Композитные теплоизоляционные панели как основа кузова изотермического подвижного состава

Два реферата выступлений, посвященных применению композитных панелей в изотермических вагонах и контейнерах, вошли в сборник материалов по итогам конференции «Подвижной состав XXI века», которая состоялась в июле. Авторы — специалисты Петербургского государственного университета путей сообщения (ПГУПС) и НВЦ «Вагоны» (входит в «РМ Рейл») — рассматривают конструкции вагона-термоса и изотермического контейнера, объединенные общим принципом: замена цельнометаллической обшивки на несущие слоистые панели.

Проведенное моделирование показало, что применение такого подхода позволяет существенно повысить грузоподъемность и увеличить объем кузова вагона-термоса при сохранении теплотехнических характеристик. Редакция ROLLINGSTOCK объединила вышедшие материалы и публикует их с незначительной редактурой.

Проблематика существующих конструкций вагонов

Как отмечают специалисты ПГУПС, парк изотермических вагонов сокращается, поскольку старые вагоны выбывают по сроку службы, а при этом новые вагоны оказываются относительно дорогими и качество теплоизоляции зачастую оказывается хуже. «Сейчас в эксплуатации находятся около 90 автономных рефрижераторных вагонов и около 4 тыс. вагонов-термосов различных модификаций, назначенный срок службы которых давно истек. К 2030 году ожидается списание значительной их части», — отмечал в августе в интервью «Гудку» заведующий кафедрой «Вагоны и вагонное хозяйство» ПГУПСа, гендиректор НВЦ «Вагоны» Юрий Бороненко.

Распространенная технология теплоизоляции современных изотермических вагонов, представляющая собой напыление полиуретана на внутреннюю сторону цельнометаллического кузова с последующим срезанием лишнего слоя и установкой внутренней обшивки к обрешетке, имеет ряд недостатков:
- негерметичная из-за особенностей монтажа конструкция утепления, подверженная попаданию влаги, образованию мостиков холода в зазорах, что приводит к снижению эффективности;
- увеличенная для компенсации вышеупомянутых недостатков толщина утепления, которая приводит к снижению полезного внутреннего объема кузова;
- высокая металлоемкость и масса цельнометаллического кузова;
- высокая стоимость теплоизоляции относительно ее эффективности.

Несмотря на то, что замена теплоизоляционных материалов может решить некоторые проблемы, связанные с теплоизоляцией, значимое снижение массы тары без пересмотра идеи цельнометаллического кузова невозможно. Это говорит об исчерпании возможностей к модернизации цельнометаллических вагонов и их моральном устаревании.

Конструкция каркасного кузова вагона-термоса

Для исключения вышеупомянутых недостатков в ПГУПС предложили применить в вагонах-термосах конструкцию кузова нового типа. Она представляет собой сварной каркас, элементы которого имеют тавровое сечение. В результате их соединения образуются ячейки, в которые с внутренней стороны устанавливаются металлокомпозитные теплоизоляционные панели.

Применение такой конструкции должно позволить:
- отказаться от металлической обшивки, снизив массу тары, так как панели выполняют ее роль;
- повысить грузоподъемность за счет снижения массы тары;
- полностью использовать свойства теплоизоляции, так как она состоит из цельных герметичных панелей, теплоизолирующий материал в которых защищен от внешних воздействий и работает в оптимальных для него условиях;
- исключить некачественный монтаж утепления благодаря простоте установки теплоизоляционных панелей;
- снизить требования к квалификации рабочих при установке панелей;
- снизить трудоемкость монтажа теплоизоляции и ускорить процесс сборки вагона в целом.

Кроме того, данная конструкция принципиально нового типа закладывает широкие возможности для дальнейшего ее совершенствования, так как характеристики вагона во многом зависят от характеристик панелей, которые возможно заменить без пересмотра всей конструкции. Также возможно при необходимости модифицировать кузов, заменяя панели на панели с большей толщиной, улучшая теплоизоляционные свойства теплопередачи, но уменьшая внутренний объем.

В конструкции применены готовые стеновые теплоизоляционные панели РД-1, разработанные компанией «Балтмаш», состоящие из армированного полиуретана и защищенные с двух сторон слоями жесткого композитного материала под названием «Прег».

Композитные панели крепятся к каркасу таврового сечения вытяжными заклепками. Для того чтобы распределить нагрузку от заклепок, в композитную панель заформовывается полоса из влагостойкой ФСФ фанеры, которая располагается под слоем «Прега». Таким образом, при установке панели слой «Прега», который является несущим, фиксируется между полосой фанеры и полкой тавра, нагрузка при этом распределяется на большую площадь. Так как толщина панелей составляет 100 мм, а каркас утапливается внутрь панелей, то при вписывании вагона в габарит 1–Т удалось увеличить ширину внутреннего помещения вагона до 2900 мм.

Проведенное в программном комплексе ANSYS 2019 моделирование теплового потока через стенку кузова в месте соединения панелей между собой и с каркасом показало, что влияние стального каркаса и креплений на коэффициент теплопередачи стенки будет незначительным. Также был проведен расчет прочности каркасного кузова по ГОСТ 33211-2014 по первому расчетному режиму, в результате которого максимальные напряжения возникали в боковых стойках кузова и составляли 325 МПа при допускаемых 345 МПа для стали 09Г2С.

Вагон проектировался с условием, что теплоизоляционные панели являются частично несущими, то есть воспринимают нагрузки в поперечном направлении (выдавливание), в то время как основные нагрузки воспринимает стальной каркас. Таким образом обеспечивается ограничение нагрузок, передающихся на несущие панели, что повышает их срок службы. Для этого стальной каркас кузова и рама рассчитаны из условия, что способны выдерживать основные нагрузки без помощи панелей.

Для определения коэффициента теплопередачи определялся тепловой поток через кузов вагона сначала только с учетом панелей, который затем умножался на коэффициент, равный 1,1, учитывающий потери тепла по контуру двери, а затем к нему прибавлялись потери, определенные при моделировании теплового потока в месте соединения панелей между собой и с каркасом.

Полученные в результате проектирования технико-экономические параметры вагона-термоса в сравнении с вагоном-термосом модели 16-1239 от «РМ Рейл» той же длины кузова и базы приведены в таблице ниже.

Сравнительные характеристики спроектированного вагона и вагона-аналога. Источник: ПГУПС

Представители ПГУПС констатируют, в результате проектирования удалось снизить массу тары вагона относительно вагона-аналога на 16,3% с 35 до 29,3 т, при этом увеличить грузоподъемность на 10,5% с 64 до 70,7 т. Увеличился внутренний объем на 30% с 138 до 180 м³, площадь пола на 5,5% с 56,6 до 59 м² при одинаковой длине по осям автосцепок. Коэффициент тары составил 0,414 против вагона-аналога с коэффициентом тары 0,531. При этом теплотехнические характеристики значительно не ухудшились, коэффициент теплопередачи составил 0,279 Вт/(м²·°С), что удовлетворяет требованиям ГОСТ 35269–2025. Также ожидается и удешевление подвижного состава.

Таким образом, резюмируют в ПГУПС, расчеты и моделирование показывают, что конструкция вагона-термоса с каркасным кузовом и теплоизоляционными композитными панелями имеет преимущества перед современными цельнометаллическими вагонами и перспективы дальнейшего усовершенствования.

Также специалистами ПГУПС и НВЦ «Вагоны» ведется разработка изотермического контейнера с применением технологии слоистых композитных материалов. В качестве теплоизоляционного материала для разрабатываемого изотермического контейнера выбраны те же слоистые композитные панели, обладающие пониженным коэффициентом теплопроводности и высокой механической прочностью. Благодаря применению «Прега» в структуре композитной панели контейнер не требует наружной обшивки, что позволяет снизить металлоемкость конструкции, увеличить грузоподъемность контейнера благодаря уменьшению массы тары, а также увеличить внутренние габариты контейнера.

С целью определения механических свойств панелей Научно-исследовательской лабораторией «Динамика вагонов» при ПГУПС были проведены циклические испытания по определению стойкости к динамической нагрузке и испытания при сжатии в двух направлениях и при изгибе.

Чтобы точнее предсказывать, как будут вести себя панели под нагрузкой, ученые провели механические испытания и на их основе построили математическую модель. Она описывает поведение материала с помощью двухпараметрической гиперупругой модели Mooney-Rivlin (инструмент инженерной прогарммы Ansys Workbench) в виде линейной комбинации двух инвариантов тензора деформации Коши — Грина. Благодаря ей можно заранее рассчитать поведение слоистых композитных панелей в составе ограждающих конструкций контейнера.

С целью верификации разработанной модели Mooney-Rivlin выполнен расчет напряженно-деформированного состояния панели. По результатам расчета величина перемещений совпала с величиной, полученной опытным путем.

Был предложен вариант конструкции боковой стены контейнера на основе использования композитных панелей в качестве основы несущей конструкции. Проведены расчеты с использованием гиперупругой модели Mooney-Rivlin, получен итоговый прогиб боковой стены 40 мм, что отвечает требованиям НД № 2-090201-014 «Сборник правил по контейнерам».

Выполнен теплотехнический расчет предложенной конструкции боковой стены и боковой стены существующего контейнера-аналога. По результатам расчета установлен общий коэффициент теплопередачи составит 0,313 Вт/(м²·К), что превосходит показатели ближайших аналогов на 15%.

Разработан эскизный проект конструкции изотермического контейнера, на основании которого предположены итоговые технические характеристики контейнера. Также разработан фрагмент конструкции боковой стены. Запланировано проведение испытаний.

Авторы исходных статей:

Об изотермическом вагоне
Юрий Бороненко, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Вагоны и вагонное хозяйство» ПГУПС, генеральный директор НВЦ «Вагоны»
Виталий Степанов, аспирант ПГУПС

Об изотермическом контейнере
Иван Зубов, младший научный сотрудник отдела проектирования грузовых вагонов НИБ НВЦ «Вагоны», аспирант ПГУПС
Татьяна Чернова, ассистент кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство», аспирант ПГУПС

Подготовлено на основе статей «Изотермический вагон с кузовом из несущих теплоизоляционных панелей» и «Изотермический контейнер с применением слоистых композитных панелей» из сборника материалов по итогам конференции «Подвижной состав XXI века», прошедшей в 2026 году