Zahraničný výskum v oblasti kompozitných materiálov pre železničnú dopravu prebieha už takmer pol storočia.Hoci rýchly rozvoj železničnej dopravy a vysokorýchlostnej železnice v Číne a aplikácia domácich kompozitných materiálov v tejto oblasti sú v plnom prúde, vystužené vlákno z kompozitných materiálov široko používané v zahraničnej železničnej doprave je viac sklenené vlákno, ktoré sa líši od kompozitov z uhlíkových vlákien v Číne.Ako je uvedené v tomto článku, uhlíkové vlákna tvoria menej ako 10 % kompozitných materiálov pre karosériu vyvinutých spoločnosťou TPI Composites Company a zvyšok tvoria sklenené vlákna, takže môžu vyvážiť náklady a zároveň zabezpečiť nízku hmotnosť.Masívne používanie uhlíkových vlákien nevyhnutne vedie k problémom s nákladmi, takže sa môžu použiť v niektorých kľúčových konštrukčných komponentoch, ako sú podvozky.
Spoločnosť Norplex-Micarta, výrobca termosetových kompozitov, má už viac ako 50 rokov stabilné podnikanie v oblasti výroby materiálov pre železničnú dopravu, vrátane vlakov, brzdových systémov ľahkých koľajníc a elektrickej izolácie pre zvýšené elektrické koľajnice.Dnes sa však trh spoločnosti rozširuje za relatívne úzky výklenok do viacerých aplikácií, ako sú steny, strechy a podlahy.
Dustin Davis, riaditeľ rozvoja podnikania pre Norplex-Micarta, verí, že železničné a iné trhy hromadnej dopravy budú v nadchádzajúcich rokoch čoraz viac poskytovať príležitosti pre jeho spoločnosť, ako aj pre ďalších výrobcov a dodávateľov kompozitných materiálov.Dôvodov tohto očakávaného rastu je niekoľko, jedným z nich je európske prijatie požiarnej normy EN 45545-2, ktorá zavádza prísnejšie požiadavky na ochranu pred požiarmi, dymom a plynmi (FST) pre hromadnú dopravu.Použitím systémov fenolovej živice môžu výrobcovia kompozitov začleniť do svojich produktov potrebné vlastnosti protipožiarnej a dymovej ochrany.
Prevádzkovatelia autobusov, metra a vlakov si navyše začínajú uvedomovať výhody kompozitných materiálov pri znižovaní hlučných vibrácií a kakofónie."Ak ste niekedy boli v metre a počuli ste rachotiť kovovú platňu," povedal Davis.Ak je panel vyrobený z kompozitného materiálu, stlmí zvuk a vlak bude tichší.“
Nízka hmotnosť kompozitu ho robí atraktívnym aj pre prevádzkovateľov autobusov, ktorí majú záujem znížiť spotrebu paliva a rozšíriť svoj sortiment.V správe zo septembra 2018 spoločnosť Lucintel pre prieskum trhu predpovedala, že svetový trh s kompozitmi používanými v hromadnej doprave a terénnych vozidlách porastie medzi rokmi 2018 a 2023 ročným tempom 4,6 percenta s potenciálnou hodnotou 1 miliardy USD do roku 2023. Príležitosti budú pochádzať z rôznych aplikácií, vrátane exteriéru, interiéru, častí kapoty a hnacieho ústrojenstva a elektrických komponentov.
Norplex-Micarta teraz vyrába nové diely, ktoré sa v súčasnosti testujú na ľahkých železničných tratiach v Spojených štátoch.Okrem toho sa spoločnosť naďalej zameriava na elektrifikačné systémy s nekonečnými vláknitými materiálmi a kombinuje ich s rýchlejšie vytvrdzujúcimi živicovými systémami."Môžete znížiť náklady, zvýšiť produkciu a uviesť na trh plnú funkčnosť FST fenolu," vysvetlil Davis.Zatiaľ čo kompozitné materiály môžu byť drahšie ako podobné kovové časti, Davis hovorí, že cena nie je rozhodujúcim faktorom aplikácie, ktorý študujú.
Ľahký a spomaľujúci horenie
Rekonštrukcia vozového parku európskeho železničného operátora Duetsche Bahn so 66 vozňami ICE-3 Express je jednou zo schopností kompozitných materiálov splniť špecifické potreby zákazníkov.Klimatizácia, systém zábavy pre cestujúcich a nové sedadlá pridali železničným vozňom ICE-3 zbytočnú váhu.Pôvodná preglejková podlaha navyše nespĺňala nové európske protipožiarne normy.Spoločnosť potrebovala podlahové riešenie, ktoré by pomohlo znížiť hmotnosť a splniť normy požiarnej ochrany.Ľahká kompozitná podlaha je odpoveďou.
Saertex, výrobca kompozitných tkanín so sídlom v Nemecku, ponúka materiálový systém LEO® pre svoje podlahy.Daniel Stumpp, globálny vedúci marketingu v Saertex Group, povedal, že LEO je vrstvená, nezvlnená látka, ktorá ponúka vyššie mechanické vlastnosti a väčší potenciál nízkej hmotnosti ako tkané látky.Štvorzložkový kompozitný systém zahŕňa špeciálne ohňovzdorné nátery, materiály vystužené sklenými vláknami, SAERfoam® (materiál jadra s integrovanými 3D-sklenými mostíkmi) a LEO vinylesterové živice.
SMT (tiež so sídlom v Nemecku), výrobca kompozitných materiálov, vytvoril podlahu procesom vákuového plnenia pomocou opakovane použiteľných silikónových vákuových vreciek vyrobených britskou spoločnosťou Alan Harper."Ušetrili sme asi 50 percent hmotnosti z predchádzajúcej preglejky," povedal Stumpp.„Systém LEO je založený na spojitých vláknitých laminátoch s neplneným živicovým systémom s výbornými mechanickými vlastnosťami... . Kompozit navyše nehnije, čo je veľká výhoda najmä v oblastiach, kde v zime sneží a napr. podlaha je mokrá."Podlaha, vrchný koberec a gumový materiál spĺňajú nové normy spomaľujúce horenie.
SMT vyrobila viac ako 32 000 štvorcových stôp panelov, ktoré boli doteraz inštalované v približne tretine z ôsmich vlakov ICE-3.Počas procesu renovácie sa veľkosť každého panelu optimalizuje tak, aby vyhovoval konkrétnemu vozidlu.Výrobca OEM sedanu ICE-3 bol tak ohromený novou kompozitnou podlahou, že si objednal kompozitnú strechu, ktorá čiastočne nahradila starú kovovú strešnú konštrukciu v železničných vozňoch.
Pokračuj
Proterra, kalifornský dizajnér a výrobca elektrobusov s nulovými emisiami, používa kompozitné materiály vo všetkých svojich karosériách od roku 2009. V roku 2017 spoločnosť vytvorila rekord najazdením 1 100 jednosmerných míľ na svojom batériou nabitom katalyzátore ® autobus E2.Tento autobus má ľahkú karosériu vyrobenú výrobcom kompozitov TPI Composite.
* Nedávno spoločnosť TPI spolupracovala so spoločnosťou Proterra na výrobe integrovaného kompozitného elektrického autobusu typu všetko v jednom.„V typickom autobuse alebo kamióne je podvozok a karoséria sedí na tomto podvozku,“ vysvetľuje Todd Altman, riaditeľ strategického marketingu v TPI.Vďaka tvrdej škrupinovej konštrukcii autobusu sme spojili podvozok a karosériu dohromady, podobne ako pri konštrukcii automobilu typu všetko v jednom." Jedna konštrukcia je pri plnení výkonnostných požiadaviek efektívnejšia ako dve samostatné konštrukcie.
Jednoplášťová karoséria Proterra je účelová, navrhnutá od základov ako elektrické vozidlo.To je dôležitý rozdiel, povedal Altman, pretože skúsenosť mnohých výrobcov automobilov a výrobcov elektrických autobusov spočívala v skúšaní obmedzených pokusov prispôsobiť svoje tradičné konštrukcie spaľovacích motorov elektrickým vozidlám."Berú existujúce platformy a snažia sa zabaliť čo najviac batérií. Zo žiadneho hľadiska to neponúka najlepšie riešenie."“ povedal Altman.
Veľa elektrobusov má napríklad batérie v zadnej časti alebo na vrchu vozidla.Ale pre Proterru je TPI schopný namontovať batériu pod autobus."Ak pridávate veľkú váhu do konštrukcie vozidla, chcete, aby táto hmotnosť bola čo najľahšia, a to z hľadiska výkonu aj z hľadiska bezpečnosti," povedal Altman.Poznamenal, že mnohí výrobcovia elektrických autobusov a automobilov sa teraz vracajú k rysovacej doske, aby vyvinuli efektívnejšie a cielenejšie návrhy svojich vozidiel.
TPI uzavrela päťročnú zmluvu s Proterrou na výrobu až 3 350 kompozitných karosérií autobusov v závodoch TPI v Iowe a na Rhode Islande.
Treba prispôsobiť
Navrhovanie karosérie autobusu Catalyst vyžaduje, aby TPI a Proterra neustále vyvažovali silné a slabé stránky všetkých rôznych materiálov tak, aby mohli splniť nákladové ciele a zároveň dosiahnuť optimálny výkon.Altman poznamenal, že vďaka skúsenostiam spoločnosti TPI s výrobou veľkých veterných lopatiek, ktoré sú dlhé asi 200 stôp a vážia 25 000 libier, je relatívne ľahké vyrábať karosérie autobusov s dĺžkou 40 stôp, ktoré vážia 6 000 až 10 000 libier.
TPI je schopný získať požadovanú štrukturálnu pevnosť selektívnym použitím uhlíkových vlákien a ich udržaním na vystuženie oblastí, ktoré znášajú najväčšie zaťaženie."Používame uhlíkové vlákna tam, kde si v podstate môžete kúpiť auto," povedal Altman.Celkovo tvoria uhlíkové vlákna menej ako 10 percent kompozitného výstužného materiálu karosérie, zvyšok tvoria sklenené vlákna.
Z podobného dôvodu si TPI vybrala vinylesterovú živicu."Keď sa pozrieme na epoxidy, sú skvelé, ale keď ich vytvrdíte, musíte zvýšiť teplotu, takže musíte zahriať formu. Sú to ďalšie náklady," pokračoval.
Spoločnosť používa vákuovo podporované lisovanie živice (VARTM) na výrobu kompozitných sendvičových štruktúr, ktoré poskytujú potrebnú tuhosť jednej škrupine.Počas výrobného procesu sú do tela zabudované niektoré kovové armatúry (ako sú závitové armatúry a závitové dosky).Autobus je rozdelený na hornú a spodnú časť, ktoré sú následne zlepené.Pracovníci musia neskôr pridať malé kompozitné ozdoby, ako sú kapotáže, ale počet dielov je zlomkom kovového autobusu.
Po odoslaní hotovej karosérie do výrobného závodu autobusov Proterra výrobná linka plynie rýchlejšie, pretože je tu menej práce.„Nemusia robiť všetko zváranie, brúsenie a výrobu a majú veľmi jednoduché rozhranie na pripojenie karosérie k hnaciemu ústrojenstvu,“ dodal Altman.Proterra šetrí čas a znižuje režijné náklady, pretože pre monokotickú škrupinu je potrebný menší výrobný priestor.
Altman verí, že dopyt po kompozitných karosériách autobusov bude naďalej rásť, keďže mestá prechádzajú na elektrické autobusy, aby znížili znečistenie a znížili náklady.Podľa Proterra majú batériové elektrické vozidlá najnižšie náklady na prevádzkový životný cyklus (12 rokov) v porovnaní s dieselovými autobusmi, autobusmi na stlačený zemný plyn alebo dieselovými hybridnými autobusmi.To môže byť jeden z dôvodov, prečo spoločnosť Proterra tvrdí, že predaj elektrických autobusov poháňaných batériami v súčasnosti predstavuje 10 % z celkového dopravného trhu.
Širokému použitiu kompozitných materiálov v karosérii elektrických autobusov stále bránia určité prekážky.Jedným z nich je špecializácia potrieb rôznych zákazníkov autobusov."Každý dopravný orgán rád získava autobusy iným spôsobom - konfigurácia sedadiel, otváranie poklopov. Je to veľká výzva pre výrobcov autobusov a mnohé z týchto konfiguračných položiek by mohli ísť k nám.""Altman povedal: "Výrobcovia integrovaných karosérií chcú mať štandardnú konštrukciu, ale ak chce každý zákazník vysoký stupeň prispôsobenia, bude ťažké to urobiť." TPI pokračuje v spolupráci so spoločnosťou Proterra na vylepšení dizajnu autobusu, aby sa lepšie spravoval flexibilitu vyžadovanú koncovými zákazníkmi.
Preskúmajte možnosť
Composites pokračuje v testovaní, či sú jej materiály vhodné pre nové aplikácie hromadnej dopravy.Vo Veľkej Británii vedie spoločnosť ELG Carbon Fibre, ktorá sa špecializuje na technológiu recyklácie a opätovného použitia uhlíkových vlákien, konzorcium spoločností vyvíjajúcich ľahké kompozitné materiály pre podvozky osobných automobilov.Podvozok podopiera korbu auta, vedie dvojkolesie a udržuje jeho stabilitu.Pomáhajú zlepšiť jazdný komfort tým, že absorbujú vibrácie koľajnice a minimalizujú odstredivú silu pri otáčaní vlaku.
Jedným z cieľov projektu je vyrábať podvozky, ktoré sú o 50 percent ľahšie ako porovnateľné kovové podvozky.„Ak je podvozok ľahší, spôsobí menšie poškodenie trate, a keďže zaťaženie trate bude nižšie, možno skrátiť čas na údržbu a náklady na údržbu,“ hovorí Camille Seurat, inžinier vývoja produktov ELG.Ďalšími cieľmi je znížiť sily pôsobiace na kolesá o 40 % a zabezpečiť monitorovanie stavu počas životnosti.Projekt financuje britská nezisková rada pre bezpečnosť a štandardy železníc (RSSB) s cieľom vyrobiť komerčne životaschopný produkt.
Uskutočnili sa rozsiahle výrobné skúšky a vyrobilo sa množstvo testovacích panelov s použitím predimpregnovaných laminátov z lisovania, konvenčného mokrého kladenia, perfúzie a autoklávu.Pretože výroba podvozkov by bola obmedzená, spoločnosť zvolila epoxidový predimpregnovaný laminát vytvrdzovaný v autoklávoch ako cenovo najefektívnejší spôsob konštrukcie.
Prototyp podvozku v plnej veľkosti je 8,8 stopy dlhý, 6,7 stopy široký a 2,8 stopy vysoký.Je vyrobená z kombinácie recyklovaných uhlíkových vlákien (netkané podložky poskytnuté spoločnosťou ELG) a tkaniny zo surového uhlíkového vlákna.Jednosmerné vlákna budú použité ako hlavný pevnostný prvok a budú umiestnené do formy pomocou robotickej technológie.Vyberie sa epoxid s dobrými mechanickými vlastnosťami, ktorým bude novo formulovaný epoxid spomaľujúci horenie, ktorý bol certifikovaný podľa EN45545-2 pre použitie na železnici.
Na rozdiel od oceľových podvozkov, ktoré sú privarené z riadiacich nosníkov k dvom bočným nosníkom, budú kompozitné podvozky vyrobené s rôznymi vrchmi a spodkami, ktoré sa potom spoja.Na nahradenie existujúcich kovových podvozkov bude musieť kompozitná verzia kombinovať konzoly zavesenia a brzdy a ďalšie príslušenstvo v rovnakej polohe."Nateraz sme sa rozhodli ponechať oceľové tvarovky, ale pre ďalšie projekty by mohlo byť zaujímavé nahradiť oceľové tvarovky tvarovkami kompozitného typu, aby sme mohli ešte viac znížiť konečnú hmotnosť," povedal Seurat.
Člen konzorcia Sensors and Composites Group na univerzite v Birminghame dohliada na vývoj senzora, ktorý bude integrovaný do kompozitného podvozku vo fáze výroby."Väčšina senzorov sa zameria na monitorovanie napätia v diskrétnych bodoch na podvozku, zatiaľ čo iné sú na snímanie teploty," povedal Seurat.Senzory umožnia monitorovanie kompozitnej konštrukcie v reálnom čase, čo umožní zhromažďovanie údajov o zaťažení počas životnosti.To poskytne cenné informácie o špičkovom zaťažení a dlhodobej únave.
Predbežné štúdie naznačujú, že kompozitné podvozky by mali byť schopné dosiahnuť požadované zníženie hmotnosti o 50 %.Projektový tím dúfa, že do polovice roka 2019 bude mať pripravený veľký podvozok na testovanie.Ak bude prototyp fungovať podľa očakávania, vyrobia viac podvozkov na testovanie električiek vyrobených spoločnosťou Alstom, železničnou dopravnou spoločnosťou.
Podľa Seurata, hoci je ešte potrebné vykonať veľa práce, prvé náznaky naznačujú, že je možné postaviť komerčne životaschopný kompozitný podvozok, ktorý môže konkurovať kovovým podvozkom v nákladoch a pevnosti."Potom si myslím, že existuje veľa možností a potenciálnych aplikácií pre kompozity v železničnom priemysle," dodala.(Článok pretlačený z Carbon Fiber and Its Composite Technology od Dr. Qian Xin).
Čas odoslania: Mar-07-2023