[01-2020] Применение композитных материалов на железнодорожном транспорте

[Admin]

Применение композитных материалов на железнодорожном транспорте

САВИН А.В., Российский университет транспорта (МИИТ), проректор, БОРЦ А.И., научный центр АО «ВНИИЖТ», заместитель директора, СВЕТОЗАРОВА И.В., АО «ВНИИЖТ», ведущий научный сотрудник, ДОРОШКЕВИЧ А.А., Научно-исследовательский институт мостов и дефектоскопии (АО «НИИ мостов»), научный сотрудник

В настоящее время композитные материалы получили широкое распространение в различных отраслях промышленности, а также на железнодорожном транспорте.
Специалисты ВНИИЖТа активно проводят испытания различных изделий из композитных материалов и разрабатывают нормативную базу для их применения.

Композитные шпалы

Шпалы из композитных материалов (рис. 1) — это относительно новое явление по сравнению со шпалами из пиломатериалов, бетона или стали. Специалистами АО «ВНИИЖТ» проведены комплексные испытания композитных шпал АО «Фирма ТВЕМА», для изготовления которых использовалась полимерная матрица из переработанного полиэтилена высокой плотности в качестве основного компонента со стеклонаполненным полимером.
Геометрические размеры композитных шпал соответствуют размерам деревянных обрезных шпал I типа.
При испытаниях использовался стандарт AREMA и приведенные в нем минимальные величины рабочих характеристик (при их отсутствии в российских и межгосударственных стандартах). Результаты испытаний показали, что значения физико-механических характеристик, влияющих на эксплуатационную надежность и работоспособность композитных шпал, выше, чем у деревянных.
Композитные шпалы из полимерного материала больше подвержены температурному влиянию, чем деревянные; при отрицательных температурах модуль упругости изменяется до двух раз. При зимних полигонных испытаниях зафиксированы изломы композитных шпал на участках с неравномерно уложенным и уплотненным щебеночным балластом.
Большая на 10—15 % масса композитных шпал, по сравнению с деревянными, а также текстурированные нижние и боковые плоскости обеспечивают до 1,5 раз большее сопротивление поперечному сдвигу.
На Экспериментальном железнодорожном кольце АО «ВНИИЖТ» в Щербинке вместо деревянных было уложено ПО композитных шпал, наработка по ним составила порядка 700 млн т груза брутто.
При наработке 500 млн т груза брутто среднее изменение ширины колеи составило 1,1 мм. Подуклонка и
возвышение рельсов практически не изменились.
Композицитные шпалы обладают лучшими физикомеханическими характеристиками, чем деревянные, а следовательно, более высокими эксплуатационной надежностью и работоспособностью. Они могут использоваться при ремонтах пути на новых материалах, а также при одиночной замене шпал на пути с деревянными шпалами.
Применение композитных шпал целесообразно при технико-экономическом обосновании их эффективности по сравнению с деревянными и железобетонными шпалами, а также плитами безбалластного мостового полотна (БМП), с учетом определения сфер их рационального применения и разработки нормативной документации.

Изолирующие накладки

Специалистами ВНИИЖТа проведена научно-исследовательская работа по оценке прочностных свойств композитных накладок для изолирующих стыков в целях определения ресурсных показателей и установления порядка их применения в зависимости от условий эксплуатации.
Исследовались композитные накладки, изъятые из участков пути с разной грузонапряженностью и различным пропущенным тоннажем. Для выявления закономерности снижения несущей способности композитных накладок от накопленных дефектов в эксплуатации проведены их статические испытания на изгиб и излом. Полученные результаты свидетельствуют о закономерном снижении прочности накладок при увеличении пропущенного тоннажа и грузонапряженности: заданные величины изгиба при вертикальном нагружении и излома при горизонтальном достигаются при меньших значениях сил.
В целях установления ресурсных показателей накладок для путей различных классов были рассчитаны коэффициенты запаса по вертикальным и горизонтальным статическим нагрузкам. С учетом полученных коэффициентов запаса и установленных среднесетевых нормативных значений периодичности проведения капитальных ремонтов бесстыкового пути получены рекомендации по ресурсу эксплуатации композитных накладок до оценки их технического состояния.
Специфика материала, применяемого для изготовления композитных накладок, предусматривает накопление в нем в процессе эксплуатации продольных трещин и расслоений. Поэтому требуется периодический осмотр накладок с разборкой стыков для принятия решения о возможности их дальнейшей эксплуатации.
Разработан порядок монтажа и содержания изолирующих стыков с композитными накладками (рис. 2), регламентирующий возможность их эксплуатации и повторного использования при достижении заданных значений наработки тоннажа (с учетом порядка и периодичности осмотра стыков), а также допустимых дефектов в накладках.
Композитные плиты мостового полотна
Композитные плиты (рис. 3) предназначены для устройства безбалластного мостового полотна на металлических пролетных строениях железнодорожных мостов с учетом условий эксплуатации, меняющихся с ростом грузонапряженности, скоростей движения и нагрузок на оси.

Перспективна укладка композитных плит на железнодорожных мостах с низкой грузоподъемностью пролетных строений, где применение тяжелых железобетонных плит невозможно. Композитные плиты в данном случае увеличивают ресурс проезжей части, по сравнению с мостовым полотном на деревянном брусе, с 12—15 до 50 лет, что позволяет значительно сокращать эксплуатационные затраты. Широкое использование композитных плит на металлических пролетных строениях железнодорожных мостов в настоящее время ограничено из-за их высокой стоимости.
По результатам проведенных на Экспериментальном кольце испытаний специалистами ВНИИЖТа разработана Инструкция по применению плит безбалластного мостового полотна из композитных материалов (Утверждена Распоряжением ОАО «РЖД» от 19.10.2019 № 2277).
Композитное безбалластное мостовое полотно (КБМП) на плитах предназначено для применения на металлических пролетных строениях эксплуатируемых и вновь строящихся мостов на железных дорогах колеи 1520 мм и имеет следующие достоинства:
обладает высокой стабильностью положения элементов; предохраняет от загрязнения и коррозии верхние пояса балок и связи между ними;
дает возможность заменять мостовое полотно на деревянных поперечинах без подъемки или опускания пути на подходах;
обеспечивает безопасный проход по мосту колесных пар в случае схода с рельсов;
является более легкой конструкцией мостового полотна по сравнению с железобетонными плитами БМП;
имеет длительный срок службы — не менее 50 лет.
Укладывают плиты КБМП на пролетных строениях мостов, расположенных на прямых участках пути с уклоном 8 %0 и менее в районах с расчетной сейсмичностью не более 8 баллов при расстояниях между главными или продольными балками от 1700 до 2200 мм.
По согласованию с Управлением пути и сооружений Центральной дирекции инфраструктуры укладка полотна, изготовленного по индивидуальным проектам, допускается на мостах, расположенных на уклонах более 8 %», на кривых участках пути и в районах с сейсмичностью более 8 баллов.

Плиты КБМП, в соответствии с СП 131.13330.2012 «Строительная климатология. Актуализированная редакция СНиП 23-01-1999», утвержденными Приказом Минрегиона России от 30.06.2012 № 275, предназначены для районов с умеренными, суровыми и особо суровыми климатическими условиями. Их следует укладывать по всей длине пролетного строения; ширина швов между ними должна составлять (Ю±5) мм. В отдельных случаях допускается ширина шва до 25 мм. Швы между плитами над поперечными балками должны располагаться по их осям, за исключением швов над опорными балками.
Укладывать плиты КБМП можно при строительстве, капитальном ремонте мостов, замене железобетонных плит, замене мостовых брусьев на эксплуатируемых мостах и участках усиленного капитального ремонта пути на железобетонных шпалах, независимо от состояния мостовых брусьев на мосту.
На эксплуатируемых мостах с критической несущей способностью целесообразно укладывать плиты КБМП взамен мостовых брусьев для обеспечения нормальной эксплуатации сооружения, если в течение ближайших 10—15 лет не предполагается замена пролетного строения. Объекты для замены полотна определяются службами пути дорог.
Плиты КБМП успешно прошли испытания на Экспериментальном кольце, пропустив 750 млн т груза брутто. Кроме полигонных, статических и динамических испытаний выполнены испытания по огнестойкости на RE = 30 при проектной нагрузке на плите, а также испытания по сходу колеса и его пропуску по плите.
На сети дорог уже уложено и эксплуатируется
25 плит, из них:
путепровод на 2 км + 445 м направления Калининград—Советск — 17 шт.;
мост на 88 км + 345 м направления Калининград—Советск — 8 шт.

Вывод

Композитные материалы могут успешно использоваться на железнодорожном транспорте при наличии обоснованной нормативно-технической документации. Их применение требует отдельного технико-экономического обоснования, так как композитные материалы значительно дороже традиционных. Однако при массовом производстве и учете экономических эффектов жизненного цикла такие материалы в скором времени несомненно займут свою нишу в инфраструктуре железных дорог.

Список источников
1. Проблемы применения полимерных композиционных материалов в транспортном строительстве / И.И. Овчинников, И.Г. Овчинников, Б.Б. Мандрик-Котов, Е.С. Михал-дыкин // Интернет-журнал «Науковедение». 2016. Т. 8. № 6. http://naukovedenie.ru/PDF/ 89TVN616.pdf
2. Испытания шпалы компании Vossloh из композитного материала // Железные дороги мира. 2019. № 4. С. 69—71.
3. ГОСТ 33185—2014. Накладки для изолирующих стыков железнодорожных рельсов. Требования безопасности и методы контроля. Введ. 01.07.2015. М.: Стандартинформ, 2011.
4. Контроль стыковых накладок рельсов / В.Ф. Тарабрин, Д.А. Блаватский, О.Е. Чистякова, Д.А. Кононов // В мире неразрушающего контроля. 2011. № 3 (53). С. 83—85.
5. Инструкция по устройству и конструкции мостового полотна на железнодорожных мостах ОАО «РЖД»: утв. Распоряжением ОАО «РЖД» от 14.01.2019 № 28/р. Доступ через ИБ «Строительство» (дата обращения 06.09.2019).


ПРИМЕНЕНИЕ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ
Ключевые слова: композитные материалы, композитные шпалы, композитные накладки, изолирующий стык, композитные плиты мостового полотна, беэбалластное мостовое полотно.
Савин Александр Владимирович — докт. техн, наук, проректор Российского университета транспорта (МИИТ). Москва, Россия.
E-mail: savin.aleksandr@vniizht.ru
Борц Алексей Игоревич — канд. техн, наук, заместитель директора научного центра Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (АО «ВНИИЖТ»). Москва, Россия. E-mail: borts.aleksci@vniizht ru
Светозарова Ирина Валерьевна — канд. техн, наук, ведущий научный сотрудник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (АО «ВНИИЖТ»). Москва, Россия. E-mail: Svetozacovajnna@vniizht.ru
Дорошкевич Антон Андреевич — канд. техн, наук, научный сотрудник Научно-исследовательского института мостов и дефектоскопии (АО «НИИ мостов»). Москва, Россия. E-mail: bridgeway@mail.ru
Аннотация. Описаны исследования изделий из композиционных материалов, проведенные в АО «ВНИИЖТ». Приведены результаты испытаний шпал из композиционных материалов. Показаны как положительные, так и отрицательные качества композитных шпал по сравнению с деревянными. Описаны результаты исследований композитных накладок для изолирующих стыков рельсов. На основе результатов исследований даны рекомендации для разработки Порядка монтажа и содержания изолирующих стыков с композитными накладками, регламентирующего возможность их эксплуатации и повторного использования. Представлены результаты испытаний композитных плит, предназначенных для устройства безбалластного мостового полотна на металлических пролетных строениях железнодорожных мостов. Показана перспективность их применения,

APPLICATION OF COMPOSITE MATERIALS IN RAILWAY TRANSPORT
Keywords: composite materials, composite sleepers, composite linings, insulating joint, composite plates of bridge fabric, ballast-free bridge fabric.
Savin Alexandr — D.Sci,, Russian University of transport (MITT), prorektor. Moscow, Russia, E-mail: savin.aleksandr@vniizht.ru
Borts Alexey — Ph.D., Deputy Director of the scientific center, Research Institute of railway transport (JSC «VNIIZHT»), Moscow, Russia.
E-mail: borts.al eksei@vn iizht. ru
Svetozarova Irina — Ph.D., leading researcher, Research Institute of railway transport (JSC «VNIIZHT»), Moscow, Russia.
E-mail: Svetozarova.lrina@vniizht.ru
Doroshkevich Anton — Ph,D., Researcher Joint-Stock Company «Scientific Research Institute of Bridges and Flaw Detection» (JSC «Research Institute of Bridges»), Moscow, Russia. E-mail: bridgeway@mail ru
Abstract. The studies conducted by JSC «VNIIZHT», products made of composite materials are described, The results of testing of sleepers made of composite materials are presented. Both positive and negative qualities of composite sleepers in comparison with wooden sleepers are shown. The results of studies of composite linings for insulating joints of rails are described- On the basis of the research results, recommendations are given for the development of the Order of installation and maintenance of insulating joints with composite overlays, regulating the possibility of their operation and reuse. The results of tests of composite plates designed for the device of ballast-free bridge fabric on metal span structures of railway bridges are presented,