«Интегрированная распределенная среда для оптимизации разработок и внедрения изделий из конструкционных полимерных материалов с применением систем комплексного виртуального моделирования, инженерного анализа и подготовки производства»

«Интегрированная распределенная среда для оптимизации разработок и внедрения изделий из конструкционных полимерных материалов с применением систем комплексного виртуального моделирования, инженерного анализа и подготовки производства» (далее ИРС) с выполнением НИОКРов и ОКРов по следующим направлениям:

- Модернизация стрелочного перевода проекта 2956 путем выпуска армированных резинотехнических изделий и разработки системы крепления (включая полимерные покрытия); разработка прокладок-амортизаторов рельсовых скреплений КБ и АРС, виброгасящих панелей и вкладышей в шейку рельса с повышенной эффективностью шумо - и виброизоляции на скоростном и грузонапряженном участках пути; Анализ полученных предварительных эксплуатационных и стендовых данных для составления технического задания по созданию модели поведения различных конструкций пути: «прямой» участок пути, «кривые различного радиуса» участка пути, стрелочный перевод, с целью комплексного проектирования различных эффективных шумо – виброгасящих элементов конструкций, необходимых для данных участков пути, и построение компьютерной модели проектирования комплекса необходимых изделий с заданными свойствами

- Подбор полимерных композиционных материалов для изготовления корпусов светодиодных изделий на примере «карликового светофора». Применение систем комплексного виртуального моделирования технологии изготовления корпусных изделий, полимерных комплектующих и светооптических систем и инженерного анализа поведения изделий и их элементов в реальных условиях эксплуатации.

- Проектирование и изготовление полимерных поддерживающих роликов различного диаметра и ножей с применением полимерных конструкционных материалов, работающих в трибологическом узле. Замена обрезиненной стальной рубашки и корпуса поддерживающего ролика транспортера щебнеочистительных машин на единый ролик из сверхвысокомолекулярного полиэтилена.

- Применение полиоксиметилена, полиэфирсульфона и др. конструкционных материалов для изделий, имеющих сложную форму и работающих в трибологических парах полимер-металл: планка контактная, накладка упругая, вставка (накладка) скользуна, втулка тормозной рычажной передачи грузовых вагонов и т. д.

- Разработка новой конструкции рельсового электроизолирующего соединения с применением стыковых накладок из композиционного материала с внутренним сердечником из пластин трансформаторного железа

- Создание композиций с различными наполнителями на основе СВМПЭ для полимерных покрытий с различным функциональным назначением. Отработка технологии нанесения полимерных покрытий на основе СВМПЭ для написания технического задания для разработки автоматизированного комплекса по газопламенному напылению полимерных покрытий совместно с Национальной академией наук Беларуси

- Использование элементов Центра динамических испытаний транспортной отрасли для сокращения сроков внедрения технических изделий с заданными свойствами из полимерных композиционных материалов и конструкций в

Разрабатываемая Институтом полимеров при участии НИУ ИТМО, ПГУПС, ВОЕНМЕХ, ЦНИИ Материалов, ЦНИИ ПРОМЕТЕЙ и др. для по переработке пластмасс имени «Комсомольской правды» ИРС предназначена для управления и ведения проектов, реализуемых в условиях кооперации, по разработке, подготовке производства и серийного выпуска изделий для предприятий транспортной отрасли на примере с дальнейшим трансфером технологий в судостроительную отрасль, ЖКХ, Водоканалы и др.

Стратегическая цель проведенных НИОКРов и ОКРов - Проведение научных исследований, разработка и проектирование «прорывных» инновационных технологий и изделий с заданным свойствами с сопровождением в производстве новых изделий в рамках интегрированной платформы систем виртуального моделирования.

Подбор полимерных композиционных материалов для изготовления корпусов светодиодных изделий на примере «карликового светофора». Применение систем комплексного виртуального моделирования технологии изготовления корпусных изделий, полимерных комплектующих и светооптических систем и инженерного анализа поведения изделий и их элементов в реальных условиях эксплуатации.

Описание работы: опыт эксплуатации железнодорожных светофоров, где в качестве источников света используются лампы накаливания, позволяет сделать вывод, что их технико-экономические показатели не высоки:

Срок службы светофорных ламп не превышает 2 000 часов; Лампы имеют низкую надежность, 0,2 % отказывают до истечения установленного срока службы; Использование в качестве линз светофоров обычного стекла приводит к массовому их повреждению от вандализма. Применение защитных решеток не в полной мере гарантирует целостность линзовых комплектов, при этом снижается дальность видимости огней светофоров. Ежегодно по этой причине приходится менять до 5 % линзовых комплектов светофоров; Использование металлических корпусов требует обязательной антикоррозионной защиты, такие корпуса тяжелые и применение в конструкции корпусов из негорючего полимерного материала снизит вес корпуса светофора при сохранении его прочностных характеристик.

Совместное использование таких корпусов с разработанными в последние годы мощными полупроводниковыми источниками света на светодиодах, имеющими по сравнению с лампами накаливания более высокую светоотдачу, высокую надежность, длительный ресурс работы позволяют создать на их базе новую конструкцию железнодорожного карликового светофора.

Срок службы таких светофоров составит не менее 20 лет, а средняя наработка на отказчасов.

Изготовление корпусов карликовых светофоров из конструкционного полимерного материала дополнительно обеспечат наряду с легкостью, прочностью и вандалоустойчивостью конструкции, стойкость к ультрафиолету и степень огнестойкости ПВ 0, такие корпуса могут эксплуатироваться в пределах температур от -60ºС до +90ºС, а вес комплектующих изделий корпуса будет в 1,5-2 раза меньше, чем существующий сегодня металлический светофор.

В связи с этим потребность в карликовых светофорах в корпусах, их конструкционного негорючего полимерного материала составит не менее 6000 шт. в год.

Результаты работ и их новизна: в результате выполнения работ создана в короткие сроки с высоким качеством опытная партия карликовых светофоров в корпусах из негорючего полимерного материла для одно-, двух - и трехзначных светодиодных светофорных головок, унифицированных как под ламповые, так и светодиодные светооптические системы (ССС) различных изготовителей, обеспечивающих малообслуживаемость этих изделий, вандалозащищенность корпусов карликовых светофоров, комплектов полимерных оптических линз с расчетной силой света. Данные изделия отвечают современному уровню состояния науки, технологии, производства и обеспечивают высокую надежность в работе и безопасность движения на железнодорожном транспорте.

Для выполнения работы была выстроена интегрированная распределенная система проектирования, прототипирования и подготовки производства изделий, т. к. в кооперационной сети по созданию карликового светофора участвуют предприятия из г. Москвы, СПб, Армавира, Екатеринбурга, Нижнего Новгорода и др. в рамках концепции управления всем жизненным циклом изделия.

Созданы методики подбора композиционных материалов для изготовления корпусов светодиодных приборов, расчета и разработка дополнительной линзы для светофора для РЖД».

Применение компьютерного моделирования (на основе математических моделей и симуляционных расчетов) материалов, полученных с использованием различного рода добавок, на предмет наличия у них заданных свойств (например, возможность использования в агрессивных средах) с применением CAD/CAE/CAM – систем позволили быстро и точно спроектировать и произвести опытный образец изделия.

Моделирование поведения изделий и их элементов в реальных условиях эксплуатации позволит предусмотреть на этапе проектирования влияние нагрузок на изделие.

В совокупности использования программ Digimat, Moldex3D, Zemax, Code V позволяют создать оптимальную конструкцию светофора, спроектировать оснастку и произвести корпусные детали и оптические изделия с оптимальным световым потоком. Проведенный инженерный анализ в программе SolidWorks позволил скорректировать конструкцию светофора с учетом различных требований при эксплуатации.

Исследования проведены в соответствии с направлениями технологического развития, поддерживаемыми в рамках Технологической платформы «Новые полимерные композиционные материалы и технологии» с использованием полученных знаний в результате выполненных НИОКРов из Единой технологической платформы Полимерного кластера СПб.

Цель работы: для обеспечения потребности железных дорог в новых типах светофоров необходимо разработать и поставить на производство карликовые светофоры со светодиодными, светооптическими системами, с корпусом из негорючего, химически стойкого и вандалоусточивого конструкционного полимерного материала согласно применяемой номенклатуре.

По состоянию на сегодняшний день на сети железных дорог не имеется в эксплуатации карликовых светофоров в корпусах из негорючих полимерных конструкционных материалов. Существующие корпуса карликовых светофоров подвержены воздействию внешних факторов, требуют защиты от вандализма, и конструктивные решения эксплуатируемых карликовых светофоров не обеспечивают в полной мере их безопасную эксплуатацию, так как требуют постоянного контроля со стороны эксплуатационного персонала.

Аналогов корпусов карликовых светофоров из негорючего конструкционного полимерного материала в настоящее время не существует.

Метод или методология проведения работы: В ходе выполнения работы был выполнен аналитический обзор существующих полимерных материалов, осуществлен выбор конструкционного полимерного материала с наполнителями и специальными добавками, обладающего огнестойкостью, морозостойкостью, влаго - и маслостойкостью, стойкостью к УФ - излучению, ударопрочностью и отработка технологических режимов изготовления корпусов оптических приборов, работающих в разных климатических условиях с проверкой заданных свойств полимерного материала методом математического моделирования с целью создания корпусов для оптических приборов (светофоров) из конструкционного полимерного материала взамен чугунных и силуминовых, для облегчения веса светофора, обеспечения стойкости к удару, стойкости к температурам, воде и маслу, абразивостойкости и герметичности таких корпусов.

В новой парадигме моделирование полимерных композиционных материалов (далее ПКМ) невозможно осуществлять без понимания областей их применения и прогнозирования перспектив использования в конкретных компонентах, элементах, приборах или функциональных системах, и существует огромный потенциал в комплексном моделировании материалов и изделий в единой информационной среде, что позволит значительно сократить жизненный цикл разработки нового материала.

Одним из основных направлений исследований в области создания и применения новых ПКМ является разработка интегрированной распределенной среды, включающей комплексный набор инструментов, методов, технологий моделирования и управления свойствами материалов на всех этапах его разработки (от прототипа до промышленного внедрения) и на всех уровнях его изучения (от атомного и молекулярного до макро-уровня и функциональных систем и компонентов).

Ужесточение требований значительно увеличивает сроки испытаний и внедрения (годы), а в условиях быстро развивающегося рынка инновационных решений, новых конструкций и материалов приводит к их моральному устареванию еще на стадии испытаний. Прямой перенос европейских технических решений в наши эксплуатационные условия не всегда эффективен вследствие существенного влияния реальных климатических условий и условий эксплуатации.

Использование элементов Центра динамических испытаний транспортной отрасли для сокращения сроков внедрения технических изделий с заданными свойствами из полимерных композиционных материалов и конструкций в

Создание Национального центра динамических испытаний транспортной отрасли (ЦДИ) позволяет достичь следующих научных и технических результатов:

оценка динамических и прочностных характеристик конструкций, узлов, элементов, материалов дорожных покрытий автомобильных дорог, летных полос аэродромов, железнодорожного пути на основе статических, динамических, вибрационных, ударных и иных испытаний в различных климатических условиях; создание системы мониторинга и инструментального контроля при строительстве и эксплуатации железнодорожного пути, дорожного покрытия автомобильных дорог, летного поля, обеспечение безопасности; определение причин возникновения проблемных мест, разработка и проверка методов и технологий их устранения; определение взаимодействия движущихся объектов, грунта и сооружений; оценка вибрации, шума, аэродинамических нагрузок; развитие теоретических и фундаментальных исследований; проверка расчетных методов и широкое использование методов математического моделирования поведения железнодорожного пути, дорожного покрытия автомобильных дорог, летных полос аэродромов.

Данные крупномасштабного динамического стендового моделирования для дорожных покрытий автомобильных дорог, летных полос аэродромов, железнодорожных путей, конструкций и их элементов в условиях моделирования различных климатических зон, динамических эксплуатационных нагрузок в сочетании с имитацией высоких скоростей движения позволят использовать их для оценки применения в проектных решениях, производственных технологиях, строительстве, ремонте и обслуживании в зависимости от воспринимаемых динамических нагрузок.

В состав стенда включены:

§  комплексный стенд для испытаний средств железнодорожной автоматики и телемеханики, объектов электроснабжения массой до 0,6 т в экстремальных условиях, включающий климатическую камеру, оснащенную установкой трехосного вибрационного воздействия с частотой нагружения до 400 Гц и технические средства, позволяющие проводить испытания объектов в работающем состоянии. В климатической камере должно создаваться совместное действие различных факторов (температура, дождь, ультрафиолетовое излучение) и вибрационная нагрузка в условиях воздействия динамической пыли.

Исходя из вышеперечисленного, крайне важно заранее интегрировать системы моделирования и проектирования изделий, оснастки и пресс-форм с программным обеспечением, которое используется в ЦДИ.

Особое значение необходимо уделять организации информационного обеспечения с учетом использования распределенной среды и обеспечением удаленного доступа, а также необходимостью создания базы данных сложной структуры, содержащей сведения о материалах, изделиях, технологиях и интегрированной с системами моделирования. Выбор направлений исследований позволит определить совокупность программных решений, на основе которой будет построена интегрированная среда для решения задач по проектированию изделий из новых полимерных композиционных материалов с учетом анализа конструкций изделий и технологий изготовления.

Проведена работа по моделированию технологии изготовления различных изделий, моделирование поведения изделий и их элементов в реальных условиях эксплуатации на примере корпуса светофора, элементов и линз

Работа выполнена с использованием методов прямого и обратного реинжиниринга с применением программ SolidWorks, Moldex3D, Digimat и др.

Цель работы – проанализировать причины возникновения проблем при производстве и эксплуатации полимерных изделий и предложить технические и технологические решения по исправлению проблемных участков, возникших при управлении ЖЦ изделия.

Моделирование корпуса для карликового светофора из композиционных материалов.

По результатам моделирования материала PA66 стеклонаполненного в программе Digimat было установлено, что большое влияние на характеристики материала дает размер и ориентация включений (рис. 1):

Рисунок 1. Задание параметров включений (массовое содержание =25%, соотношение длины волокна к его ширине = 26, ориентирование преимущественно по оси Х).

Влияние заданных нами параметров стекловолокна оценивалось по наклону графика зависимости напряжение-деформация (рис.2):

Рисунок 2. Графики зависимостей деформация-напряжение для смоделированного материала с ориентацией волокон 900 относительно оси 3 (Z) (зеленая линия), материала полученного по паспортным данным (красная линия), и материала с равномерным распределением волокон с небольшим преимуществом ориентации по оси Х (синяя линия).

Поэтому в процессе изготовления изделий, конструирования пресс-форм, подбора технологических параметров литья необходимо учитывать возможную ориентацию волокон, тем самым предугадывая места с большим внутренним напряжением, короблением. Также в работе рассматривались методы введения наполнителей в полимерную композицию. Как предполагалось ранее введение в полимерную композицию стекла на экструдере является технологически сложным, так как при этом трудно гарантировать равномерное распределение наполнителя в полимерной матрице, а значит и физико-механические характеристики материала значительно при этом ухудшаются. В случае изменения композиции или ее доработки необходимо обратиться на предприятия-изготовители данного сырья, с просьбой создания опытной партии материала с требуемыми характеристиками.

При моделировании проливаемости козырька светофора из PA66, по выбранному оптимальному режиму для данного материала, который предлагает программа Moldex3D, на «ушках» изделия наблюдается сильное коробление, что указывает на влияние ориентации наполнителя в процессе литья (рис. 3).

Рисунок 3 Пролитое изделие козырек из PA66 в Moldex3D

Большое коробление изделий не желательно, так как оно снижает точность изготовляемых изделий, что влечет за собой некомплектовку изделий. Коробление изделий можно снизить подбором технологических параметров процесса литья под давлением (давление выдержки, температура формы, охлаждение, давление, скорость впрыска, и т. д.), влияние изменения характеристик изготовления изделия на его коробление можно оценить в программе Moldex3D. Если коробление изделия и в процессе моделирования процесса и на практическом опыте получения отливок изделия не удовлетворяет желаемым результатом, то техническим решением данной проблемы является использование оправок.

Для конечной оценки правильного выбора материала, конструкции изделий, проектируемой пресс-формы, технологических параметров изготовления изделий необходимо проведение компьютерного инженерного анализа проектируемых изделий методом конечных элементов.

Инженерный анализ имеет целью наиболее эффективным способом без затрат на натурные эксперименты повысить эффективность изделий и технологии. Для чего проведена работа по составлению ТЗ на моделирование воздействий на установленный светофор для программы Samcef.

Выполнение НИОКР «Методика расчета и разработка дополнительной линзы светофора».

Специалистами НИУ ИТМО и Российско-корейского центра проектирования и оптических систем был проанализирован мировой опыт применения линзовых светофоров (англ. colorlight signal).

Они имеют для каждого отдельного сигнального огня отдельный комплект, состоящий из патрона с лампой (и часто — системы для настройки фокусировки при установке), и линзового комплекта, состоящего из нескольких линз (обычно ступенчатых и выпуклых для возможно лучшего использования светового потока) и светофильтров соответствующего цвета. В России линзовый комплект состоит из внутренней ступенчатой цветной линзы-светофильтра и наружной бесцветной ступенчатой линзы. Основные недостатки такого устройства — относительно низкая экономичность (мощность лампы накаливания обычно составляет 25 Вт, также встречаются лампы мощностью 15 и 35 Вт) из-за плохого использования светового потока (всего 25-30 %), а также возможность смешения показаний при попадании солнечных лучей в линзовые комплекты (из-за этого невозможно применять зеркала, которые сильно улучшили бы использование светового потока).

Моделирование линз для светофоров.

Для выбора оптимального оптического материала проводился аналитический обзор. В работе были рассмотрены материалы, которые подходят для изготовления оптических изделий.

К прозрачным полимерным материалам относятся:

§  полиметилметакрилат (ПММА);

§  полистирол (ПС);

§  сополимер акрилонитрила (САН);

§  поликарбонат (ПК) и т. п.

По светопропусканию ПММА превосходит ПК, но он имеет ряд недостатков, во-первых, у него высокое водопоглощение по сравнению с ПК, а, значит, при использовании во влажной среде этот материал значительный промежуток времени будет иметь более высокую способность к деформации, чем остальные пластики, и, во-вторых, по ударной прочности значительно уступает ПК. Поэтому необходимо рассмотреть различные марки ПММА с повышенной ударной прочностью. Необходимо иметь постоянно обновляемую базу данных по материалам, чтобы отслеживать материалы с повышенными характеристиками.

При этом необходимо отметить, что при увеличении толщины изделия уменьшается коэффициент светопропускания (например листы из ПК - табл.1), что тоже необходимо учитывать при проектировании оптического изделия.

Таблица 1 Зависимость светопропускания от толщины листа для ПК

Толщина листа (мм)	Светопропускание
Прозрачный	Молочный	Дымчатый
4,0 6,0 8,0 10,0 16,0 20,0	85% 83% 82% 81% 78% 74%	73% 64% 63% 62% 57% 54%	52% 45% 42% 32% 32% 30%

Для расчета и разработки неизображающих оптических систем, в конкретном случае для оценки силы света спроектированных оптических систем из полимерных материалов, используются программа Zemax, Code V.

Рисунок 8- Интерференционная картина, полученная

при проливании изделия в Moldex3D Рисунок 9 - Схема оптическая рассеяния света от комплекта

В ходе работы были спроектированы и рассчитаны профили рассеивателя с разными значениями силы света под различными углами. Анализ данных, полученных в Moldex3D Optics, в программе Code V показал, что интерференционная картина не влияет на силу света в изделиях неизображающей оптике.

Таким образом, компьютерное моделирование - процесс конструирования модели реального объекта (системы) и постановки вычислительных экспериментов на этой модели с целью либо понять (исследовать) поведение этой системы, либо оценить различные стратегии (алгоритмы), обеспечивающие функционирование данной системы. Таким образом, процесс компьютерного моделирования включает и конструирование модели, и ее применение для решения поставленной задачи: анализа, исследования, оптимизации или синтеза (проектирования) технологических процессов и оборудования.

С помощью модели можно сравнивать альтернативные варианты построенных изделий с измененными параметрами. Модель также позволяет дать количественный прогноз актуального поведения материала под нагрузкой. Моделирование в целом позволяет обоснованно принимать решения по конструктивным особенностям изделий, материалам из которых они изготовлены.

В совокупности программы SolidWorks, Digimat, Moldex3D Optics, Zemax, Code V позволяют создать оптимальную конструкцию светофора, спроектировать оснастку и произвести корпусные детали и оптические изделия с оптимальным световым потоком, провести инженерный анализ в программе Samcef.

Основные конструктивные, технологические и технико-эксплуатационные характеристики.

Основные эксплуатационные показатели корпусов карликовых светофоров из негорючего полимерного конструкционного материала:

Состав изделия и требования к конструкции.

Полимерные корпуса для карликовых светофоров должны комплектоваться следующими деталями:

необходимое для данного типа карликового светофора число секций; колпаком для каждой секции; козырек для каждой секции;

Конструкция корпусов карликовых светофоров должна быть максимально унифицирована и рассчитана одновременно для использования, как с линзовыми, так и светодиодными светооптическими системами.

Конструкция корпусов карликовых светофоров из полимерных конструкционных материалов должна обеспечить их установку в соответствии с ГОСТ 9238-83 «Габариты приближения строений и подвижного состава железных дорог колеи 1мм» по габариту С должна составлять:

для одноголовочных в междупутье – 4200 мм; для двухголовочных в междупутье – 4460 мм; для одноголовочных с квадратным щитом в междупутье – 4490 мм.

Степень защиты от внешних воздействий для корпусов карликовых светофоров из полимерных конструкционных материалов должна – IP 54.

Электрическая изоляция между токоведущими частями светофора и стенками корпуса из полимерного конструкционного материала должна выдерживать без пробоя (и явлений разрядного характера) от источника мощностью не менее 0,5 кВА испытательное напряжение переменного тока 50 Гц в течении 1 мин:

в нормальных климатических условиях (по ГОСТ ) – 1,5 кВ; при воздействии верхнего значения величины влажности воздуха – 100%, температура окружающей среды (25+10) оС – 0,9 кВ.

В случае применения защитных лакокрасочных покрытий полимерного корпуса должны соответствовать условиям эксплуатации по группе УХЛ 4 (8) (по ГОСТ 9.104-79), а по внешнему виду поверхности отвечать требованиям класса VII (по ГОСТ 9.032-74).

Лакокрасочные, (как наружные, так и внутренние) покрытия и предупреждающая окраска корпусов карликовых светофоров по ТБ и ОТ должны выполняться предприятием – изготовителем, на срок эксплуатации светофора - не менее 10 лет.

Качество покрытий не должно способствовать загрязнению наружных поверхностей корпуса светофоров, внутреннее покрытие (или конструкционный материал корпуса карликового светофора) не должны способствовать появлению капель конденсата.

Корпуса карликовых светофоров должны быть малообслуживаемыми, унифицированными, защищенными от несанкционированного проникновения внутрь и наружных механических повреждений посторонними предметами. Их конструкция должна обеспечивать удобство и оперативность проверки работоспособности, замены деталей и узлов.

Конструкция замков корпуса карликовых светофоров из полимерного конструкционного материала должна обеспечивать возможность их вскрытия только специальными ключами обслуживающим персоналом.

Основные параметры.

Светодиодная светооптическая система должна крепиться в корпусе карликовых светофоров на три шпильки М6, а линзовая на две шпильки М6.

Длина козырьков для головок карликовых светофоров должна быть равна 300+5 мм.

Конструкция двухзначной и трехзначной светофорных головок должна обеспечивать взаимную параллельность оптических осей светооптической системы светофора с погрешностью не более 20 угл. мин.

Поверхности для установки светооптической системы на двух - и трехзначных головках карликовых светофоров должны иметь допуск по параллельности плоскостей между собой не более, чем 0,7 мм (на диаметре 256мм).

Корпус карликового светофора из полимерного конструкционного материала, предназначенный для работы в условиях умеренного и холодного климата УХЛ - имеет категорию исполнения 1 (по ГОСТ ) и должен иметь диапазон рабочих температур от -60 до +55 оС, а для работы в условиях умеренного климата (У) – той же категории исполнения 1 (по ГОСТ ) должен иметь диапазон рабочих температур от -45 до +55 оС. Корпуса карликового светофора и комплектующие их изделия должны обладать:

устойчивостью к изменению температур от -60 до +65 оС при исполнении УХЛ 1, или от -50 до +60 оС при исполнении У1 и УХЛ 1; устойчивостью к воздействию инея и росы; устойчивостью к воздействию дождя; устойчивостью к воздействию абразивной пыли; устойчивостью к воздействию солнечного излучения;

Корпус карликового светофора с комплектующими их изделиями должен выдерживать следующие механические нагрузки:

виброустойчивость при вибрационных нагрузках в диапазоне частот от 1 до 100 Гц и амплитуде ускорения 10 м/с2 (1g); удароустойчивость при воздействии многократных ударов с максимальным ускорением 30 м/с2 и длительностью импульсов в диапазоне от 5 до 40 мс; прочности после транспортировки автомобильным или железнодорожным транспортом при жестких условиях «Ж» (по ГОСТ ).

При испытаниях корпусов карликового светофора, как особо ответственных изделий (согласно ОСТ 32.) механические нагрузки при испытаниях должны быть удвоены.

Попадание на корпус карликового светофора лучей от посторонних источников света (солнечные лучи, лучи от локомотивных прожекторов и т. д.), как на переднюю плоскость, так и на заднюю (светофорную головку) не должны вызывать отсвет, который бы можно было принять за сигнал.

Корпус карликового светофора не должен излучать свет от установленной в нем светооптической системы в обратном направлении.

В соответствии с ОСТ 32. светофоры, а так же комплектующие их изделия должны относиться к классу безотказности НЗ.

Корпус карликового светофора в соответствии с требованиями ГОСТ 27.003-90 должен иметь следующие показатели надежности:

- средняя наработка светофора на отказ из-за неисправности корпуса не должна быть менее 50000 часов;

- средний срок службы до списания светофора из-за изношенности корпуса не должен быть менее 20 лет;

- критерием неисправности корпуса может служить повреждение узлов крепления узлов и деталей, появление трещин, изменение геометрических размеров в процессе эксплуатации.

Корпуса карликовых светофоров должны быть пожаробезопасными по ГОСТ 12.1.004-91, а конструкционные материалы, из которых изготовлены все детали корпуса должны быть трудногорючими по ГОСТ 12.1.044-89.

Конструкция корпуса карликового светофора должна обеспечивать его обслуживание в соответствии с ГОСТ 12.2.007.0-75 и ПОТ РО-13153-ЦШ-877-02 «Отраслевые правила по охране труда при техническом обслуживании и ремонте устройств СЦБ на Федеральном железнодорожном транспорте».

Конструкция корпуса карликового светофора должна иметь удобный доступ для проведения монтажных, регулировочных работ, обслуживания и осмотра в условиях эксплуатации.

По способу защиты человека от поражения электрическим током корпуса карликовых светофоров должны относиться к классу «0» по ГОСТ 12.2.007.0.

Корпуса карликовых светофоров не должны содержать вредных для здоровья примесей и исключать вредное воздействие на обслуживающий персонал и на окружающую среду.

Поскольку разрабатываемые полимерные корпуса карликовых светофоров являются только элементом карликового светофора, то суммарный экономический эффект будет достигаться в целом как от использования новых корпусов, так и применяемой светодиодной оптической системы.

Разработанные в последние годы мощные полупроводниковые источники света на светодиодах, имеющие по сравнению с лампами накаливания более высокую светоотдачу, высокую надежность, длительный ресурс работы позволяют создать на их базе конструкцию железнодорожного светофора.

Параметры светодиодных головок переездных светофоров разработки Транс-Сигнал, УОМЗ, РоСАТ значительно превышают параметры ламповых линзовых комплектов и это предпосылка возможности создания высокоэффективных железнодорожных светофоров.

Срок службы светофоров составит 20 лет, а средняя наработка на отказ 50000 часов. Светооптические параметры светодиодных светооптических систем значительно выше ламповых линзовых комплектов, что значительно увеличивает дальность видимости светофоров. Светодиодные светооптические системы должны иметь высокопрочную полимерную систему линз, исключающую ее повреждение от вандализма.

Степень внедрения: спроектирован и произведен комплект пресс-форм для корпуса светофора, создан прототип и опытный образец изделия для . Выпущена опытная партия, проведены испытания в соответствии с требованиям .

Спроектирован и произведен комплект пресс-форм для корпусных деталей светофора, выпущена опытная партия для компании РоСАТ г. Армавир.

Спроектирован и произведен комплект пресс-форм для линз светофора, выпущена опытная партия для компании РоСАТ г. Армавир.

Выполняются подготовительные работы в соответствии с методикой расчета линз для проектирования и изготовления линз РКС для магистральных светофоров для НПО «Российские системы автоматики и телемеханики».

Для запуска серийного производства корпусов в рамках Центра оптических технологий и точного литья приобретен и запущен в августе 2012г. новейший термопластавтомат Engel Duo900 с выдвижной колонной, позволяющий осуществлять высокоточное литье крупногабаритных изделий – уникальная компетенция для Северо-Западного региона.

Дооснащение Центра оптических технологий и точного литья в гг. для производства линз с заданными свойствами:

Чистая комната; ТПА Engel e-victory 120 + робот; ТПА Engel e-victory 200 + робот.

Измерительное и лабораторное оборудование:

Современные программные комплексы; Комплекс технических средств.

Монтаж карликового светофора в локомотивном депо ТЧ-8:

Область применения: транспортная отрасль, судостроение, авиакосмическая отрасль, ВПК, приборостроение, ЖКХ.

Прогнозные предположения о развитии объекта исследования: по итогам внедрения «карликового» светофора планируется создание опытной партии «мачтового» светофора в соответствии с п. 25а Перечня научных исследований и опытно-конструкторских разработок, утвержденного постановлением правительства РФ от 24.г. № 000.

Запуск серийного производства «карликового» светофора в гг.

Данные научных работ будут востребованы при разработке и выпуска опытной партии «мачтовых» светофоров для ВСМ.

Расчет экономической эффективности: планируемая базовая цена светофора с трехзначной головкой со светооптическими системами при серийном производстве составит 145 000 рублей. Срок окупаемости светофора составит 13 лет.

При использовании ламповой системы экономический эффект будет достигаться также за счет снижения затрат на обслуживание - увеличение межремонтного периода и времени обслуживания светофора.

При внедрении светофора в негорючем полимерном корпусе со светооптическими системами (ССС) экономический эффект достигается снижением затрат от реализации мероприятий по обслуживанию светофора.

Затраты по обслуживанию светофора суммируются из:

Зто– Затраты на обслуживание согласно Отраслевым нормам времени на техническое обслуживание устройств сигнализации, централизации и блокировки;

Змат. – Затраты на материалы; Зтранс. – Затраты на транспорт;

Ззам. – Затраты на ежегодную замену 5% линзовых комплектов для базового варианта светофора; Зэл – Затраты на электроэнергию.

Затраты при базовом варианте светофора:

Збаз= Зэл.+Зто+Змат.+Зтранс.+Ззам=247,03+1597,68+1096,4+293,83+=3 234,94 руб.

Затраты при новом светофоре в полимерном корпусе с ССС:

Знов= Зэл. + Зто + Змат. + Зтранс.= 115,28+265,68+1400,0+110,88= 1891,84 руб.

Экономия выражается разницей между затратами на базовый и новый светофор:

Э=Збаз-Знов=3234,94–1891,84=1343,1руб.

(Экономия средств на первый год обслуживания).

НИОКРы:

Модернизация стрелочного перевода проекта 2956 путем выпуска армированных резинотехнических изделий и разработки системы крепления (включая полимерные покрытия); разработка прокладок-амортизаторов рельсовых скреплений КБ и АРС, виброгасящих панелей и вкладышей в шейку рельса с повышенной эффективностью шумо - и виброизоляции на скоростном и грузонапряженном участках пути; Анализ полученных предварительных эксплуатационных и стендовых данных для составления технического задания по созданию модели поведения различных конструкций пути: «прямой» участок пути, «кривые различного радиуса» участка пути, стрелочный перевод, с целью комплексного проектирования различных эффективных шумо – виброгасящих элементов конструкций, необходимых для данных участков пути, и построение компьютерной модели проектирования комплекса необходимых изделий с заданными свойствами Применение полиоксиметилена, полиэфирсульфона и др. конструкционных материалов для изделий, имеющих сложную форму и работающих в трибологических парах полимер-металл: планка контактная, накладка упругая, вставка (накладка) скользуна, втулка тормозной рычажной передачи грузовых вагонов и т. д. Разработка новой конструкции рельсового электроизолирующего соединения с применением стыковых накладок из композиционного материала с внутренним сердечником из пластин трансформаторного железа

Описание работ: эффективно функционирующая транспортная инфраструктура является одним из важнейших условий развития СПб. Строительство и введение в строй скоростного железнодорожного сообщения между Санкт-Петербургом, Москвой и Хельсинки является примером по решению проблемы развития быстрого транспортного сообщения.

Вместе с тем, главнейшим условием использования транспортного сообщения является ее безопасность. В случае рассмотрения железнодорожного сообщения, возникает необходимость в организации и реализации следующих действий:

§  постоянного мониторинга за состоянием железнодорожного пути и вагонного состава;

§  замене пришедших в негодность конструкций, узлов и элементов;

§  создание научно-технологической и производственной базы, обеспечивающей разработку и создание нового поколения конструкций, узлов и материалов, являющихся более устойчивыми к действию эксплуатационных нагрузок и климатических условий, присущих различным регионам России и других стран, и, в то же самое время, более дешевыми.

При выполнении настоящих работ обоснование выбора типа термопластичного материала проводилось: как на примере некоторых деталей, работающих во фрикционной системе вагонов; так и по условиям нагрузок на эти детали; климатическим условиям в которых они эксплуатируются; и на том факте, что они работают в трибологических парах металл-полимер или чугун (можно отнести к деталям, работающим в тяжелых условиях эксплуатации), а также на основании анализа современного ассортимента конструкционных полимерных материалов.

В данных работах на основе разработанной математической модели поведения балластной призмы, позволившей спрогнозировать ее поведение при изменениях нагрузки и скорости движения, были приняты технические решения, которые могут обеспечивать стабильность пути в изменяющихся условиях.

Результаты выполненных работ показали необходимость разработки диагностического комплекса для определения требуемых характеристик изделий для защиты от шума и вибрации на участках железнодорожного пути с последующим техническим и технологическим обеспечением их производства.

Данный проект – многоцелевой: включает в себя разработку диагностического комплекса оборудования для снятия и обработки характеристик шума и вибрации различных участков железнодорожного пути, включающий в себя прямые участки, кривые различного радиуса, различные типы стрелочных переводов и т. д. Полученную информацию предполагается использоваться для последующего расчета и моделирования вариантов поведения пути с элементами системы шумо-виброзащиты, а также для моделирования и проектирования изделий с заданными свойствами для сложных участков пути.

Для этой цели предполагается спроектировать и создать совместно с ПГУПСом соответствующий центр моделирования и прототипирования (на базе уже имеющегося стендов и оборудования для прототипирования), оснащенный необходимым комплексом программного обеспечения и оборудования для разработки и построения 3D моделей и прототипов изделий, требуемых для этих участков пути, технических средств и элементов изделий системы шумо-виброзащиты, что и будет являться основой для разработки необходимой технической документации и изготовления опытных партий.

В первую очередь это востребовано при производстве изделий для снижения вибродинамического воздействия при высокоскоростном и грузонапряженном движении – создание заданного модуля упругости пути за счет применения полимерных прокладок амортизаторов рельсовых скреплений, амортизаторов под шпалы и брусья, специальных шумогасящих вкладышей в шейку рельса. В настоящее время для этой цели используется набор типовых изделий, однако для оборудования сложных участков пути требуется поставка индивидуальных изделий, разработанных с применением математической модели, построением прототипов изделий, основанных на результатах стендовых и полевых испытаний.

Для моделирования необходимо и получение данных полевых испытаний с применением современных измерительных комплексов, позволяющих снять все эксплуатационные нагрузки в разных климатических условиях, воспринимаемых различными элементами пути, которые и позволят в дальнейшем создать математическую модель пути и определить влияние устанавливаемых изделий на изменение модуля упругости пути, так как данные моделирования должны быть верифицированы с данными стендовых и полевых испытаний и только в этом случае можно утверждать, что разрабатываемые и предлагаемые новые инновационные изделия будут иметь увеличенный ресурс работы.

Необходимо провести анализ условий эксплуатации, разработку и модернизацию конструкции верхнего строения пути, а также элементов придорожного базирования (щиты, стрелки, мачты и др.) по требованиям усталостной долговечности.

Результаты работы и их новизна: выбор полимерного материала для изделий, работающих в трибологических парах, разработка конструкторской документации на вставок в основной блок пресс-формы для изделий, работающих в паре полимер-металл и имеющих сложную форму, проведение испытаний изделий.

Разработка полимерных деталей, работающих во фрикционных системах на примере деталей тележек грузовых вагонов.

Разработка технологического процесса изготовления деталей полимерных с магнитопроводящими и электроизолирующими свойствами из композиций на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена.

Разработка технологического регламента на изготовление изделия «торцевой изолятор» из полиоксиметилена (ПОМ).

Разработка технологического регламента производства толстостенного изделия специального назначения с магнитошунтирующими свойствами.

Разработка технологического регламента на изготовление изделия «Прокладка стыковая» из СВМПЭ с закладным элементом.

В результате проведенных лабораторных, стендовых и натурных испытаний гарантийный срок эксплуатации фрикционных изделий составил более 500 000 км пробега, что в 1,5 раза превышает срок эксплуатации существующих изделий.

Так как жесткостные характеристики всех элементов пути являются наиболее значимыми, то при моделировании изделий основное внимание должно быть сосредоточено на создании требуемой жесткости изделий за счет геометрической формы, материала и возможного его армирования. Проведенная работа, по определению эффективности снижения вибродинамического воздействия, передаваемого балласту, показала, что только сочетание оптимальной жесткости прокладки амортизатора рельсового крепления и жесткости амортизатора под шпалу или брус могут погасить до 50% этого воздействия на разных участках пути.

Экспериментальным путем подобрана и выбрана определенная геометрия прокладок амортизаторов, и амортизаторов под шпалу и брус, разработана рецептура материала с высокими характеристиками масло, влаго и морозостойкости (до -60°С), отработаны условия армирования материала для создания заданной жесткости изделия.

Комбинация этих трех параметров и позволяет создать заданную жесткость упругих элементов для конкретных участков пути с целью снижения передачи нагрузки на подшпальное основание, обеспечить равножесткость пути и более эффективно использовать их для оснащения сложных участков пути и позволяет обеспечить заданный срок службы в 1 млрд. тонн брутто пропущенных грузов.

Цель работы: проект нацелен на разработку технологий и формирование условий по организации и проведению динамических испытаний как типовых конструкций и узлов, так и перспективных, в том числе и разработанных из различных конструкционных полимерных материалов. Технологический процесс испытаний будет включать следующие действия:

§  компьютерное моделирование (на основе математических динамических моделей и симуляционных расчетов) поведения конструкции и узлов в условиях жестких эксплуатационных нагрузок и климатических условий;

§  реальные динамические испытания данных конструкции, узлов и материалов на специальных стендах при создании адаптированных условий эксплуатации.

В рамках настоящего проекта предполагается:

§  разработать математические динамические модели, позволяющие проводить компьютерное моделирование динамического поведения типовых и новых конструкций и узлов, в том числе и созданных из различного рода конструкционных полимерных материалов, при различных эксплуатационных нагрузках и климатических условиях;

§  создать программную платформу, обеспечивающую проведение указанного выше моделирования;

§  формирование виртуального распределенного центра динамических испытаний с использованием уже имеющейся научной и производственной инфраструктуры партнеров проекта.

Комбинация компьютерного моделирования и производственных динамических испытаний призваны сократить расходы и время, как на эксплуатационное обслуживание типовых конструкций, так разработку и внедрение перспективных конструкций и узлов с необходимыми заданными свойствами. На первых стадиях работ проведено предварительное компьютерное моделирование динамического поведения конструкций и узлов при различных эксплуатационных условиях, нагрузках и скоростях движения и сформулированы технические требования по созданию реальных условий динамических испытаний конструкций балластной призмы при различных типах грунтов, слоев балластной призмы, нагрузках на ось, скоростях движения. На втором этапе работ, проведены реальные испытания типовых и новых конструкций и узлов для окончательной верификации их пригодности к условиям эксплуатации.

Метод или методология проведения работы: в рамках произведенных работ решен комплекс задач по организации и проведению динамических испытаний конструкций и узлов, обеспеченных соответствующими мероприятиями различного характера, в частности:

§  разработка прототипа математического аппарата и динамических моделей для симуляционных расчетов поведения конструкции железнодорожного пути и узлов при эксплуатационных нагрузках и различных климатических условиях;

§  адаптирование существующих программных средств для проведения компьютерного моделирования;

§  формирование единой информационной среды, программную платформу и требований для верификации проводимых симуляционных, стендовых динамических и реальных испытаний в условиях эксплуатации;

§  разработка технических требований к проведению динамических испытаний различных типов конструкций железнодорожного пути в условиях адаптированных к условиям эксплуатации.

Очевидно, что комбинация компьютерного моделирования с последующим динамическим испытанием конструкций и узлов пути позволит:

§  существенным образом минимизировать ресурсные и временные затраты на проведение испытаний отечественных и зарубежных разработок, проверку и обоснования проектных решений;

§  прогнозировать сроки эксплуатации с обеспечением надежности и безопасности;

§  развивать теоретические основы использования новых конструкционных материалов для нужд транспортной отрасли.

Хорошие ходовые характеристики автомобилей и вагонов важны, поскольку плавность хода приобретает решающее значение при перевозке чувствительных к повреждениям грузов.

Для этого требуется постоянное усовершенствование системы рессорного подвешивания, применение в них новых, современных конструкционных материалов с улученными триботехническими характеристиками для деталей, работающих в трибологических парах, таких как фрикционные клинья, вставки, фрикционные планки, втулки, амортизаторы, обеспечивающие хорошие динамические характеристики, плавность хода и устойчивость при поворотах вагона или автомобиля в кривых.

При этом проблема улучшения ходовых характеристик системы рессорного подвешивания остается решенной не полностью.

При разработке технических решений, направленных на использование новых полимерных материалов при производстве деталей, работающих во фрикционной системе, необходимо обязательно учитывать как пару трения (полимер-металл), нагрузки на деталь, так и прочностные характеристики самого полимерного материала.

При разработке технических решений, направленных на использование новых полимерных материалов при производстве деталей, работающих в тяжелых условиях эксплуатации, например в машиностроении, или других специализированных отраслях необходимо при замене на новый материал учитывать весь комплекс прочностных, электрических и теплофизических характеристик материалов.

Результаты данных работ и исследований будут использоваться при формировании распределенного Центра динамических испытаний с использованием уже имеющейся научной и производственной инфраструктуры, включая:

§  полномасштабный комплексный стенд для исследования поведения различных конструкций пути под действием поездной нагрузки и различных климатических факторов;

§  специализированные трибологические и вибрационные стенды для оценки прочностных, триботехнических, усталостных и других характеристик материалов;

§  оборудование по исследованию микроструктуры материалов, химического состава и других свойств на основе применения современных стандартизованных средств исследований;

§  стендовое оборудование для испытаний изделий из полимерных и других материалов в натуральную величину, представляющее собой климатическую камеру, совмещенную с силовыми гидроцилиндрами, для реализации различных условий нагружения, включая возможность проверки воздействия ультрафиолетового излучения;

§  стендовые установки и оборудование для дефектоскопии узлов и агрегатов в процессе работы при испытаниях, включающие комплекс нагружающих устройств и различных средств дефектоскопии;

комплекс стендов и установок для исследования и оценки характеристик поведения различных типов грунтов и сыпучих материалов (щебень, щебеночно-песчано-гравийная смесь) в условиях динамического и статического нагружения (прочностные и деформационные характеристики в динамическом режиме нагружения, модули упругости, коэффициент демпфирования и др.).

Моделирование фрикционных деталей.

По результатам научных работ выявилась необходимость создания лаборатории математического моделирования, включающей комплекс оборудования и программное обеспечение, позволяющее проводить:

§  разработку и анализ математических моделей деформирования железнодорожного полотна при высокоскоростном и тяжеловесном движении (не только конечно-элементных, но и аналитических) с целью исследования действия движущейся нагрузки с учетом волновых процессов в системе рельсошпальная решетка – балластная призма – подбалластный защитный слой - земляное полотно при разных параметрах как нагружения, так и испытываемых конструкций пути;

§  разработку и анализ математических моделей оценки деградационных характеристик конструкции пути в ходе эксплуатации;

§  обработку результатов экспериментальных исследований и выявление основных параметров, определяющих поведение конструкции пути;

§  верификацию разработанных математических моделей на основе экспериментальных данных;

§  математическое планирование экспериментальных исследований и разработку новых методик экспериментальных исследований;

§  математическую обработку результатов мониторинга находящихся в эксплуатации конструкций, объектов инфраструктуры и на основе математического моделирования осуществлять прогнозирование их поведения и выдачу рекомендаций соответствующим службам по эффективности ведения эксплуатации пути;

§  разработку методов и программного обеспечения обработки результатов экспериментальных измерений и мониторинга c применением современных математических технологий;

§  построение математических моделей напряженно-деформированного состояния железнодорожного пути, учитывающих гранулометрический состав балласта с целью выбора оптимального состава и строения для заданного типа грунтов;

§  разработку математической и физико-механической основы для разработки и корректировки современной нормативной базы, которая будет использоваться при проектировании и эксплуатации.

Исходя из вышесказанного, в данных научных работах были применены с использованием методов прямого и обратного реинжиниринга CAD/CAE/CAM системы (SolidWorks, Moldex3D и Digimat). Цель работы – проанализировать причины возникновения проблем при производстве и эксплуатации полимерных изделий и предложить технические и технологические решения по исправлению проблемных участков, возникших при управлении жизненного цикла изделия.

Рассматривая материалы, используемые для изготовления накладки упругой, которые были поставлены на пробеговые испытания (PESU и POM), были построены упругие модели в программе Digimat для их сравнения (рис. 1). В результате сравнения по углу наклона прямых можно было отметить, что PESU является более жестким материалом, следовательно, при больших нагрузках на нем будут образовываться трещины.

Рисунок 1. Графики зависимостей деформация-напряжение для смоделированного материала POM (красная линия) и PESU (зеленая линия).

Зафиксировано, что PESU при пробеговых испытаниях не отводит тепло, что визуально отражалось в появлении локальных вздутий, т. е происходила термодеструкция материала, что отрицательно сказывалось на его физико-механических характеристиках. При этом изделия из данного материала были сняты с испытаний после пробега 50,207 км. (имели трещины, сколы материала, излом установочных штырей).

Материал POM наоборот имеет положительные результаты пробеговых испытаний, даже не смотря на то, что изделия были изготовлены с большой усадкой, а значит с отклонением до 5% от посадочных размеров (это показывает и пролитая модель в Moldex3D – рис.2), , при испытаниях материал испытывал дополнительно к эксплуатационным нагрузкам внутренние нагрузки в посадочных местах, следовательно, данный материал может выдерживать и большие нагрузки.

Рисунок 2. Пролитое изделие накладка упругая из POM в программе Moldex3D.

Были рассмотрены материалы, подобранные для изготовления изделий: планки контактной, вставки, втулок. Материалы были смоделированы в программе Digimat. Полученные данные нельзя считать достаточными для выбора материалов и сравнения их между собой - требуется дополнительная аналитическая работа.

Касательно данных изделий необходим дальнейший инженерный анализ для изучения воздействия всех факторов, которые влияют на изделие, при пробеговых испытаниях. Для чего проводится работа по составлению ТЗ на моделирование воздействий на изделия, установленные во фрикционных узлах тележки грузового вагона, для программы Samcef.

Основные конструктивные, технологические и технико-эксплуатационные характеристики.

Разработаны следующие изделия из новых конструкционных материалов:

- планка контактная:

- место установки: фрикционный узел между клином гасителя колебаний и рамой.

- предельные кратковременные температуры от -70°С до +105°С (не более одного часа);

- рабочие температуры эксплуатации аналогично условиям, изложенным в пункте 2.1 : от -60°С до +90°С;

- предельные эксплуатационные нагрузки, которые испытывает данная деталь: нормальное усилие при движении вверх = 55кН, при движении вниз = 33,3кН, что в пересчете на площадь составляет при движении вверх 0,92 МПа, а при движении вниз 0,56МПа.

- накладка упругая:

место установки: в узлах трения тележек грузовых полувагонов между наклонной плоскостью фрикционного клина тележки и наклонной плоскостью надрессорной балки (кармана) (на наклонную поверхность фрикционного клина тележки).

Накладка служит гасителем высокочастотных колебаний и предназначена для предотвращения износа трущихся поверхностей клина гасителя колебаний и надрессорной балки (кармана).

- вставка (накладка скользуна)

место установки: опорная поверхность скользуна на рамах тележек грузовых полувагонов.

Вставка предназначена для равномерного распределения нагрузок в узле, в частности при прохождении по кривым траекториям пути и при торможении.

- втулки тормозной рычажной передачи грузовых вагонов

место установки: подвеска башмака, распорка триангеля, вертикальный рычаг, затяжка вертикальных рычагов.

Гарантийный срок эксплуатации всех изделий составляет не менее 500 тыс. км пробега.

Амортизаторы под подошву брусьев скоростного стрелочного перевода.

Использование амортизаторов под железобетонными брусьями/шпалами позволяет:

ослабить вибродинамическое воздействие, которое влияет на состояние балласта; за счет возможности создания заданной жесткости амортизатора обеспечить равномерную упругость пути по всей длине стрелочного перевода; обеспечить более плотное прилегание материалов неоднородного основания по всей плоскости амортизатора, что позволяет не подвергать интенсивному истиранию и дроблению частицы материалов основания, как в случае их контакта непосредственно с нижней постелью железобетонной шпалы при железнодорожном и трамвайном движении, кроме того наличие таких резиновых подшпальных амортизаторов увеличивает сопротивление сдвигу шпал поперек пути; снизить износ элементов стрелочного перевода.

Амортизатор выполняется из эластичного элемента, который крепится на нижней поверхности шпалы и состоит из 2–х монолитных и 1-го пористого слоев.

Размеры подшпального амортизатора выбраны таким образом, чтобы при подбивке балластного слоя он не подвергался механическим повреждениям от действия путевой техники.

Таким образом, использование вкладышей, устанавливаемых в рельс – мера, которая не может дать кардинального снижения шума, но вместе с другими мерами (например, установкой АЭ) может дать заметное (до 3-5 дБ) снижение шума подвижного состава железнодорожного транспорта в окружающую среду.

Схема укладки амортизаторов стрелочного перевода с левым съездом

В настоящее время Завод «КП» по результатам выполненных ОКРов приступил к серийному выпуску амортизаторов под подошву брусьев стрелочных переводов для скоростного движения.

Развитие проекта - создание соответствующего центра моделирования и прототипирования (на базе уже имеющегося стендов и оборудования для прототипирования), оснащенного необходимым комплексом программного обеспечения и оборудования для разработки и построения 3D моделей и прототипов изделий, требуемых для этих участков пути, технических средств и элементов изделий системы шумо-виброзащиты, являющегося основой для разработки необходимой технической документации и изготовления резинотехнических изделий с заданными свойствами для стрелочных переводов для ВСМ.

Вкладыш в шейку рельса.

Звукоизоляционные материалы служат для уменьшения акустических шумов, характерных в поездах, автомобилях, помещениях и прочих объектах, где расположены двигатели, генераторы и другие устройства, являющиеся источниками шума. Упрощенное представление акустического шума представляет собой колебания воздуха, для гашения которых используются специальные материалы и конструкции, а методы звукоизоляции определяют поставленные задачи - звукоизоляция внутри или вне заданного объема. По общепринятым нормам звукоизоляции подвергается либо сам источник шума, либо сооружается звуконепроницаемый кожух вокруг него, либо делается и то и другое.

Вкладыш в шейку рельса изготавливается из специальной композиционной резины позволяющей задать изделию необходимый вес. Вкладыш предназначен для снижения шумового воздействия в диапазоне температур от минус 60°С до плюс 60 °С.

Звукоизолирующая способность вкладышей в шейку рельса составляет 2,7-3,4 дБА. Механизм действия жесткого вкладыша состоит в поглощении энергии при изгибных колебаниях рельса деформациями растяжения-сжатия вдоль поверхности деформируемого рельса, дополнительный эффект снижения на высоких частотах возникает за счет поглощения энергии в направлении, перпендикулярном колеблющемуся рельсу.

Прокладки-амортизаторы резиновые армированные для рельсовых скреплений железнодорожного пути типа АРС и КБ для установки на железобетонных шпалах.

Промежуточные рельсовые скрепления выполняют роль связующих элементов и служат для передачи нагрузки от рельсов на подрельсовое основание, демпфирования и надежного закрепления рельсов на железобетонных шпалах, обеспечивая безопасную работу пути в пределах установленного срока службы с учетом условий эксплуатации. Прокладки являются одним из важных элементов скреплений, влияющих на его упругость, надежность и срок службы в целом.

Исходя из условий эксплуатации прокладок, к ним предъявляются и требования, которые в комплексе позволят обеспечить заданный срок их службы в 1 миллиард тонн брутто пропущенного груза.

Эксплуатационные характеристики прокладок-амортизаторов связаны с нагрузками, которые испытывают прокладки в узле рельсового скрепления при эксплуатации, климатическими факторами, влияющими на сохранность физико-механических свойств и используемые для изготовления прокладок-амортизаторов материалы: резиновые смеси (резины), термоэластопласты (эластомерные материалы), термопластичные материалы должны обеспечивать заданные эксплуатационные характеристики.

Наиболее важными эксплуатационными характеристиками прокладок, изготовленных из различных материалов являются следующие:

прочностные характеристики изделий по действию сил – прочность на сжатие, прочность на растяжение, истираемость, коэффициент трения; прочностные характеристики по условиям эксплуатации - электропроводность, стойкость к удару, жесткость, твердость; устойчивость к воздействию климатических факторов – стойкость к воздействию максимальных и минимальных температур в условиях сжатия и растяжения, стойкость к удару, хорошие характеристики по водопоглощению, маслостойкости, озоностойкость, коррозионная стойкость.

Прокладки-амортизаторы имеют статическую номинальную жесткостью от 40 кН/мм ≤ Сstat ≤ 80 кН/мм в условиях использования на железнодорожных магистралях.

Прокладки служат для обеспечения продольного сопротивления смещению рельсов, снижения динамических и вибрационных нагрузок и электроизоляции.

Прокладки эксплуатируются на воздухе в интервале температур в зависимости от их категории:

II категория – для установки на железобетонных шпалах в регионах с температурами эксплуатации в диапазоне от минус 40 до плюс 60°С; III категория - для установки на железобетонных шпалах в регионах с температурами эксплуатации в диапазоне от минус 60 до плюс 60°С.

Стык изолирующий рельсов типа Р 65 с полимерными магнитопроводящими электроизолирующими деталями

Разработана новая конструкция деталей узла межрельсового изолирующего стыка, предназначенных для изоляции рельсовых цепей одного блок-участка от другого и для препятствия созданию магнитного поля в зоне стыка.

Данная конструкция позволяет повысить эксплуатационную надежность рельсовых стыковых электроизолирующих соединений за счет уменьшения напряженности магнитного поля вблизи торцевой поверхности междурельсовой прокладки без каких-либо изменений в конструкции концевых участков стыкуемых рельсов.

Комплект деталей полимерных в межрельсовом скреплении изолирующего стыка состоит из торцевой изоляции – «Прокладка стыковая электроизолирующая высокой прочности ПСЭ (ВП)-65», а так же из 2-х вкладышей (устанавливаемых под композитные накладки «АпАТэК») с магнитопроводящим сердечником (магнитная линза), которые уменьшают уровень намагниченности поверхности рельс в области изостыка.

Пробная партия разрабатывается совместно с Центром испытания материалов и конструкций.

Степень внедрения: по разработанным технологическим регламентам выпущены опытные партии:

прокладок-амортизаторов рельсовых креплений толщиной 20 мм; амортизаторов толщиной 20 мм, 15 мм, 10 мм и 5 мм из резиновой смеси с использованием нетканого материала под брусья стрелочных переводов (начато серийное производство); шумогасящих вкладышей в шейку рельса и т. д.

Рынок прокладок-амортизаторов и амортизаторов для РЖД оценивается в 5 млрд. руб. в год.

Модернизирован производственный участок по производству резино-технических изделий с заданными свойствами. Осуществляется сбор документов для «Системы сертификации на федеральном железнодорожном транспорте».

Область применения: потребителями данных изделий являются компании, которые исследуют и используют различного типа конструкции, узлы и материалы, созданные из современных конструкционных, в том числе полимерных материалов, сохраняющих свои свойства в условиях действующих эксплуатационных нагрузок и климатических условий, присущих различным регионам России и других стран.

§  транспортные компании всех типов (автомобильный, железнодорожный, водный, авиационный, метрополитен);

§  компании приборостроения;

§  научно-технологические организации, создающие и изучающие современные конструкции и узлы из конструкционных полимерных материалов и т. д.

Прогнозные предположения о развитии объекта исследования: полученный опыт может служить базой для создания модели поведения участков железнодорожного и трамвайного пути в тех или иных условиях эксплуатации, а также для моделирования и проектирования изделий с заданными свойствами в создаваемом Центре Прототипирования для транспортной отрасли: железных дорог, трамвайного пути, метрополитена и т. д.

Расчет экономической эффективности НИОКР: Технико-экономическое обоснование «Детали фрикционной системы из новых конструкционных полимерных материалов и технологии ремонта вагонов с их использованием».

Накладка на фрикционный клин гасителя колебаний, вкладыш опорного скольэуна, подвижная планка рессорного комплекта, как элементы тележки грузового вагона модели 18-9800 несут фрикционные нагрузки.

Использование современных конструкционных полимерных материалов с заданными свойствами при изготовлении деталей позволяет повысить износостойкость и ударопрочность деталей, выполнить требования необходимые для трибологической системы металл-металл для пары полимер - металл.

Экономический эффект от разработки технологии ремонта вагонов с установкой таких деталей может быть рассчитан исходя из стоимости указанных деталей из предлагаемого конструкционного полимерного материала в сравнении с аналогичной стоимостью таких деталей, закупаемых сегодня.

Деталь - «Накладка на фрикционный клин гасителя колебаний »

При установке таких «накладок на фрикционный клин гасителя колебаний» в количестве годовой потребности на вагоны (15800 штук) экономия затрат составит: 150 руб. х 15800 : ((4 шт. (1 тележка) * 2 (количество тележек в вагоне)) = руб/год.

Деталь- «Вкладыш опорного скользуна тележки грузового вагона»

При установке таких «вкладышей» в количестве годовой потребности на вагоны (15800 штук) экономия затрат составит: 130 руб. х 17300 : ((2 шт. (1 тележка) * 2 (количество тележек в вагоне)) = руб/год.

Таким образом суммарная экономия затрат только по двум вышеуказанным деталям в год по материалам составит - рубль в год при существующей их годовой потребности на сегодня.

Экономия затрат по материалам для подвижной планки, общий экономический эффект будут рассчитаны после изготовления опытной партии изделий (уточнение себестоимости серийного производства), отработки технологии ремонта вагонов с установкой таких полимерных деталей во фрикционные системы и т. д.

«Институт полимеров» сформировал требования к основным физико-механическим характеристикам материалов, используемых в конструкциях пути для заданного пропуска тоннажа и которые будут работать в различных условиях эксплуатации, а также провел стендовые и полевые испытания по определению изменения основных характеристик элементов в конструкции пути при различных нагрузках на ось и скоростях движения в зависимости от пропущенного тоннажа.

Технико-экономическое обоснование.

«Технические решения, обеспечивающие снижение неравножесткости  (равной упругости) пути по длине стрелочного перевода».

Амортизаторы, устанавливаемые под брусья скоростного стрелочного перевода железнодорожного пути являются важным элементом для снижения динамического воздействия нагрузок, вибраций и колебаний, передаваемого подшпальному основанию.

Исследованиями, проведенными в рамках НИОКР выявлено, что при установке амортизаторов снижается вибрационное воздействие на балластную призму в разных зонах скоростного стрелочного перевода, повышается упругость пути.

Экономический эффект от разработки и внедрения амортизаторов под брусья перевода с заданной жесткостью вместе с прокладками- амортизаторами, может быть получен за счет создания новых материалов для их изготовления и снижения эксплуатационных затрат на обслуживание перевода за счет уменьшения вибродинамического воздействия на балласт.

Совместное использование амортизаторов переменной жесткости и прокладок-амортизаторов рельсовых скреплений скоростных стрелочных переводов повышенной устойчивости к низким температурам, воде и маслу, разработанных в результате НИОКР, позволит получить экономический эффект после внедрения на 20 стрелочных переводов (при затратах на амортизаторы 820 т. руб.) в размере: 0,81 + 7,2+2+3,3-0,36+0,21-0,82-11,712= 0,628 млн. руб.

Проектирование и изготовление полимерных поддерживающих роликов различного диаметра и ножей с применением полимерных конструкционных материалов, работающих в трибологическом узле. Замена обрезиненной стальной рубашки и корпуса поддерживающего ролика транспортера щебнеочистительных машин на единый ролик из сверхвысокомолекулярного полиэтилена.

Создание композиций с различными наполнителями на основе СВМПЭ для полимерных покрытий с различным функциональным назначением. Отработка технологии нанесения полимерных покрытий на основе СВМПЭ для написания технического задания для разработки автоматизированного комплекса по газопламенному напылению полимерных покрытий совместно с Национальной академией наук Беларуси

Описание работы:

Ролик конвейера щебнеочистительных машин предназначен для поддерживания транспортерной ленты, по которой происходит перемещение щебня. Узел установки данного изделия подвержен воздействию различного рода абразивов и загрязнителей, особенно это характерно для дождливых периодов эксплуатации щебнеочистительных машин.

В данный момент на большом количестве щебнеочистительных машин изделие ролик представляет собой конструкцию, состоящую из рубашки и корпуса, выполненных из стали 3, оси и подшипниковых узлов. Данные ролики имеют достаточно большой вес, так как изготовлены из металла, а также подвержены коррозийному износу, что в свою очередь оказывает негативное влияние на транспортерную ленту.

Полимерный ролик из СВМПЭ весит в полтора раза меньше, он коррозионноустойчив, более удобен в обращении при ремонте или замене и имеет стойкость к налипанию загрязнений.

Обеспечение противокоррозионной защиты металла и бетонных поверхностей при производстве и ремонте судов, буровых платформ, трубопроводов и других морских средств и сооружений, налагает особые требования, как на сами покрытия, так и поверхности тех материалов, на которые они наносятся, для обеспечения их долгосрочной эксплуатации в морской среде. В последнее время компании производят материалы, конструкции и узлы, применяемые в работе в различного рода агрессивных средах или в узлах и деталях, работающих в тяжелых условиях эксплуатации (различные трибологические пары, высокие нагрузки, широкий температурный диапазон эксплуатации, агрессивная среда и т. п.) на основе полимерных композиционных материалов и покрытий.

Проект позволит создать дополнительные условия для улучшения экологической ситуации в Балтийском море через обеспечения более эффективной защиты транспортных средств и сооружений и, одновременно, уменьшения эксплуатационных расходов на содержание судов, платформ, портов, инженерных коммуникаций.

Результаты работы и их новизна:

Отработан технологический процесс опытного производства полимерных роликов ЩОМ из заготовок трубчатой формы из СВМПЭ по ТР и сборки роликов ЩОМ по ТР с составлением технологических карт и описанием технологического процесса механической обработки корпуса и оси ролика ЩОМ.

Разработаны различные высокопрочные составы на основе СВМПЭ и отработаны технологии нанесения таких составов для восстановления разрушенных бетонных и металлических поверхностей сооружений и конструкций (шпалы, пешеходные переходы, вагоны и др.), с целью создания технологий восстановления железобетонных и металлических поверхностей в условиях их эксплуатации, что обеспечит прочность восстановленных конструкций на уровне новых.

Реализована новая конструкция термораспылителя для газопламенного нанесения покрытий из порошка СВМПЭ Объединенным институтом машиностроения Национальной академии наук Беларуси – в рамках работы Совета делового сотрудничества Санкт-Петербурга и Республики Беларусь.

Цель работы: сверхвысомолекулярный полиэтилен – один из самых перспективных конструкционных материалов, практически не используется в высокотехнологичной промышленности из-за отсутствия комплекса технологий для переработки. Завод «КП» обладает четырьмя технологиями переработки СВМПЭ и постоянно отслеживает и адаптирует новые технологии переработки материала.

Доработка конструкторской документации на новый газопламенный порошковый термораспылитель для повышения качества наносимых полимерных покрытий на основе СВМПЭ с упрощением конструкции термораспылителя, позволила снизить стоимость изготовления термораспылителя и уменьшить его массу.

Толщина покрытия может составлять от 100 до 1500 мкм при условии сохранения адгезии покрытия к наносимой поверхности не менее 10 МПа, в случае предварительной струйно-абразивной обработки поверхности до степени Sa 2 ½ по ИСО 8501-1. Шероховатость поверхности (Rz) должна составлять не менее 50-70 мкм.

Коэффициент использования полимерного порошка должен составлять не менее 90%

Метод или методология проведения работы: по результатам анализа технологии переработки СВМПЭ доработана конструкция оборудования для нанесения покрытий СВМПЭ и создана технология литья под давлением специальных марок СВМПЭ.

Степень внедрения: разработанные технологии по напылению защитных покрытий согласованы с ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» в рамках реализации «пилотных» проектов по комплексному решению тепло-, гидроизоляционных, антикоррозионных и антиобледенительных проблем при реконструкции канализационно-насосной станции, зданий и сооружений.

Основные конструктивные, технологические и технико-эксплуатационные характеристики оборудования для напыления СВМПЭ.

§  Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси выполнил расчеты по определению величины газораспределительных каналов конструкции подачи расходных газов, обеспечивающих устойчивое горение;

§  Заводом «КП» выпущена опытная партия термораспылителей и презентована на «Российском промышленнике» 2-4 октября сего года.

Область применения: результаты данной работы интересны для компаний, которые исследуют и используют различного типа новые материалы и способы противокоррозионной защиты, так и материалы, созданные с применением нанодобавок:

§  судостроение;

§  портовые и трубопроводные сооружения;

§  нефтегазовые компании, ведущие добычу на море;

§  транспортные компании;

§  машиностроение;

§  экологические компании;

§  научно-технологические организации, создающие и изучающие поведением материалов и покрытий в различных агрессивных средах;

§  водоканалы.

Прогнозные предположения о развитии объекта исследования: непрерывный научно-технический прогресс, автоматизация производства и повышение производительности труда немыслимы без новых материалов. Борьба за экономию материалов тесно связана с применением полимерных материалов во всех отраслях народного хозяйства. СВМПЭ характеризуется разнообразными и вместе с тем специфическими физико-химическими и механическими свойствами, легкостью переработки в изделия, доступностью сырьевой базы.

Основные достоинства конструкционных материалов: небольшой удельный вес, удовлетворительная прочность, высокая ударная прочность, высокие фрикционные и антифрикционные характеристики, демпфирующая способность, химическая стойкость, диэлектрические и теплоизоляционные свойства, оптическая прозрачность (у некоторых полимеров), хороший внешний вид, малая трудоемкость изготовления деталей, низкая себестоимость.

Важнейшее преимущество СВМПЭ — возможность изготовления деталей сложной конфигурации при помощи высокопроизводительных, автоматизированных пластицирующих процессов — прессования, литья под давлением, выдавливания, прокатки и т. д. — без трудоемкой обработки резанием и потери материала в стружку.

Многие недостатки пластмасс могут быть устранены подбором соответствующего технологического процесса, удачным конструктивным решением, правильным выбором марки материала с учетом условий работы изделия, модификацией пластмасс.

Успехи химической науки и технологии в области улучшения существующих и создания новых видов пластмассы - СВМПЭ и способов их переработки в изделия открывают перспективы еще более широкого и эффективного внедрения пластмасс в конструкции разнообразного назначения.

Расчет экономической эффективности: поддерживающие ролики транспортера щебнеочистительного комплекса являются важным элементом, обеспечивающим перемещение транспортерной ленты с насыпными грузами. Сохранение эксплуатационных характеристик транспортера в различных погодных условиях, в том числе и в условиях повышенной влажности перемещаемых пород, непосредственным образом определяет эффективность всего щебнеочистительного комплекса. Так, при повышенной влажности происходит сильное налипание глины, щебеночной крошки, грязи именно на применяемые в настоящее время поддерживающие ролики, которые изготавливаются из различных видов стали. Это приводит к образованию очагов коррозии на металлических поверхностях поддерживающих роликов, их преждевременному износу. Кроме того, наличие налипших на рабочие поверхности роликов частиц переносимых пород увеличивает износ движущейся по ним нагруженной транспортерной ленты, приводит к ее истрепыванию, появлению бахромы на ее боковых кромках.

Испытания показали, что они имеют хорошую стойкость к истиранию и налипанию влажных пород, так как СВМПЭ обладает хорошими антиадгезионными свойствами и низкой величиной коэффициента трения.

Экономический эффект от разработки и внедрения поддерживающих роликов для транспортеров щебнеочистительных комплексов из нового конструкционного полимерного материала (СВМПЭ), обладающего высокими антиадгезионными свойствами и низким коэффициентом трения может быть получен за счет уменьшения затрат на их изготовление по сравнению со стальными, прибыли за счет увеличения времени их эксплуатации, уменьшению затрат на их, прибыли за счет уменьшение износа транспортерной ленты.

1.Для щебнеочистительной машины RM-80

1.1. Цена одного обрезиненного стального ролика, длиной 600мм. (без НДС) составляет 11248 руб. Стоимость одного аналогичного ролика из СВМПЭ составляет 5605,59 руб. без НДС.

1.2. Цена одного обрезиненного стального ролика, длиной 315мм (без НДС) составляет 8721 руб. Стоимость одного аналогичного ролика из СВМПЭ составляет 3486,81 руб. без НДС.

1.3. Цена одного обрезиненного стального ролика, длиной 250мм. (без НДС) составляет 8301 руб. Стоимость одного аналогичного ролика из СВМПЭ составляет 3003,59 руб. без НДС.

1.4. Цена одного обрезиненного стального ролика, длиной 200мм (без НДС) составляет 7900 руб. Стоимость одного аналогичного ролика из СВМПЭ составляет 2631,88 руб. без НДС и т. д.

Учитывая, что износостойкость на истирание рабочей поверхности роликов из СВМПЭ (при малых углах воздействия контртел) не уступает стальным, а коэффициент скольжения (для СВМПЭ не более 0,1), коррозионная и химическая стойкость СВМПЭ в разы превосходят значения для стали (коэффициент трения для стали 0,25-0,45) можно ожидать значительного экономического эффекта от замены всех стальных поддерживающих транспортерных роликов на ролики из СВМПЭ.

При использовании поддерживающих роликов транспортера из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) расходы на остановки щебнеочистительной машины связанных с чисткой роликов можно будет избежать.

В настоящее время Завод «КП» приступил к серийному выпуску роликов для щебнеочистительных машин.

Развитие проекта - изготовление роликов большего размера для нужд , горнодобывающей промышленности, транспортной отрасли, ЖКХ и т. д.

Результаты проведенных работ вносятся в интегрированную распределенную среду для оптимизации разработок и внедрения изделий из конструкционных полимерных материалов с применением систем комплексного виртуального моделирования, инженерного анализа и подготовки производства согласно методологии работы в ИРС.

Ядром ИРСа выбрана система "Технорма/ИнтраДок" - это программный продукт, предназначенный для создания на предприятии информационного центра нормативной документации, разработанный фирмой «Глосис-сервис», имеющая различные приложения.