123.

4. Дориомедов М.С. Полимерные композиционные материалы в железнодорожном транспорте России / М.С. Дориомедов и др. // Труды ВИАМ: электрон. науч.-техн. журнал. - 2016. - № 7. - Электронный ресурс: URL: dx.doi.org/ 10.18577/2307-6046-2016-0-7-12-12

5. Справочник по земляному полотну эксплуатируемых железных дорог / Под ред. А.Ф. Подпалого, М.А. Чернышева, В.П. Титова. - М.: Транспорт, 1978. — 766 с.

6. 1нструкщя з укладання та утримання рейково'1 коли з рейками типу Р65, UIC 60 i пружним промiжним скршленням типу КПП-5 та високомщними iзолюючими стиками : ЦП-0104 / С М. Демченко та ш. - К.: ГУ КГ Укрзалiзницi, 2003. - 50 с.

Аннотации:

В работе приводятся результаты прогнозно-аналитических исследований выбора полимеров и полимерных композиций для изготовления конструкционных элементов железнодорожного пути.

Рассмотрены методологические

закономерности зависимости свойств полимеров в системе «структура - свойства полимера».

Сделан вывод о необходимости учета физико-химических, физико-механических и других свойств при выборе полимерных материалов и предложен алгоритм их

обоснованного выбора. Приведены примеры использования полимеров и полимерных композиций в элементах конструкции железнодорожного пути.

Ключевые слова: полимер, полимерная композиция, конструкционный элемент, выбор свойств материала.

The article presents the results of predictive-analytical studies of the choice of polymers and polymer compositions for manufacturing structural elements of the railway track.

The methodological regularities of the dependence of the properties of polymers in the system "structure - polymer properties" are considered.

A conclusion is drawn on the need to take into account physicochemical, physico-mechanical and other properties in the choice of polymeric materials, and an algorithm for their reasonable choice is proposed. Examples of the use of polymers and polymer compositions in railroad track elements are given.

Key words: polymer, polymer composition, structural element, choice of material properties.

УДК 625.151

ЩЕРБИНИНА Ю.В., старший преподаватель (Донецкий институт железнодорожного

транспорта);

МОСИЙЧУК А.С., студент группы 5-С (Донецкий институт железнодорожного

транспорта)

Тенденции развития стрелочного хозяйства на высокоскоростных магистралях

Scherbinina Y.V. Senior Lecturer

Trends in the development of turnouts on high-speed highways

Актуальность темы

В настоящее время,

основополагающим показателем уровня развития технического состояния железных дорог, а также социально-экономического статуса государства является наличие высокоскоростного движения. Перевозочный процесс в этом случае осуществляется по специальным железнодорожным путям -

высокоскоростным магистралям (ВСМ). Преимуществами использования ВСМ являются: общедоступность,

комфортность, безопасность, а также конкурентная стоимость на билеты, по

сравнению с другими видами транспорта. Однако наличие ВСМ предъявляет высокие требования к устройству и эксплуатации подвижного состава и всего путевого комплекса сооружений.

Главное условие высокоскоростного движения - принципиально новая инфраструктура. В первую очередь это касается стрелочных переводов. По статистике, на каждые 750 метров пути приходится один стрелочный перевод, требующий уменьшения скорости при следовании на боковое направление. Исходя из этого, вопрос создания современных стрелочных переводов, отвечающих требованиям ВСМ, остается