Tuje raziskave na področju kompozitnih materialov za železniški promet potekajo že skoraj pol stoletja.Čeprav sta hiter razvoj železniškega tranzita in železnice za visoke hitrosti na Kitajskem ter uporaba domačih kompozitnih materialov na tem področju v polnem razmahu, so ojačana vlakna kompozitnih materialov, ki se pogosto uporabljajo v tujem železniškem tranzitu, bolj steklena vlakna, ki se razlikujejo od kompozitov iz ogljikovih vlaken na Kitajskem.Kot je omenjeno v tem članku, ogljikova vlakna predstavljajo manj kot 10 % kompozitnih materialov za karoserijo, ki jih je razvilo podjetje TPI Composites Company, ostalo pa so steklena vlakna, tako da lahko uravnoteži stroške in hkrati zagotovi majhno težo.Množična uporaba ogljikovih vlaken neizogibno povzroči težave s stroški, zato jih je mogoče uporabiti v nekaterih ključnih strukturnih komponentah, kot so podstavni vozički.
Norplex-Micarta, proizvajalec termoreaktivnih kompozitov, že več kot 50 let uspešno posluje z izdelavo materialov za uporabo v železniškem prometu, vključno z vlaki, zavornimi sistemi za lahke tirnice in električno izolacijo za dvignjene električne tirnice.Danes pa se trg podjetja širi izven sorazmerno ozke tržne niše na več aplikacij, kot so stene, strehe in tla.
Dustin Davis, direktor poslovnega razvoja za Norplex-Micarta, verjame, da bodo železniški in drugi trgi množičnega prevoza v prihodnjih letih vse bolj nudili priložnosti za njegovo podjetje, pa tudi za druge proizvajalce in dobavitelje kompozitov.Obstaja več razlogov za to pričakovano rast, eden od njih je evropsko sprejetje požarnega standarda EN 45545-2, ki uvaja strožje zahteve za zaščito pred požarom, dimom in plinom (FST) za množični promet.Z uporabo sistemov fenolnih smol lahko proizvajalci kompozitov v svoje izdelke vključijo potrebne lastnosti za zaščito pred ognjem in dimom.
Poleg tega se operaterji avtobusov, podzemnih železnic in vlakov začenjajo zavedati prednosti kompozitnih materialov pri zmanjševanju hrupnih vibracij in kakofonije."Če ste bili kdaj na podzemni železnici in ste slišali ropotanje kovinske plošče," je rekel Davis.Če je plošča iz kompozitnega materiala, bo utišala zvok in naredila vlak tišji."
Zaradi manjše teže kompozita je privlačen tudi za avtobusne prevoznike, ki jih zanima zmanjšanje porabe goriva in razširitev njegovega obsega.V poročilu iz septembra 2018 je podjetje za tržne raziskave Lucintel napovedalo, da bo svetovni trg kompozitov, ki se uporabljajo v množičnem transportu in terenskih vozilih, med letoma 2018 in 2023 rasel po letni stopnji 4,6 odstotka, s potencialno vrednostjo 1 milijarde dolarjev do leta 2023. Priložnosti bodo prišle iz različnih aplikacij, vključno z zunanjostjo, notranjostjo, deli pokrova motorja in pogonskega sklopa ter električnimi komponentami.
Norplex-Micarta zdaj proizvaja nove dele, ki se trenutno testirajo na progah lahke železnice v Združenih državah.Poleg tega se podjetje še naprej osredotoča na sisteme elektrifikacije z materiali iz neprekinjenih vlaken in jih kombinira s sistemi smol, ki se hitreje utrjujejo."Lahko zmanjšate stroške, povečate proizvodnjo in na trg prinesete polno funkcionalnost FST phenolic," je pojasnil Davis.Medtem ko so lahko kompozitni materiali dražji od podobnih kovinskih delov, Davis pravi, da cena ni odločilni dejavnik uporabe, ki ga preučujejo.
Lahek in negorljiv
Prenova flote 66 vagonov ICE-3 Express evropskega železniškega operaterja Duetsche Bahn je ena od zmogljivosti kompozitnih materialov za izpolnjevanje posebnih potreb strank.Klimatska naprava, sistem za razvedrilo potnikov in novi sedeži so vagonom ICE-3 dodali nepotrebno težo.Poleg tega prvotna tla iz vezanega lesa niso ustrezala novim evropskim požarnim standardom.Podjetje je potrebovalo rešitev za tla, da bi zmanjšala težo in izpolnila standarde požarne zaščite.Lahka kompozitna tla so odgovor.
Saertex, proizvajalec kompozitnih tkanin s sedežem v Nemčiji, ponuja sistem materialov LEO® za svoje talne obloge.Daniel Stumpp, globalni vodja trženja pri Saertex Group, je dejal, da je LEO večplastna, nenagubana tkanina, ki ponuja višje mehanske lastnosti in večji potencial za lahkotnost kot tkanine.Štirikomponentni kompozitni sistem vključuje posebne ognjeodporne premaze, materiale, ojačane s steklenimi vlakni, SAERfoam® (jedrni material z integriranimi mostovi iz 3D-fiberglasa) in LEO vinil estrske smole.
SMT (prav tako s sedežem v Nemčiji), proizvajalec kompozitnih materialov, je ustvaril tla s postopkom vakuumskega polnjenja z uporabo silikonskih vakuumskih vrečk za večkratno uporabo britanskega podjetja Alan Harper."Prihranili smo približno 50 odstotkov teže prejšnje vezane plošče," je dejal Stumpp.»Sistem LEO temelji na laminatih iz neprekinjenih vlaken s sistemom smole brez polnila z odličnimi mehanskimi lastnostmi... . Poleg tega kompozit ne gnije, kar je velika prednost, zlasti na območjih, kjer pozimi sneži in tla so mokra."Tla, zgornja preproga in gumijasti material izpolnjujejo nove standarde za zaviranje gorenja.
SMT je proizvedel več kot 32.000 kvadratnih čevljev plošč, ki so bile do danes nameščene v približno tretjino od osmih vlakov ICE-3.Med postopkom prenove se velikost vsake plošče optimizira, da ustreza določenemu avtomobilu.Proizvajalec originalne opreme limuzine ICE-3 je bil tako navdušen nad novimi kompozitnimi podi, da je naročil kompozitno streho za delno zamenjavo stare kovinske strešne konstrukcije v vagonih.
Pojdi dlje
Proterra, oblikovalec in proizvajalec brezemisijskih električnih avtobusov s sedežem v Kaliforniji, uporablja kompozitne materiale v vseh svojih karoserijah od leta 2009. Leta 2017 je podjetje postavilo rekord z vožnjo 1100 enosmernih milj na svojem baterijsko polnjenem Catalystu. ®E2 vodilo.Ta avtobus ima lahko karoserijo proizvajalca kompozitov TPI Composite.
* Pred kratkim je TPI sodeloval s Proterro pri izdelavi integriranega kompozitnega električnega avtobusa vse v enem."V tipičnem avtobusu ali tovornjaku je šasija, karoserija pa sedi na vrhu te šasije," pojasnjuje Todd Altman, direktor strateškega trženja pri TPI.Z zasnovo trdega ohišja avtobusa smo skupaj integrirali šasijo in karoserijo, podobno kot pri avtomobilu vse v enem." Ena struktura je pri izpolnjevanju zahtev glede zmogljivosti učinkovitejša od dveh ločenih struktur.
Karoserija Proterra z eno lupino je namensko izdelana, zasnovana iz nič za električno vozilo.To je pomembna razlika, je dejal Altman, saj so izkušnje številnih proizvajalcev avtomobilov in električnih avtobusov poskušale omejeno poskušati prilagoditi svoje tradicionalne zasnove motorjev z notranjim zgorevanjem električnim vozilom."Vzamejo obstoječe platforme in poskušajo zapakirati čim več baterij. Ne ponujajo najboljše rešitve z nobenega vidika."« je rekel Altman.
Številni električni avtobusi imajo na primer baterije v zadnjem delu ali na vrhu vozila.Toda za Proterro lahko TPI namesti baterijo pod avtobus."Če strukturi vozila dodajate veliko teže, želite, da je ta teža čim manjša, tako z vidika zmogljivosti kot tudi z vidika varnosti," je dejal Altman.Opozoril je, da se številni proizvajalci električnih avtobusov in avtomobilov zdaj vračajo k risalni deski, da bi razvili učinkovitejše in ciljno usmerjene modele za svoja vozila.
TPI je s Proterro sklenil petletno pogodbo za proizvodnjo do 3350 kompozitnih avtobusnih karoserij v obratih TPI v Iowi in Rhode Islandu.
Treba je prilagoditi
Zasnova ohišja avtobusa Catalyst zahteva, da TPI in Proterra nenehno usklajujeta prednosti in slabosti vseh različnih materialov, tako da lahko dosežeta stroškovne cilje in hkrati dosežeta optimalno zmogljivost.Altman je opozoril, da jim izkušnje TPI pri izdelavi velikih vetrnih lopatic, ki so dolge približno 200 čevljev in tehtajo 25.000 funtov, razmeroma olajšajo proizvodnjo 40-metrskih karoserij avtobusov, ki tehtajo med 6.000 in 10.000 funtov.
TPI lahko pridobi zahtevano strukturno trdnost s selektivno uporabo ogljikovih vlaken in njihovim ohranjanjem za ojačitev območij, ki nosijo največjo obremenitev."Ogljikova vlakna uporabljamo tam, kjer lahko v bistvu kupite avto," je dejal Altman.Na splošno ogljikova vlakna predstavljajo manj kot 10 odstotkov kompozitnega ojačitvenega materiala karoserije, ostalo pa so steklena vlakna.
TPI je izbral vinil estrsko smolo iz podobnega razloga."Ko pogledamo epokside, so odlični, ko pa jih strdiš, moraš dvigniti temperaturo, zato moraš kalup segreti. To je dodaten strošek," je nadaljeval.
Podjetje uporablja modeliranje s prenosom smole s pomočjo vakuuma (VARTM) za izdelavo kompozitnih sendvič struktur, ki zagotavljajo potrebno togost ene same lupine.Med proizvodnim procesom so nekateri kovinski priključki (kot so navojni priključki in navojne plošče) vgrajeni v telo.Avtobus je razdeljen na zgornji in spodnji del, ki ju nato zlepimo skupaj.Delavci morajo pozneje dodati majhne kompozitne okraske, kot so oklepi, vendar je število delov le delček kovinskega avtobusa.
Po pošiljanju končane karoserije v tovarno za proizvodnjo avtobusov Proterra proizvodna linija teče hitreje, ker je treba opraviti manj dela."Ni jim treba opraviti vsega varjenja, brušenja in proizvodnje in imajo zelo preprost vmesnik za povezavo karoserije s pogonom," je dodal Altman.Proterra prihrani čas in zmanjša režijske stroške, ker je za monokotično lupino potrebno manj proizvodnega prostora.
Altman verjame, da bo povpraševanje po kompozitnih karoserijah avtobusov še naprej raslo, saj se bodo mesta obračala na električne avtobuse, da bi zmanjšala onesnaževanje in znižala stroške.Po podatkih Proterre imajo baterijska električna vozila najnižje stroške življenjskega cikla (12 let) v primerjavi z dizelskimi avtobusi, avtobusi na stisnjen zemeljski plin ali dizelskimi hibridnimi avtobusi.To je morda eden od razlogov, zakaj Proterra pravi, da prodaja električnih avtobusov na baterije zdaj predstavlja 10 % celotnega transportnega trga.
Še vedno obstajajo nekatere ovire za široko uporabo kompozitnih materialov v karoseriji električnih avtobusov.Ena je specializacija za različne potrebe strank avtobusov."Vsak organ javnega prevoza želi dobiti avtobuse na drugačen način - konfiguracijo sedežev, odpiranje loput. To je velik izziv za proizvajalce avtobusov in veliko teh elementov konfiguracije bi lahko šlo k nam.""Je dejal Altman. "Proizvajalci integriranih karoserij želijo imeti standardno zgradbo, a če vsaka stranka želi visoko stopnjo prilagajanja, bo to težko narediti." TPI še naprej sodeluje s Proterro pri izboljšanju zasnove avtobusa za boljše upravljanje prilagodljivost, ki jo zahtevajo končne stranke.
Raziščite možnost
Composites še naprej preizkuša, ali so njegovi materiali primerni za nove aplikacije množičnega transporta.V Združenem kraljestvu ELG Carbon Fibre, ki je specializirano za tehnologijo za recikliranje in ponovno uporabo ogljikovih vlaken, vodi konzorcij podjetij, ki razvijajo lahke kompozitne materiale za podstavne vozičke v osebnih avtomobilih.Podstavni voziček podpira karoserijo avtomobila, vodi kolesno dvojico in ohranja njeno stabilnost.Pomagajo izboljšati udobje med vožnjo, saj absorbirajo vibracije tirnic in zmanjšajo centrifugalno silo med obračanjem vlaka.
Eden od ciljev projekta je izdelava podstavnih vozičkov, ki so 50 odstotkov lažji od primerljivih kovinskih podstavnih vozičkov."Če je podstavni voziček lažji, bo povzročil manjšo škodo na tiru, in ker bo obremenitev na tiru manjša, se lahko čas vzdrževanja in stroški vzdrževanja zmanjšajo," pravi Camille Seurat, razvojni inženir izdelkov ELG.Dodatni cilji so zmanjšati sile med kolesi in tirnicami za 40 % in zagotoviti spremljanje stanja skozi celotno življenjsko dobo.Neprofitni odbor za železniško varnost in standarde Združenega kraljestva (RSSB) financira projekt z namenom izdelave komercialno uspešnega izdelka.
Opravljeni so bili obsežni proizvodni poskusi in izdelane so bile številne testne plošče z uporabo prepregov iz stiskanja, običajnega mokrega polaganja, perfuzije in avtoklava.Ker bi bila proizvodnja podstavnih vozičkov omejena, je podjetje izbralo epoksi prepreg, strjen v avtoklavih, kot stroškovno najučinkovitejšo metodo konstrukcije.
Prototip podstavnega vozička polne velikosti je dolg 8,8 čevljev, širok 6,7 čevljev in visok 2,8 čevljev.Narejen je iz kombinacije recikliranih ogljikovih vlaken (netkane blazinice, ki jih zagotavlja ELG) in surove tkanine iz ogljikovih vlaken.Enosmerna vlakna bodo uporabljena za glavni trdnostni element in bodo postavljena v kalup z uporabo robotske tehnologije.Izbran bo epoksi z dobrimi mehanskimi lastnostmi, ki bo na novo formuliran epoksid, ki zavira gorenje in ima certifikat EN45545-2 za uporabo na železnicah.
Za razliko od jeklenih podstavnih vozičkov, ki so zvarjeni iz krmilnih nosilcev na dva stranska nosilca, bodo sestavljeni podstavni vozički izdelani z različnimi zgornjimi in spodnjimi deli, ki se nato združijo.Za zamenjavo obstoječih kovinskih podstavnih vozičkov bo morala kompozitna različica na istem mestu združiti priključne nosilce vzmetenja in zavor ter druge dodatke."Zaenkrat smo se odločili obdržati jekleno okovje, vendar bi bilo za nadaljnje projekte morda zanimivo zamenjati jekleno okovje s kompozitnim priborom, da bi lahko dodatno zmanjšali končno težo," je dejal Seurat.
Član konzorcija Sensors and Composites Group na Univerzi v Birminghamu nadzira razvoj senzorja, ki bo integriran v kompozitni podstavni voziček v fazi proizvodnje."Večina senzorjev se bo osredotočila na spremljanje napetosti na diskretnih točkah na podstavnem vozičku, drugi pa za zaznavanje temperature," je dejal Seurat.Senzorji bodo omogočali spremljanje kompozitne strukture v realnem času, kar bo omogočilo zbiranje podatkov o obremenitvi v življenjski dobi.To bo zagotovilo dragocene informacije o največji obremenitvi in dolgotrajni utrujenosti.
Predhodne študije kažejo, da bi kompozitni podstavni vozički lahko dosegli želeno zmanjšanje teže za 50 %.Projektna skupina upa, da bo velik podstavni voziček pripravljen za testiranje do sredine leta 2019.Če bo prototip deloval po pričakovanjih, bodo izdelali več podstavnih vozičkov za testiranje tramvajev Alstoma, železniškega transportnega podjetja.
Po besedah Seurata, čeprav je treba opraviti še veliko dela, prvi znaki kažejo, da je mogoče zgraditi komercialno uspešen kompozitni podstavni voziček, ki se lahko kosa s kovinskimi podstavnimi vozički po stroških in trdnosti."Potem mislim, da obstaja veliko možnosti in potencialnih aplikacij za kompozite v železniški industriji," je dodala.(Članek ponatisnjen iz Carbon Fiber and Its Composite Technology dr. Qian Xin).
Čas objave: mar-07-2023