Välisuuringud raudteetransiidi komposiitmaterjalide alal on kestnud ligi pool sajandit.Kuigi raudteetransiidi ja kiirraudtee kiire areng Hiinas ning kodumaiste komposiitmaterjalide rakendamine selles valdkonnas on täies hoos, on välismaa raudteetransiidis laialdaselt kasutatav komposiitmaterjalide tugevdatud kiud rohkem klaaskiud, mis erineb süsinikkiust komposiitmaterjalid Hiinas.Nagu selles artiklis mainitud, on süsinikkiud vähem kui 10% TPI Composites Company väljatöötatud kere komposiitmaterjalidest ja ülejäänud osa on klaaskiud, nii et see tasakaalustab kulusid, tagades samal ajal kerge kaalu.Süsinikkiu massiline kasutamine toob paratamatult kaasa kuluraskusi, mistõttu saab seda kasutada mõnes peamises konstruktsioonikomponendis, näiteks pöördvankrites.
Rohkem kui 50 aastat on termoreaktiivsete komposiitide tootja Norplex-Micarta pidevalt tegelenud raudteetransiidirakenduste materjalide tootmisega, sealhulgas rongide, kergraudtee pidurisüsteemide ja kõrgendatud elektrirööbaste elektriisolatsiooniga.Kuid täna laieneb ettevõtte turg suhteliselt kitsast nišist kaugemale, hõlmates rohkem rakendusi, nagu seinad, katused ja põrandad.
Norplex-Micarta äriarenduse direktor Dustin Davis usub, et raudtee- ja muud massitransporditurud pakuvad lähiaastatel üha enam võimalusi tema ettevõttele, aga ka teistele komposiitmaterjalide tootjatele ja tarnijatele.Sellel eeldataval kasvul on mitu põhjust, millest üks on tuletõrjestandardi EN 45545-2 vastuvõtmine Euroopas, mis kehtestab massitranspordile rangemad tule-, suitsu- ja gaasikaitsenõuded (FST).Fenoolvaigusüsteeme kasutades saavad komposiitide tootjad lisada oma toodetesse vajalikud tule- ja suitsukaitseomadused.
Lisaks on bussi-, metroo- ja rongioperaatorid hakanud mõistma komposiitmaterjalide eeliseid müra vibratsiooni ja kakofoonia vähendamisel."Kui olete kunagi olnud metroos ja kuulnud metallplaadi ragisemist," ütles Davis.Kui paneel on valmistatud komposiitmaterjalist, summutab see heli ja muudab rongi vaiksemaks."
Komposiidi kergem kaal muudab selle atraktiivseks ka bussijuhtidele, kes on huvitatud kütusekulu vähendamisest ja valiku laiendamisest.Turu-uuringufirma Lucintel ennustas 2018. aasta septembri aruandes, et massitranspordis ja maastikusõidukites kasutatavate komposiitide ülemaailmne turg kasvab aastatel 2018–2023 4,6 protsenti aastas ja potentsiaalne väärtus 2023. aastaks on 1 miljard dollarit. Võimalusi pakuvad mitmesugused rakendused, sealhulgas välis-, sise-, kapoti- ja jõuülekande osad ning elektrilised komponendid.
Norplex-Micarta toodab nüüd uusi osi, mida praegu katsetatakse Ameerika Ühendriikide kergraudteeliinidel.Lisaks keskendub ettevõte jätkuvalt pidevate kiudmaterjalidega elektrifitseerimissüsteemidele ja kombineerib neid kiiremini kõvenevate vaigusüsteemidega."Saate vähendada kulusid, suurendada tootmist ja tuua turule kõik FST-fenooli funktsionaalsused," selgitas Davis.Kuigi komposiitmaterjalid võivad olla kallimad kui sarnased metallosad, ei ole hind Davise sõnul rakendust määrav tegur, mida nad uurivad.
Kerge ja leegiaeglustav
Euroopa raudteeoperaatori Duetsche Bahni 66 ICE-3 Expressi autopargi renoveerimine on üks komposiitmaterjalide võimalusi klientide spetsiifiliste vajaduste rahuldamiseks.Kliimaseade, reisijate meelelahutussüsteem ja uued istmed lisasid ICE-3 raudteevagunitele tarbetut kaalu.Lisaks ei vastanud esialgne vineerpõrandakate uutele Euroopa tuletõkkestandarditele.Ettevõte vajas põrandakattelahendust, mis aitaks vähendada kaalu ja täita tulekaitsestandardeid.Kerge komposiitpõrandakate on vastus.
Saksamaal asuv komposiitkangaste tootja Saertex pakub oma põrandakatteks LEO® materjalisüsteemi.Daniel Stumpp, Saertex Groupi globaalne turundusjuht, ütles, et LEO on kihiline, kortsumata kangas, millel on paremad mehaanilised omadused ja suurem kerge kaalupotentsiaal kui kootud kangad.Neljakomponendiline komposiitsüsteem sisaldab spetsiaalseid tulekindlaid katteid, klaaskiuga tugevdatud materjale, SAERfoam®-i (südamiku materjal integreeritud 3D-klaaskiudsildadega) ja LEO vinüülestervaiku.
Komposiitmaterjalide tootja SMT (samuti Saksamaal asuv) lõi põranda vaakumtäitmise teel, kasutades Briti ettevõtte Alan Harperi valmistatud korduvkasutatavaid räni vaakumkotte.«Eelmisest vineerist hoidsime umbes 50 protsenti kaalust kokku,» rääkis Stumpp."LEO süsteem põhineb pidevatel kiudlaminaatidel, millel on suurepäraste mehaaniliste omadustega täitmata vaigusüsteem... . Lisaks ei lähe komposiit mädanema, mis on suur eelis, eriti piirkondades, kus talvel sajab lund ja põrand on märg."Põrand, pealisvaip ja kummimaterjal vastavad kõik uutele leegiaeglustuse standarditele.
SMT on tootnud enam kui 32 000 ruutjalga paneele, mis on praeguseks paigaldatud umbes kolmandikku kaheksast ICE-3 rongist.Renoveerimisprotsessi käigus optimeeritakse iga paneeli suurust, et see sobiks konkreetsele autole.Sedaani ICE-3 originaaltootjale avaldas uus komposiitpõrandakate nii suurt muljet, et ta on tellinud komposiitkatuse, et osaliselt asendada raudteevagunite vana metallist katusekonstruktsioon.
Mine edasi
Californias asuv nullheitega elektribusside projekteerija ja tootja Proterra on kasutanud kõigis oma keredes komposiitmaterjale alates 2009. aastast. 2017. aastal püstitas ettevõte rekordi, sõites oma akulaaditava katalüsaatoriga 1100 ühesuunalist miili. ®E2 buss.Sellel bussil on kerge kere, mille on valmistanud komposiitmaterjalide tootja TPI Composite.
* Hiljuti tegi TPI koostööd Proterraga integreeritud kõik-ühes komposiitelektribussi tootmiseks."Tüüpilisel bussil või veokil on šassii ja kere istub selle šassii peal," selgitab TPI strateegilise turunduse direktor Todd Altman.Bussi kõva korpuse disainiga integreerisime šassii ja kere sarnaselt kõik-ühes auto kujundusele." Üks struktuur on jõudlusnõuete täitmisel tõhusam kui kaks eraldi struktuuri.
Proterra ühe kestaga kere on spetsiaalselt ehitatud, nullist kujundatud elektrisõidukiks.See on oluline erinevus, ütles Altman, sest paljude autotootjate ja elektribusside tootjate kogemus on olnud piiratud katsetega kohandada oma traditsioonilisi sisepõlemismootorite konstruktsioone elektrisõidukitega."Nad võtavad olemasolevad platvormid ja üritavad võimalikult palju akusid kokku pakkida. See ei paku ühestki vaatenurgast parimat lahendust.""Ütles Altman.
Paljudel elektribussidel on näiteks akud sõiduki taga või peal.Kuid Proterra jaoks suudab TPI paigaldada aku bussi alla."Kui lisate sõiduki konstruktsioonile palju raskust, soovite, et see kaal oleks võimalikult kerge nii jõudluse kui ka ohutuse seisukohast," ütles Altman.Ta märkis, et paljud elektribusside ja -autode tootjad lähevad nüüd tagasi joonestuslaua juurde, et töötada välja oma sõidukitele tõhusamad ja sihipärasemad kujundused.
TPI on sõlminud Proterraga viieaastase lepingu kuni 3350 komposiitbussi kere tootmiseks TPI rajatistes Iowas ja Rhode Islandil.
Vaja kohandada
Catalyst siini kere projekteerimine eeldab, et TPI ja Proterra tasakaalustavad pidevalt kõigi erinevate materjalide tugevaid ja nõrku külgi, et need suudaksid täita kulueesmärke, saavutades samal ajal optimaalse jõudluse.Altman märkis, et TPI kogemus suurte, umbes 200 jala pikkuste ja 25 000 naela kaaluvate tuulelabade tootmisel muudab neil suhteliselt lihtsaks 6000–10 000 naela kaaluvate 40 jala pikkuste busside kere.
TPI on võimeline saavutama vajaliku konstruktsioonitugevuse, kasutades valikuliselt süsinikkiudu ja säilitades selle kõige suuremat koormust kandvate piirkondade tugevdamiseks."Me kasutame süsinikkiudu, kus saate põhimõtteliselt auto osta," ütles Altman.Üldiselt moodustab süsinikkiud keha komposiittugevdusmaterjalist vähem kui 10 protsenti, ülejäänud on klaaskiud.
TPI valis vinüülestervaigu sarnasel põhjusel."Kui me vaatame epoksiide, on need suurepärased, kuid kui te neid kuivatate, peate temperatuuri tõstma, nii et peate vormi kuumutama. See on lisakulu, "jätkas ta.
Ettevõte kasutab vaakum-assisted resin transfer molding (VARTM), et toota komposiit sandwich struktuure, mis tagavad vajaliku jäikuse ühele kestale.Tootmisprotsessi käigus lisatakse korpusesse mõned metallist liitmikud (nt keermestatud liitmikud ja keermeplaadid).Buss on jagatud ülemiseks ja alumiseks osaks, mis seejärel kokku liimitakse.Töötajad peavad hiljem lisama väikeseid komposiitkaunistusi, näiteks katteid, kuid osade arv on murdosa metallbussist.
Pärast valmis kere Proterra bussi tootmistehasesse saatmist voolab tootmisliin kiiremini, sest tööd on vähem."Nad ei pea tegema kogu keevitamist, lihvimist ja tootmist ning neil on väga lihtne liides kere ühendamiseks jõuülekandega," lisas Altman.Proterra säästab aega ja vähendab üldkulusid, kuna ühekihilise kesta jaoks on vaja vähem tootmisruumi.
Altman usub, et nõudlus komposiitbussi kerede järele kasvab jätkuvalt, kuna linnad kasutavad saaste vähendamiseks ja kulude kärpimiseks elektribusse.Proterra sõnul on akudega elektrisõidukitel madalaim kasutusea kulu (12 aastat) võrreldes diisel-, surumaagaasi- või diiselhübriidbussidega.See võib olla üks põhjus, miks Proterra sõnul moodustab akutoitel elektribusside müük praegu 10% kogu transporditurust.
Komposiitmaterjalide laialdasel kasutamisel elektribussi korpuses on endiselt mõningaid takistusi.Üks on spetsialiseerumine erinevate bussiklientide vajadustele."Igale ühistranspordiasutusele meeldib busse hankida erineval viisil – istmete seadistamine, luugi avamine. Bussitootjate jaoks on see suur väljakutse ja paljud neist konfiguratsioonielementidest võiksid meile minna.""Altman ütles. "Integreeritud keretootjad tahavad standardset ehitust, kuid kui iga klient soovib suurt kohandamist, on seda raske teha." TPI jätkab koostööd Proterraga, et täiustada bussi disaini, et seda paremini hallata. lõpptarbijate nõutav paindlikkus.
Uurige võimalust
Composites jätkab katsetamist, kas selle materjalid sobivad uuteks massitranspordirakendusteks.Ühendkuningriigis juhib süsinikkiu ringlussevõtu ja taaskasutamise tehnoloogiale spetsialiseerunud ELG Carbon Fibre ettevõtete konsortsiumi, mis arendavad sõiduautode pöördvankrite jaoks kergeid komposiitmaterjale.Pöördvanker toetab auto kere, juhib rattapaari ja säilitab selle stabiilsuse.Need aitavad parandada sõidumugavust, neelavad rööpa vibratsiooni ja minimeerivad tsentrifugaaljõudu rongi pööramisel.
Projekti üks eesmärk on toota pöördvankrit, mis on 50 protsenti kergemad kui võrreldavad metallvankrid."Kui pöördvanker on kergem, kahjustab see vähem rööbastee ja kuna koormus rööbastele on väiksem, saab hooldusaega ja hoolduskulusid vähendada," ütleb ELG tootearendusinsener Camille Seurat.Täiendavad eesmärgid on vähendada küljelt-rööpale suunatud rataste jõude 40% võrra ja tagada eluea seisukorra jälgimine.Ühendkuningriigi mittetulunduslik raudteeohutuse ja standardite nõukogu (RSSB) rahastab projekti eesmärgiga toota äriliselt elujõuline toode.
Läbi on viidud ulatuslikud tootmiskatsed ja tehtud on mitmeid testpaneele, kasutades preprege, mis on saadud stantsipressimisest, tavapärasest märgkihist, perfusioonist ja autoklaavist.Kuna pöördvankrite tootmine oleks piiratud, valis ettevõte kõige kulutõhusamaks ehitusmeetodiks autoklaavides kõvendatud epoksüprepregi.
Täissuuruses pöördvankri prototüüp on 8,8 jalga pikk, 6,7 jalga lai ja 2,8 jalga kõrge.See on valmistatud taaskasutatud süsinikkiust (ELG mittekootud padjad) ja toorest süsinikkiust kangast.Ühesuunalisi kiude kasutatakse peamise tugevuselemendina ja need asetatakse robottehnoloogia abil vormi.Valitakse heade mehaaniliste omadustega epoksiid, mis on uue koostisega leegiaeglustav epoksiid, mis on sertifitseeritud EN45545-2 raudteel kasutamiseks.
Erinevalt terasest pöördvankritest, mis keevitatakse roolitaladest kaheks külgtalaks, ehitatakse komposiitvankrid erinevate üla- ja alaosadega, mis seejärel omavahel ühendatakse.Olemasolevate metallvankrite asendamiseks peab komposiitversioon ühendama vedrustuse ja piduriühendusklambrid ning muud lisaseadmed samasse asendisse."Praegu oleme otsustanud terasest liitmikud alles jätta, kuid edasiste projektide jaoks võib olla huvitav asendada terasliitmikud komposiittüüpi liitmikega, et saaksime lõplikku kaalu veelgi vähendada," ütles Seurat.
Birminghami ülikooli andurite ja komposiitide rühma konsortsiumi liige jälgib anduri väljatöötamist, mis integreeritakse tootmisfaasis komposiitvankrisse."Enamik andureid keskendub deformatsiooni jälgimisele pöördvankri diskreetsetes punktides, samas kui teised on mõeldud temperatuuri tuvastamiseks, " ütles Seurat.Andurid võimaldavad komposiitstruktuuri reaalajas jälgida, võimaldades koguda eluaegseid koormusandmeid.See annab väärtuslikku teavet tippkoormuse ja pikaajalise väsimuse kohta.
Esialgsed uuringud näitavad, et komposiitvankrid peaksid suutma saavutada soovitud kaalulanguse 50%.Projektimeeskond loodab saada 2019. aasta keskpaigaks testimiseks valmis suure pöördvankri.Kui prototüüp toimib ootuspäraselt, toodavad nad raudteetranspordiettevõtte Alstomi trammide katsetamiseks rohkem pöördvankrit.
Kuigi teha on veel palju tööd, on Seurati sõnul võimalikud esialgsed märgid, et on võimalik ehitada äriliselt elujõuline komposiitvanker, mis konkureerib kulude ja tugevuse poolest metallvankritega."Siis arvan, et raudteetööstuses on komposiitide jaoks palju võimalusi ja potentsiaalseid rakendusi," lisas ta.(Artikkel on uuesti trükitud dr Qian Xini raamatust Carbon Fiber and Its Composite Technology).
Postitusaeg: 07.03.2023