Алюминий – вес меньше, гибкости больше
В действующей нормативной документации нет данных по выносливости алюминия при действии динамических нагрузок. Между тем принципиальных отличий в методике проектирования алюминиевых несущих конструкций также нет. Юрий Бороненко, заведующий кафедрой «Вагоны и вагонное хозяйство» ПГУПС, это прямо указывает в своем докладе.
«Расчет несущих конструкций из алюминиевых сплавов аналогичен расчету конструкций из стали, но алюминиевые сплавы имеют отличные физические и механические свойства. Это вызывает появление ряда отличительных особенностей, которые необходимо учитывать при создании алюминиевых вагонов. Среди них главные: гибкость, коррозионная стойкость, прочность и выносливость», – продолжил он.
Модуль упругости алюминиевых сплавов в среднем равен 7∙105 Мпа. Если алюминий сравнивать со сталью, то это – почти в три раза меньше. Показатель влияет на прогибы и устойчивость конструкции.
«Проблема недостаточной жесткости решается увеличением высоты сечений, а недостаточность устойчивости – увеличением толщин применяемых материалов», – объяснил Бороненко.
Идут споры и о прочности вагонов из алюминия. При расчетах на прочность подвижного состава обычно используется показатель предела текучести с некоторым коэффициентом запаса, указал Бороненко. Прочность вагонов из алюминия ниже, чем у вагона из стали, но для компенсации его снижения возможно увеличение площади и моментов инерции несущих конструкций.
«С точки зрения удельной прочности по пределу текучести можно ожидать снижение массы конструкции с использованием алюминиевых сплавов на 1,5–1,7 раза», – подчеркивает докладчик.
Задачи по защите алюминия
Вагоны в России должны быть окрашены, таково требование нормативной документации. Но алюминиевые сплавы характеризуются высокой коррозионной стойкостью от атмосферных осадков. А это значит, что окрашивать вагоны из алюминия не надо. Требования по окрашиванию алюминиевых вагонов ведет к увеличению расходов и росту стоимости изготовления и ремонта вагонов, продолжил Бороненко.
«Требование по окраске алюминиевых частей вагонов предлагается исключить. Для этого необходимо вносить изменения в ГОСТы», – подчеркнул он.
В целом алюминиевые вагоны – это новый вызов. Вагоностроители должны защитить конструкцию от электрохимической коррозии. Из-за нее непосредственный контакт стали и алюминия не допускается в силу разной электрохимической активности.
«Для решения этой проблемы применяются специальные прокладки. Опытная эксплуатация вагонов-хопперов 19-1244 не показывает коррозионной повреждаемости алюминиевых конструкций. Поэтому на данный момент эту проблему можно считать решенной», – заявил профессор.
Выносливость – это зависимость между величинами средних напряжений и числами циклов до разрушения. Этот показатель крайне важен для расчетчика вагонов. Однако таких данных в настоящее время недостаточно, подчеркнул докладчик.
Вагоностроители также испытывают сварные швы в вагонах из алюминия. Заявлено о существенной разнице в расчетах по ГОСТ 33211 и «Нормам». Со слов Бороненко, необходимо отказаться от упрощенного способа определения предела выносливости сварных соединений алюминиевых сплавов
«Важнейшей задачей становится экспериментальное определение показателей усталостной прочности сварных соединений алюминиевых сплавов для различных видов сварных соединений. Учитывая большое количество вариантов сварных соединений, необходима общая программа работ по испытаниям сварных соединений алюминиевых сплавов и на их основе создание справочной базы по показателям ограниченного предела выносливости сварных соединений алюминиевых сплавов», – резюмировал он.
Однако, несмотря на все сложности, железнодорожная сеть нуждается в вагонах из алюминия, настаивают участники рынка. Во-первых, ввиду высокой удельной прочности они имеют преимущества над сталью, обеспечивая возможность создавать вагоны и меньшего объема. А существенная проблема конструирования алюминиевых вагонов – это следствие недостаточной изученности показателей ограниченного предела выносливости сварных соединений алюминиевых сплавов. Именно этот параметр и не позволяет полностью реализовать преимущества алюминия при создании кузовов грузовых вагонов.
