Közel fél évszázada folynak külföldi kutatások a vasúti tranzit kompozit anyagok területén.Bár a vasúti tranzit és a nagysebességű vasút gyors fejlődése Kínában és a hazai kompozit anyagok alkalmazása ezen a területen javában zajlik, a külföldi vasúti tranzitban széles körben használt kompozit anyagok megerősített szála inkább üvegszál, ami eltér a hogy a szénszálas kompozitok Kínában.Amint azt ebben a cikkben említettük, a szénszál kevesebb, mint 10%-a a TPI Composites Company által kifejlesztett karosszéria-kompozit anyagoknak, a többi pedig üvegszál, így kiegyensúlyozza a költségeket, miközben biztosítja a könnyű súlyt.A szénszál tömeges használata elkerülhetetlenül költségnehézségekhez vezet, így egyes kulcsfontosságú szerkezeti elemekben, például forgóvázakban is használható.
A hőre keményedő kompozitokat gyártó Norplex-Micarta több mint 50 éve folyamatosan dolgozik a vasúti közlekedési alkalmazásokhoz szükséges anyagok gyártásában, beleértve a vonatokat, a könnyűsínes fékrendszereket és a megemelt elektromos sínek elektromos szigetelését.De manapság a vállalat piaca egy viszonylag szűk résen túl több alkalmazási területre, például falakra, tetőkre és padlókra bővül.
Dustin Davis, a Norplex-Micarta üzletfejlesztési igazgatója úgy véli, hogy a vasúti és más tömegközlekedési piacok a következő években egyre több lehetőséget kínálnak cége, valamint más kompozit gyártók és beszállítók számára.Ennek a várható növekedésnek több oka is van, ezek egyike az EN 45545-2 tűzvédelmi szabvány európai átvétele, amely szigorúbb tűz-, füst- és gázvédelmi (FST) követelményeket vezet be a tömeges szállításra.A fenolgyanta rendszerek használatával a kompozit gyártók beépíthetik termékeikbe a szükséges tűz- és füstvédelmi tulajdonságokat.
Ezenkívül a busz-, metró- és vonatüzemeltetők kezdik felismerni a kompozit anyagok előnyeit a zajos vibráció és a kakofónia csökkentésében.– Ha valaha is ült a metrón, és hallott fémlemez zörgését – mondta Davis.Ha a panel kompozit anyagból készül, elnémítja a hangot, és csendesebbé teszi a vonatot."
A kompozit könnyebb súlya vonzóvá teszi az üzemanyag-felhasználás csökkentésében és kínálatának bővítésében érdekelt buszüzemeltetők számára is.Egy 2018. szeptemberi jelentésében a Lucintel piackutató cég azt jósolta, hogy a tömegközlekedésben és a terepjárókban használt kompozitok globális piaca 2018 és 2023 között éves szinten 4,6 százalékkal fog növekedni, 2023-ra pedig 1 milliárd dollár potenciális értéket jelent. A lehetőségek számos alkalmazásból származnak, beleértve a külső, belső, motorháztető és hajtáslánc-alkatrészeket, valamint az elektromos alkatrészeket.
A Norplex-Micarta most új alkatrészeket gyárt, amelyeket jelenleg az Egyesült Államok kisvasútvonalain tesztelnek.Ezen túlmenően a vállalat továbbra is a folytonos szálas anyagokat tartalmazó villamosítási rendszerekre összpontosít, és ezeket gyorsabban kikeményedő gyantarendszerekkel kombinálja."Csökkentheti a költségeket, növelheti a termelést, és piacra viheti az FST fenol teljes funkcionalitását" - magyarázta Davis.Míg a kompozit anyagok drágábbak lehetnek, mint a hasonló fém alkatrészek, Davis szerint a költség nem az alkalmazást meghatározó tényező, amelyet tanulmányoznak.
Könnyű és lángálló
A Duetsche Bahn európai vasúttársaság 66 darab ICE-3 Express kocsiból álló flottájának felújítása a kompozit anyagok egyik olyan képessége, amely megfelel az ügyfelek speciális igényeinek.A légkondicionáló rendszer, az utasok szórakoztató rendszere és az új ülések szükségtelenül növelték az ICE-3 vasúti kocsikat.Ráadásul az eredeti rétegelt lemez padlóburkolat nem felelt meg az új európai tűzvédelmi szabványoknak.A cégnek olyan padlóburkolati megoldásra volt szüksége, amely segít csökkenteni a súlyt és megfelelni a tűzvédelmi szabványoknak.A könnyű kompozit padló a válasz.
A Saertex, a németországi székhelyű kompozit szöveteket gyártó LEO® anyagrendszert kínál padlójához.Daniel Stumpp, a Saertex Group globális marketingvezetője elmondta, hogy a LEO egy réteges, nem hullámosított szövet, amely jobb mechanikai tulajdonságokat és nagyobb könnyű súlyt kínál, mint a szőtt szövetek.A négykomponensű kompozit rendszer speciális tűzálló bevonatokat, üvegszállal megerősített anyagokat, SAERfoam®-t (a maganyag integrált 3D-s üvegszálas hidakkal) és LEO vinil-észter gyantákat tartalmaz.
Az SMT (szintén németországi székhelyű), egy kompozit anyagokat gyártó cég a padlót vákuumtöltési eljárással készítette el újrafelhasználható szilícium vákuumzacskókkal, amelyet Alan Harper, egy brit cég gyártott."Az előző rétegelt lemez súlyának körülbelül 50 százalékát megtakarítottuk" - mondta Stumpp."A LEO rendszer folyamatos szálas laminátumokra épül, kitűnő mechanikai tulajdonságokkal rendelkező nem töltött gyantarendszerrel... . Ráadásul a kompozit nem rothad, ami nagy előny, különösen azokon a területeken, ahol télen esik a hó és a nedves a padló."A padló, a felső szőnyeg és a gumi anyaga mind megfelel az új égésgátló szabványoknak.
Az SMT több mint 32 000 négyzetláb panelt gyártott, amelyeket az eddigi nyolc ICE-3 vonat körülbelül egyharmadába szereltek be.A felújítási folyamat során az egyes panelek méretét úgy optimalizálják, hogy egy adott autóhoz illeszkedjenek.Az ICE-3 szedán OEM-jét annyira lenyűgözte az új kompozit padlóburkolat, hogy kompozit tetőt rendelt a vasúti kocsik régi fém tetőszerkezetének részleges helyettesítésére.
Menj tovább
A Proterra, a kaliforniai székhelyű, nulla emissziós elektromos buszok tervezője és gyártója 2009 óta használ kompozit anyagokat minden karosszériájában. 2017-ben a cég rekordot döntött azzal, hogy 1100 egyirányú mérföldet tett meg akkumulátoros katalizátorával. ®E2 busz.Ennek a busznak könnyű karosszériája van, amelyet a kompozit gyártó TPI Composite készített.
* A közelmúltban a TPI együttműködött a Proterrával egy integrált, minden az egyben kompozit elektromos busz létrehozásában."Egy tipikus buszban vagy teherautóban van egy alváz, és a karosszéria a tetején ül" - magyarázza Todd Altman, a TPI stratégiai marketing igazgatója.A busz kemény héjú kialakításával az alvázat és a karosszériát egybeépítettük, hasonlóan a többfunkciós autó kialakításához." Egyetlen szerkezet hatékonyabban teljesíti a teljesítménykövetelményeket, mint két különálló szerkezet.
A Proterra egyhéjú karosszériája erre a célra készült, a semmiből elektromos járművé tervezték.Ez egy fontos különbség, mondta Altman, mivel sok autógyártó és elektromos buszgyártó tapasztalata az volt, hogy korlátozott kísérleteket tettek arra, hogy hagyományos belső égésű motorjaikat az elektromos járművekhez igazítsák."Elfoglalják a meglévő platformokat, és megpróbálnak minél több akkumulátort bepakolni. Ez semmilyen szempontból nem a legjobb megoldást kínálja."– mondta Altman.
Sok elektromos buszban például akkumulátorok vannak a jármű hátuljában vagy tetején.De a Proterra esetében a TPI képes az akkumulátort a busz alá szerelni."Ha nagy súlyt ad hozzá a jármű szerkezetéhez, azt szeretné, ha ez a tömeg a lehető legkönnyebb legyen, mind teljesítmény, mind biztonsági szempontból" - mondta Altman.Megjegyezte, hogy sok elektromos busz- és autógyártó most visszatér a rajzasztalhoz, hogy hatékonyabb és célzottabb terveket dolgozzon ki járműveihez.
A TPI öt évre szóló megállapodást kötött a Proterrával, hogy akár 3350 kompozit autóbusz-karosszériát gyártsanak le a TPI iowai és rhode-szigeti létesítményeiben.
Testre kell szabni
A Catalyst busztest tervezése megköveteli, hogy a TPI-nek és a Proterrának folyamatosan egyensúlyba kell hoznia a különböző anyagok erősségeit és gyengeségeit, hogy megfeleljenek a költségcéloknak, miközben optimális teljesítményt érnek el.Altman megjegyezte, hogy a TPI nagyméretű, körülbelül 200 láb hosszú és 25 000 font súlyú széllapátok gyártásában szerzett tapasztalata miatt viszonylag könnyen tudnak 6000 és 10 000 font közötti tömegű, 40 láb hosszú busztesteket gyártani.
A TPI úgy tudja elérni a szükséges szerkezeti szilárdságot, hogy szelektíven alkalmazza a szénszálat és megtartja a legnagyobb terhelést viselő területek megerősítésére."Színszálat használunk, ahol alapvetően autót vásárolhat" - mondta Altman.Összességében a szénszál a test kompozit erősítőanyagának kevesebb mint 10 százalékát teszi ki, a többi üvegszál.
A TPI hasonló okból választotta a vinil-észter gyantát."Ha az epoxikat nézzük, nagyszerűek, de amikor kikeményítjük őket, emelni kell a hőmérsékletet, tehát fel kell melegíteni a formát. Ez többletköltség" - folytatta.
A vállalat vákuum-asszisztált gyantatranszfer öntést (VARTM) használ olyan kompozit szendvicsszerkezetek előállítására, amelyek biztosítják a szükséges merevséget egyetlen héjnak.A gyártási folyamat során néhány fémszerelvényt (például menetes szerelvényeket és menetfúró lemezeket) építenek be a testbe.A busz felső és alsó részekre van osztva, amelyeket ezután összeragasztanak.A dolgozóknak később apró kompozit díszítéseket, például burkolatokat kell hozzáadniuk, de az alkatrészek száma a fémbusz töredéke.
Miután a kész karosszériát a Proterra buszgyártó üzembe küldték, gyorsabban folyik a gyártósor, mert kevesebb a munka."Nem kell elvégezniük az összes hegesztést, köszörülést és gyártást, és nagyon egyszerű interfészük van a karosszéria és a hajtáslánc összekapcsolásához" - tette hozzá Altman.A Proterra időt takarít meg és csökkenti a rezsiköltséget, mivel kevesebb gyártási területre van szükség az egyszikű héjhoz.
Altman úgy véli, hogy a kompozit autóbusz-karosszériák iránti kereslet tovább fog növekedni, ahogy a városok az elektromos buszok felé fordulnak a környezetszennyezés és a költségek csökkentése érdekében.A Proterra szerint az akkumulátoros elektromos járműveknek a legalacsonyabb az élettartama (12 év) a dízel-, sűrített földgáz- vagy dízel hibrid buszokhoz képest.Ez lehet az egyik oka annak, hogy a Proterra azt állítja, hogy az akkumulátoros elektromos buszok értékesítése a teljes szállítási piac 10%-át teszi ki.
Még mindig vannak akadályok a kompozit anyagok elektromos busztestekben való széles körű alkalmazása előtt.Az egyik a különböző buszos ügyfelek igényeire való specializáció."Minden közlekedési hatóság más módon szereti beszerezni a buszokat – üléskonfigurációt, ajtónyílást. Ez nagy kihívás a buszgyártók számára, és sok ilyen konfigurációs elem hozzánk kerülhet.""Altman mondta. "Az integrált karosszériagyártók szabványos felépítést szeretnének, de ha minden ügyfél magas fokú testreszabást akar, akkor ezt nehéz lesz megtenni." A TPI továbbra is együttműködik a Proterrával a busz kialakításának fejlesztése érdekében a jobb kezelés érdekében. a végfelhasználók által megkövetelt rugalmasság.
Fedezze fel a lehetőséget
A Composites folyamatosan teszteli, hogy anyagai alkalmasak-e új tömegszállítási alkalmazásokra.Az Egyesült Királyságban a szénszálak újrahasznosítására és újrafelhasználására szakosodott ELG Carbon Fibre vezeti a személygépkocsik forgóvázaihoz könnyű kompozit anyagokat fejlesztő cégekből álló konzorciumot.A forgóváz megtámasztja az autó karosszériáját, vezeti a kerékpárt és megőrzi annak stabilitását.Segítenek javítani a menetkényelmet azáltal, hogy elnyelik a sínrezgéseket és minimalizálják a centrifugális erőt a vonat fordulásakor.
A projekt egyik célja olyan forgóvázak gyártása, amelyek 50 százalékkal könnyebbek, mint a hasonló fém forgóvázak."Ha a forgóváz könnyebb, kevesebb kárt okoz a pályán, és mivel kisebb lesz a pálya terhelése, csökkenthető a karbantartási idő és a karbantartási költségek" - mondja Camille Seurat, az ELG termékfejlesztő mérnöke.További célkitűzések az oldalról a sínre ható kerekek erőinek 40%-os csökkentése, valamint az élettartamra vonatkozó állapotfigyelés biztosítása.Az Egyesült Királyság non-profit Vasúti Biztonsági és Szabványügyi Tanácsa (RSSB) finanszírozza a projektet azzal a céllal, hogy kereskedelmileg életképes terméket állítsanak elő.
Kiterjedt gyártási kísérleteket végeztek, és számos tesztpanelt készítettek préselésből, hagyományos nedves fektetésből, perfúzióból és autoklávból származó prepregek felhasználásával.Mivel a forgóvázak gyártása korlátozott lenne, a vállalat az autoklávokban kikeményített epoxi prepreg-et választotta a legköltséghatékonyabb építési módnak.
A teljes méretű forgóváz prototípus 8,8 láb hosszú, 6,7 láb széles és 2,8 láb magas.Újrahasznosított szénszál (az ELG által biztosított nemszőtt párna) és nyers szénszálas szövet kombinációjából készült.Az egyirányú szálakat a fő szilárdsági elemhez használják majd, és robottechnológiával helyezik el a formába.Jó mechanikai tulajdonságokkal rendelkező epoxit választanak ki, amely egy új összetételű égésgátló epoxi, amely EN45545-2 tanúsítvánnyal rendelkezik vasúti használatra.
Az acél forgóvázaktól eltérően, amelyeket kormánygerendákból két oldalsó gerendára hegesztenek, a kompozit forgóvázak különböző felső és alsó részekkel készülnek, amelyeket aztán összeillesztenek.A meglévő fém forgóvázak cseréjéhez a kompozit változatnak ugyanabban a helyzetben kell kombinálnia a felfüggesztést és a fékcsatlakozó konzolokat, valamint az egyéb tartozékokat."Egyelőre úgy döntöttünk, hogy megtartjuk az acélszerelvényeket, de a további projekteknél érdekes lehet az acélszerelvényeket kompozit típusú szerelvényekre cserélni, hogy tovább csökkenthessük a végső súlyt" - mondta Seurat.
A Birminghami Egyetem Sensors and Composites Group konzorciumi tagja felügyeli az érzékelő fejlesztését, amelyet a gyártási szakaszban integrálnak a kompozit forgóvázba."A legtöbb érzékelő a forgóváz diszkrét pontjain lévő feszültség figyelésére összpontosít, míg mások a hőmérséklet érzékelésére szolgálnak" - mondta Seurat.Az érzékelők lehetővé teszik a kompozit szerkezet valós idejű megfigyelését, lehetővé téve az élettartamra vonatkozó terhelési adatok gyűjtését.Ez értékes információkat nyújt a csúcsterhelésről és a hosszú távú fáradtságról.
Az előzetes tanulmányok azt mutatják, hogy a kompozit forgóvázaknak képesnek kell lenniük a kívánt 50%-os tömegcsökkentés elérésére.A projektcsapat azt reméli, hogy 2019 közepére készen áll egy nagy forgóváz a tesztelésre.Ha a prototípus a vártnak megfelelően teljesít, további forgóvázakat gyártanak az Alstom, a vasúti közlekedési vállalat által gyártott villamosok tesztelésére.
Seurat szerint bár még sok a tennivaló, a korai jelek arra utalnak, hogy lehetséges egy kereskedelmileg életképes kompozit forgóvázat építeni, amely költségben és szilárdságban versenyezhet a fém forgóvázakkal."Akkor úgy gondolom, hogy a vasúti iparban sok lehetőség és potenciális alkalmazási lehetőség kínálkozik a kompozitok számára" - tette hozzá.(Dr. Qian Xin által újranyomtatott cikk a Carbon Fiber and its Composite Technology című könyvéből).
Feladás időpontja: 2023-07-07