В грузовом вагоностроении на долю металла приходится до 70% себестоимости. «Про Металл» решил разобраться в том, что это за металлы, какие элементы вагонной конструкции из них сделаны и почему.
По данным Федеральной службы государственной статистики, производство грузовых магистральных ширококолейных вагонов отечественными предприятиями в 2023 году выросло по сравнению с прошлым годом на 28% — до 64,1 тыс. штук.
Общий парк грузовых вагонов в России в декабре 2023 года насчитывал 1 млн 321 тыс. единиц.
Согласно данным Росстата, структура выпуска грузовых вагонов в 2023 году представляется следующим образом: 19,7 тыс. полувагонов (падение на 2% к 2022 году); 18,7 тыс. хопперов (рост в 2,3 раза); 8,6 тыс. вагонов-цистерн (рост на 60%); 4,7 тыс. крытых вагонов (рост в 4,4 раза) и 12,0 тыс. железнодорожных платформ всех типов (падение на 18%). Львиная доля этого подвижного состава построена из сталей разных марок.
Сталь всему голова
В вагоностроении критически важным является баланс между весом вагона (и производная от него — коэффициент тары), его прочностью и коррозионной стойкостью. И, очевидно, в расчёт принимается стоимость подвижного состава. Наилучшим образом этот баланс обеспечивает стальная конструкция вагонов.
Как говорит исполнительный директор Союза «Объединение вагоностроителей» Евгений Семенов, основные элементы конструкции грузовых вагонов изготавливают, например, из сталей марок 12Г2ФД, 12Г2Ф, 09Г2Д, 09Г2СД, 20ГФЛ и 20ГЛ. В вагоностроении применяют также специальные стали — осевые, пружинные и другие.
Марки сталей выбирают с учётом эксплуатационных нагрузок и внешних воздействий на конструктивные элементы. При этом характеристики стали должны в первую очередь обеспечивать надёжность и долговечность конструкции вагона.
Сталь и сплавы являются главными компонентами в вагоностроении.
К слову, о долговечности подвижного состава. Помимо марки стали, из которой изготовлен грузовой вагон, срок его службы зависит от перевозимого груза. К примеру, назначенный срок службы вагона-хоппера для перевозки зерна составляет 30 лет, а для транспортировки горячего агломерата — 15 лет, ровно вполовину меньше. Типовой и инновационный полувагоны пробегают по путям соответственно 22 и 32 года.
Но вернёмся к материалам для вагоностроения. В узлах трения тележки грузового вагона и подшипниковых узлах находят применение износостойкие материалы, к примеру, чугуны и полимеры. В элементах тормозной системы вагонов и арматуры вагонов-цистерн используются коррозионностойкие стали и цветные металлы, а также уплотнительные материалы. У отечественных вагоностроителей есть значительный опыт использования и алюминиевых сплавов для постройки облегчённых кузовов вагонов и котлов вагонов-цистерн, но об этом подробно расскажем отдельно.
По большому счёту практически все элементы грузовых вагонов выполнены из стали: рамы, кузова, котлы вагонов-цистерн, детали тележки, колёсные пары, автосцепное и тормозное оборудование.
Суверенное вагоностроение
На построенной в 1837 году первой в России Царскосельской железной дороге использовались 19 грузовых вагонов английского и бельгийского производства. Для наименования этих платформ и открытых вагонов бункерного типа в «Списке имущества» Царскосельской дороги использовались варианты перевода английского слова waggon («повозка» или «фургон») — «шарабан» и «карета».
Первые отечественные грузовые и пассажирские вагоны были построены лишь почти десятилетие спустя, в 1846 году, на Александровском заводе в Санкт-Петербурге.
Зато сегодня, по словам Евгения Семенова, в российской вагоностроительной отрасли полностью обеспечен технологический суверенитет — при производстве грузовых вагонов применяются только отечественные технологии, материалы и комплектующие.
Заметим попутно, что и у нас, и за рубежом выбор материалов из стандартизованных обусловлен в первую очередь требованиями к безопасности в эксплуатации и долговечности конструкции вагона с учётом расчётных нагрузок, параметров эксплуатации и основных прочностных характеристик. Разница в подходах, конечно, тоже есть, но в основном она объясняется различиями в системах обозначения марок сталей и стандартов на них в каждой стране.
Само собой, технологии не стоят на месте и отечественные разработчики постоянно находят новые решения для улучшения существующих и создания новых материалов. Например, компании ОВК за счёт применения высокопрочного проката из стали с гарантированным пределом текучести 420 МПа в конструкции грузовых вагонов удалось добиться снижения массы тары вагона на 2 тонны и увеличить его грузоподъёмность с 75 до 77 тонн. На «Уралвагонзаводе» совместно с отечественными металлургическими компаниями внедряют в вагоностроение новые высокопрочные материалы.
Первая в России Царскосельская железная дорога.
Под крылом алюминия
За рубежом грузовые вагоны из крылатого металла давно перестали быть экзотикой. В США, например, первый алюминиевый полувагон встал на рельсы ещё в 1940-е годы. В наши дни Китай утвердился как безусловный лидер по количеству и разнообразию моделей алюминиевых вагонов. В КНР, США и развитых европейских странах в вагонах с алюминиевыми конструкционными элементами перевозят уголь, руду и минералы, зерно и концентрированную азотную кислоту.
Впрочем, и для России алюминиевое вагоностроение — лишь относительно новое направление. Ещё во времена СССР цистерны для перевозки по железной дороге концентрированной азотной кислоты — её используют в производстве азотных удобрений, в металлургии и радиоэлектронике — строились из алюминия, причём максимально чистого сплава.
Лишь там, где проложен ГОСТ
Если со сталью в вагоностроении всё давно было понятно — она давно и прочно укоренилась во всех элементах подвижного состава, то для внедрения алюминия в конструкцию вагонов потребовалось разработать отдельную нормативно-правовою базу. Необходимо было создать документы с рекомендациями по применению алюминия и сплавов на его основе в конструкциях кузовов грузовых вагонов и требованиями к механическим свойствам полуфабрикатов.
В 2022 году один за другим вступили в силу сразу два ГОСТа, позволивших расширить применение алюминия в грузовом вагоностроении. Это ГОСТ Р 59598-2021 «Алюминий и алюминиевые сплавы. Полуфабрикаты для производства элементов кузовов грузового подвижного состава железнодорожного транспорта. Технические условия и сортамент», а также ГОСТ Р 59849-2021 «Соединения сварные конструкций кузовов железнодорожного подвижного состава из алюминиевых сплавов. Требования к проектированию, изготовлению, ремонту и контролю качества».
Утверждению этих документов Росстандартом предшествовала кропотливая работа экспертов из десятков организаций. Например, в ходе публичного обсуждения первой редакции проекта ГОСТ Р 59598-2021 было рассмотрено более 200 замечаний от 35 организаций — членов Технического комитета 045 «Железнодорожный транспорт» и НП «ОПЖТ», в том числе АО «ВНИКТИ», ООО «ВНИЦТТ», ОАО «РЖД», «РМРейл», Союз «Объединение вагоностроителей», ПАО «НПК Объединённая вагонная компания».
У алюминия в вагоностроении есть множество интересантов. Операторы подвижного состава и грузоотправители получают выгоду от снижения массы тары и увеличения грузоподъёмности вагонов, а также от их высокой коррозионной стойкости и, соответственно, большего срока службы техники. Владелец железнодорожной инфраструктуры тоже не в накладе: увеличивается провозная способность железных дорог, снижаются затраты на их содержание. И вагоностроители видят в алюминии технологичный, понятный в работе материал.
С учётом этих интересов за продвижение алюминия в качестве материала для отечественного вагоностроения взялась Алюминиевая ассоциация. Эксперты ассоциации обеспечили организационную поддержку в выстраивании производственной линейки от производителя металла к потребителю, в разработке и актуализации нормативно-правовой базы и, конечно, создании сплавов с необходимыми характеристиками.
Линия сборки цистерн
Дальше — больше
Первый отечественный алюминиевый хоппер-минераловоз модели 19-1244 сертифицировали в январе 2017 года. Вагон-хоппер для перевозки минеральных удобрений с цельносварным кузовом из сплава 1565ч создали совместными усилиями компания «РМ Рейл» (Саранск) и Самарский металлургический завод. Вагоны этой серии из первоначальной партии в 222 единицы были переданы в опытно-промышленную эксплуатацию пяти транспортным операторам.
Теперь уже можно об этом говорить, но первоначально у создателей первого отечественного алюминиевого хоппера были серьёзные опасения относительно повреждения подвижного состава «охотниками за цветметом». Опытная эксплуатация эти опасения развеяла: алюминиевые вагоны не стали объектом интереса вандалов.
По итогам эксплуатации новой модели на сети железных дорог был сформирован перечень конструктивных изменений, который лёг в основу разработки усовершенствованной версии алюминиевых хопперов. При этом подвижной состав образца 2017 года продолжает работать на магистралях от Краснотурьинска до Бреста.
Очередь следующего поколения алюминиевых хопперов-минераловозов настала спустя пять лет. В феврале 2022 года начались испытания хоппера модели 19-1299, построенного на вагоностроительном предприятии «Рузхиммаш», входящем в периметр «РМ Рейл». Вагон также имеет цельносварной кузов, но уже из легированного скандием сплава 1581. Как и положено более поздней конструкции, модель 19-1299 обладает улучшенными по сравнению с предшественником техническими характеристиками и потребительскими свойствами.
Например, конструкторы смогли увеличить полезный объём кузова до 111 куб. метров, а массу тары, наоборот, снизить до 21 тонны. В то же время грузоподъёмность удалось повысить до 79 тонн — это на 3–8 тонн больше, чем у стальных аналогов, что даёт 10-процентную экономию на перевозку одной тонны сыпучего груза. Усовершенствования коснулись и конструкции вагона — новинку оснастили сплошным загрузочным люком, что позволило адаптировать её ко всем типам погрузочных эстакад.
Хоппер-минераловоз модели 19-1299
Масса тары вагона, тонн: 21
Грузоподъёмность, тонн: 79
Объём кузова, куб. м: 111
Осевая нагрузка, тс: 25
Сплав: 1581, экономнолегированный скандием
Вот он, хоппер-минераловоз модели 19-1299.
В короткие сроки после создания базовой модели 19-1299 на тележке «Уралвагонзавода» была изготовлена модель 19-1299-01 на инновационной тележке «РМ Рейл» с нагрузкой 25 тс, обладающей меньшим динамическим воздействием на пути. Сейчас новые вагоны находятся на подконтрольной эксплуатации по маршруту Пикалёво — Кемь Октябрьской железной дороги.
Следует отметить, что эти хопперы рассчитаны на более длительный срок эксплуатации — 40 лет, что в среднем на 6 лет дольше, чем у стальных аналогов. Дело тут не только в отказе от деталей из чёрного металла внутри кузова, что исключает его окисление под воздействием агрессивной среды, но и в применении сплава 1581. Благодаря новому сплаву конструкция кузова стала устойчивее к коррозии и на 25% прочнее.
Казалось бы, кузов из алюминиевого сплава, да ещё и со скандием — вагон должен получиться «золотой». Но сплав 1581 относится к категории экономнолегированных: добавка скандия измеряется сотыми долями процента. Вот почему стоимость материала для постройки вагона осталась на уровне обычных алюминиево-магниевых сплавов.
Среди важных характеристик сплава — его способность противостоять охрупчиванию при низких температурах. Технологи оценили и хорошую свариваемость деталей из сплава 1581, в том числе и высокопроизводительным методом сварки трением с перемешиванием.
Если у стальных вагонов коэффициент тары (отношение массы тары к грузоподъёмности) равен 0,33, то для алюминиевого подвижного состава он составляет 0,27. Это значит, что алюминиевая тара легче, а грузоподъёмность вагона при этом выше.
Срок службы хоппера из алюминия выше, чем у сделанного из стали.
Но решающим фактором в пользу подвижного состава из облегчённых сплавов становится экономический фактор. По оценке специалистов, экономия РЖД на годовой объём перевозочной работы одного алюминиевого вагона-хоппера модели 19-1299 на 3,6*106 тонно-километров (нетто) составит:
− за счёт экономии топлива для тяги поездов в сравнении со стальными вагонами с осевой нагрузкой 25 тс — 20 087 руб., а в сравнении с вагонами с осевой нагрузкой 23,5 тс — 41 407 руб.;
− за счёт сокращения затрат на содержание пути в сравнении со стальными вагонами с осевой нагрузкой 25 тс — 25 568 руб., а в сравнении с вагонами с осевой нагрузкой 23,5 тс — 7855 руб.
И ещё немного говорящих цифр. Экономия затрат грузоотправителя на отправку грузов на годовой объём перевозок одного вагона-хоппера модели 12-1299 — за счёт уменьшения затрат на оплату тарифа в сравнении со стальными вагонами с осевой нагрузкой 25 тс — 188 980 руб., а в сравнении с вагонами с осевой нагрузкой 23,5 тс — 416 940 руб.
Краном или экскаватором алюминиевый полувагон разгружать не рекомендуется — есть риск помять ковшом кузов. Вместо тяжёлой техники для разгрузки применяются специальные опрокидыватели.
От цистерны до термоса
Стремительное развитие алюминиевого вагоностроения в России было бы невозможно без соответствующей нормативно-правовой базы. И в начале 2022 года появились сразу два ГОСТа, регламентирующие использование полуфабрикатов из алюминия и деформируемых алюминиевых сплавов в виде листов, плит, профилей, панелей, труб и прутков для изготовления элементов кузовов грузового железнодорожного подвижного состава. Вагоностроители с удвоенной силой взялись за создание железнодорожной техники из алюминия.
Компания «РМ Рейл» продолжила расширять линейки подвижного состава из алюминиевых сплавов. Уже в октябре 2022 года состоялась презентация вагона-цистерны для концентрированной азотной кислоты (модель 15-1232-05). Модель изготовлена из алюминиевого сплава марки 1407 с высокой коррозионной стойкостью в агрессивных средах, сопоставимой с чистым алюминием, но превосходящего его по прочности более чем в два раза.
Вагон-цистерна стал уникальным по таким параметрам, как грузоподъёмность, объём котла, срок службы и осевая нагрузка. Уменьшенная толщина стенок позволила облегчить конструкцию до 21,4 тонны и повысить грузоподъёмность до 78,6 тонн при осевой нагрузке 25 тс. Срок службы новинки был увеличен до 40 лет. Модель сертифицирована и готова к серийному производству.
Вагон-цистерна модели 19-1232-05
Масса тары вагона, тонн: 21,4
Грузоподъёмность, тонн: 78,6
Объём котла, куб. м: 61,8
Осевая нагрузка, тс: 25
Сплав: 1407
Вот так выглядит первый этап сборки цистерн.
Компетенции, приобретённые компанией при создании алюминиевых вагонов, позволили начать освоение смежных сегментов грузоперевозок, в частности, изотермики.
В 2023 году на выставке 1520 «PRO//Движение.Экспо» в Санкт-Петербурге компания показала вагон-термос для транспортировки скоропортящихся грузов 16-1239. Кузов состоит из металлического каркаса, внешней и внутренней металлической обшивки, и теплоизоляции, в том числе и алюминиевого исполнения. Вагон-термос отличается повышенной грузоподъёмностью — 64 тонны, в него помещается 51 паллета.
Тогда же было проанонсировано создание вагона-рефрижератора, премьера которого должна состояться в 2025 году. Он предназначен для перевозки штучных, тарных и пакетированных грузов при температурном режиме от –20 °С до +15 °С. Холодильно-обогревательная установка (ХОУ), работающая в непрерывном режиме, способна за 35 минут охладить или нагреть внутреннее пространство вагона объёмом 132 мкуб.
В конструкции грузовых контейнеров, которые выпускает компания «РМ Рейл», также находят применение облегчённые материалы. Первенцем стал контейнер-цистерна для перевозки сжиженного природного газа (модель АКЦ-СПГ42,7), изготовленный из сплава 1581, того же, из которого построен хоппер 2022-го модельного года. Масса тары — 12,2 тонны; срок службы конструкции — 30 лет; объём внутреннего сосуда — 42,7 куб. м. Внутренний сосуд рассчитан на рабочую температуру –161 °С.
Причём эта температура должна поддерживаться на протяжении месяцев — в течение 61 суток (для АКЦ-СПГ 42,7). Выдержать сверхнизкие температуры без разрушения внутреннего сосуда можно только, если он изготовлен из алюминиевого сплава 1581 с добавлением скандия. Как и вагоны, контейнер-цистерна по ключевым параметрам превосходит существующие стальные аналоги, выпускаемые на территории России.
Сегодня российская промышленность в состоянии самостоятельно выпускать грузовые вагоны в необходимом количестве.
Ещё одна новинка в сегменте изотермики — контейнер с машинным отоплением и охлаждением (модель АВМ-060). Нужную температуру в нем задаёт холодильно-отопительная установка с электрическим приводом. Изнутри контейнер оборудован теплоизоляцией и стенами панельного типа, а также Т-образным полом из алюминиевого сплава 6082, изделия из которого устойчивы к коррозии, ржавчине и износу. При своём внутреннем объёме 67,7 куб. м, контейнер рассчитан на повышенную для своего класса грузоподъёмность — 30,81 тонны.
Сердце изотермических вагонов и контейнеров — алюминиевые конструкции; их разрабатывают и строят в Мордовии, где базируются основные производственные площадки компании «РМ Рейл».
Надо ли уточнять, что отечественные грузовые вагоны и контейнеры — от сплавов, из которых они изготовлены, до последнего замка — на все сто процентов российского производства. Алюминиевые конструкции, несмотря на относительно высокую цену по сравнению с аналогами из нержавеющей стали, продолжат находить применение в вагоностроении.
Глядя на опыт США, Китая и развитых европейских стран, в которых железнодорожные пути сконструированы под высокую осевую нагрузку, можно предположить, что в России алюминиевые вагоны будут задействованы для перевозки тяжёлых грузов.
Пётр Орлов
