Ārvalstu pētījumi dzelzceļa tranzīta kompozītmateriālu jomā tiek veikti gandrīz pusgadsimtu.Lai gan straujā dzelzceļa tranzīta un ātrgaitas dzelzceļa attīstība Ķīnā un vietējo kompozītmateriālu pielietošana šajā jomā rit pilnā sparā, ārvalstu dzelzceļa tranzītā plaši izmantotā kompozītmateriālu pastiprinātā šķiedra ir vairāk stikla šķiedra, kas atšķiras no oglekļa šķiedras kompozītmateriāliem Ķīnā.Kā minēts šajā rakstā, oglekļa šķiedra ir mazāk nekā 10% no kompozītmateriāliem korpusam, ko izstrādājis TPI Composites Company, un pārējais ir stikla šķiedra, tāpēc tā var līdzsvarot izmaksas, vienlaikus nodrošinot vieglumu.Oglekļa šķiedras masveida izmantošana neizbēgami rada izmaksu grūtības, tāpēc to var izmantot dažos galvenajos konstrukcijas komponentos, piemēram, ratiņos.
Vairāk nekā 50 gadus uzņēmums Norplex-Micarta, termoreaktīvo kompozītmateriālu ražotājs, ir pastāvīgi strādājis, ražojot materiālus dzelzceļa tranzītam, tostarp vilcieniem, vieglo sliežu bremžu sistēmām un paaugstinātu elektrisko sliežu elektrisko izolāciju.Taču šodien uzņēmuma tirgus paplašinās ārpus salīdzinoši šauras nišas, iekļaujot citus lietojumus, piemēram, sienas, jumtus un grīdas.
Norplex-Micarta biznesa attīstības direktors Dastins Deiviss uzskata, ka dzelzceļš un citi masu pārvadājumu tirgi viņa uzņēmumam, kā arī citiem kompozītmateriālu ražotājiem un piegādātājiem turpmākajos gados sniegs arvien lielākas iespējas.Šai paredzamajai izaugsmei ir vairāki iemesli, viens no tiem ir ugunsdrošības standarta EN 45545-2 pieņemšana Eiropā, kas ievieš stingrākas uguns, dūmu un gāzes aizsardzības (FST) prasības masu transportam.Izmantojot fenola sveķu sistēmas, kompozītmateriālu ražotāji savos izstrādājumos var iekļaut nepieciešamās uguns un dūmu aizsardzības īpašības.
Turklāt autobusu, metro un vilcienu operatori sāk apzināties kompozītmateriālu priekšrocības trokšņainas vibrācijas un kakofonijas samazināšanā."Ja kādreiz esat bijis metro un dzirdējis metāla plāksnes grabēšanu," sacīja Deiviss.Ja panelis ir izgatavots no kompozītmateriāla, tas izslēgs skaņu un padarīs vilcienu klusāku."
Vieglākais kompozītmateriāla svars padara to pievilcīgu arī autobusu operatoriem, kuri vēlas samazināt degvielas patēriņu un paplašināt tā klāstu.2018. gada septembra ziņojumā tirgus izpētes uzņēmums Lucintel prognozēja, ka globālais kompozītmateriālu tirgus, ko izmanto masu pārvadājumos un apvidus transportlīdzekļos, no 2018. līdz 2023. gadam pieaugs par 4,6 procentiem gadā, un potenciālā vērtība līdz 2023. gadam būs 1 miljards ASV dolāru. Iespējas būs no dažādiem lietojumiem, tostarp ārpuses, salona, pārsega un spēka piedziņas daļām, kā arī elektriskām sastāvdaļām.
Norplex-Micarta tagad ražo jaunas detaļas, kuras pašlaik tiek testētas uz vieglā dzelzceļa līnijām Amerikas Savienotajās Valstīs.Turklāt uzņēmums turpina koncentrēties uz elektrifikācijas sistēmām ar nepārtrauktas šķiedras materiāliem un apvieno tās ar ātrāk cietējošu sveķu sistēmām."Jūs varat samazināt izmaksas, palielināt ražošanu un laist tirgū visu FST fenola funkcionalitāti," skaidroja Deiviss.Lai gan kompozītmateriāli var būt dārgāki nekā līdzīgas metāla daļas, Deiviss saka, ka izmaksas nav noteicošais faktors, ko viņi pēta.
Viegls un liesmu slāpējošs
Eiropas dzelzceļa operatora Duetsche Bahn 66 ICE-3 Express vagonu flotes atjaunošana ir viena no kompozītmateriālu iespējām, lai apmierinātu klientu specifiskās vajadzības.Gaisa kondicionēšanas sistēma, pasažieru izklaides sistēma un jauni sēdekļi ICE-3 dzelzceļa vagoniem pievienoja nevajadzīgu svaru.Turklāt oriģinālais saplākšņa grīdas segums neatbilda jaunajiem Eiropas ugunsdrošības standartiem.Uzņēmumam bija nepieciešams grīdas seguma risinājums, lai palīdzētu samazināt svaru un atbilstu ugunsdrošības standartiem.Atbilde ir viegla kompozītmateriāla grīda.
Vācijā bāzētais kompozītmateriālu ražotājs Saertex grīdas segumam piedāvā LEO® materiālu sistēmu.Daniels Stumps, Saertex Group globālais mārketinga vadītājs, sacīja, ka LEO ir slāņains, nesaburzīts audums, kas piedāvā augstākas mehāniskās īpašības un lielāku viegluma potenciālu nekā austi audumi.Četru komponentu kompozītmateriālu sistēma ietver īpašus ugunsizturīgus pārklājumus, ar stikla šķiedru pastiprinātus materiālus, SAERfoam® (pamatmateriāls ar integrētiem 3D stikla šķiedras tiltiem) un LEO vinila estera sveķus.
Kompozītmateriālu ražotājs SMT (arī Vācijā) izveidoja grīdu, izmantojot vakuuma pildīšanas procesu, izmantojot atkārtoti lietojamus silīcija vakuuma maisiņus, ko izgatavojis Lielbritānijas uzņēmums Alans Hārpers."Mēs ietaupījām apmēram 50 procentus no iepriekšējā saplākšņa svara," sacīja Stumps."LEO sistēmas pamatā ir vienlaidu šķiedru lamināti ar nepildītu sveķu sistēmu ar izcilām mehāniskām īpašībām... . Turklāt kompozīts nepūst, kas ir liela priekšrocība, jo īpaši vietās, kur ziemā snieg un grīda ir slapja."Grīda, augšējais paklājs un gumijas materiāls atbilst jaunajiem liesmas slāpēšanas standartiem.
SMT ir saražojis vairāk nekā 32 000 kvadrātpēdu paneļu, kas ir uzstādīti aptuveni trešdaļā no astoņiem ICE-3 vilcieniem līdz šim.Atjaunošanas procesā katra paneļa izmērs tiek optimizēts, lai tas atbilstu konkrētai automašīnai.Sedana ICE-3 oriģinālo iekārtu ražotājs bija tik pārsteigts par jauno kompozītmateriālu grīdas segumu, ka ir pasūtījis kompozītmateriālu jumtu, lai daļēji aizstātu veco metāla jumta konstrukciju dzelzceļa vagonos.
Ej tālāk
Proterra, Kalifornijā bāzēts nulles emisiju elektrisko autobusu projektētājs un ražotājs, kopš 2009. gada visās savās virsbūvēs izmanto kompozītmateriālus. 2017. gadā uzņēmums uzstādīja rekordu, nobraucot 1100 jūdzes vienā virzienā ar akumulatoru uzlādētu katalizatoru. ®E2 autobuss.Šim autobusam ir viegls korpuss, ko izgatavojis kompozītmateriālu ražotājs TPI Composite.
* Nesen TPI sadarbojās ar Proterra, lai ražotu integrētu viss vienā saliktu elektrisko autobusu."Tipiskā autobusā vai kravas automašīnā ir šasija, un virsbūve atrodas virs šīs šasijas," skaidro TPI stratēģiskā mārketinga direktors Tods Altmens.Izmantojot autobusa cieto korpusa dizainu, mēs apvienojām šasiju un virsbūvi, līdzīgi kā viss vienā automašīnā." Viena struktūra ir efektīvāka nekā divas atsevišķas struktūras, lai izpildītu veiktspējas prasības.
Proterra viena korpusa virsbūve ir īpaši izstrādāta, lai no jauna būtu elektriskais transportlīdzeklis.Tā ir svarīga atšķirība, sacīja Altmans, jo daudzu autoražotāju un elektrisko autobusu ražotāju pieredze ir bijusi mēģinājumi ierobežot savus tradicionālos iekšdedzes dzinēju dizainus pielāgot elektriskajiem transportlīdzekļiem."Viņi izmanto esošās platformas un cenšas iepakot pēc iespējas vairāk akumulatoru. Tas nepiedāvā labāko risinājumu no jebkura viedokļa.""Altmans teica.
Piemēram, daudziem elektriskajiem autobusiem ir akumulatori transportlīdzekļa aizmugurē vai augšpusē.Bet Proterra gadījumā TPI var uzstādīt akumulatoru zem autobusa."Ja transportlīdzekļa konstrukcijai pievienojat lielu svaru, vēlaties, lai šis svars būtu pēc iespējas mazāks gan no veiktspējas, gan no drošības viedokļa," sacīja Altmans.Viņš norādīja, ka daudzi elektrisko autobusu un automašīnu ražotāji tagad atgriežas pie rasēšanas dēļa, lai izstrādātu efektīvākus un mērķtiecīgākus transportlīdzekļu dizainus.
TPI ir noslēdzis piecu gadu līgumu ar Proterra, lai ražotu līdz 3350 kompozītmateriālu autobusu virsbūves TPI ražotnēs Aiovā un Rodailendā.
Nepieciešams pielāgot
Catalyst kopnes korpusa projektēšanai nepieciešams, lai TPI un Proterra pastāvīgi līdzsvarotu visu dažādo materiālu stiprās un vājās puses, lai tie varētu sasniegt izmaksu mērķus, vienlaikus nodrošinot optimālu veiktspēju.Altmans atzīmēja, ka TPI pieredze lielu vēja lāpstiņu ražošanā, kas ir aptuveni 200 pēdas gari un sver 25 000 mārciņu, ļauj tiem salīdzinoši viegli ražot 40 pēdu autobusu korpusus, kas sver no 6000 līdz 10 000 mārciņām.
TPI spēj iegūt nepieciešamo konstrukcijas stiprību, selektīvi izmantojot oglekļa šķiedru un saglabājot to, lai nostiprinātu vietas, kurām ir vislielākā slodze."Mēs izmantojam oglekļa šķiedru, kur pamatā var iegādāties automašīnu," sacīja Altmans.Kopumā oglekļa šķiedra veido mazāk nekā 10 procentus no ķermeņa kompozītmateriāla armatūras, bet pārējais ir stiklšķiedras.
Līdzīga iemesla dēļ TPI izvēlējās vinilestera sveķus."Kad mēs skatāmies uz epoksīdiem, tie ir lieliski, bet, tos izārstējot, jums ir jāpaaugstina temperatūra, tāpēc jums ir jāuzsilda veidne. Tie ir papildu izdevumi, "viņš turpināja.
Uzņēmums izmanto vakuuma palīdzību sveķu pārneses formēšanu (VARTM), lai ražotu kompozītmateriālu sviestmaižu struktūras, kas nodrošina nepieciešamo stingrību vienam apvalkam.Ražošanas procesā daži metāla piederumi (piemēram, vītņoti veidgabali un vītņgriezes) tiek iestrādāti korpusā.Autobuss ir sadalīts augšējā un apakšējā daļā, kuras pēc tam tiek salīmētas kopā.Strādniekiem vēlāk jāpievieno nelieli kompozītmateriālu rotājumi, piemēram, apvalki, bet detaļu skaits ir daļa no metāla kopnes.
Pēc gatavās virsbūves nosūtīšanas uz Proterra autobusu ražotni ražošanas līnija plūst ātrāk, jo ir mazāk darba."Viņiem nav jāveic visa metināšana, slīpēšana un ražošana, un tiem ir ļoti vienkāršs interfeiss, lai savienotu korpusu ar piedziņu," piebilda Altmans.Proterra ietaupa laiku un samazina pieskaitāmās izmaksas, jo monokotiskajam apvalkam ir nepieciešams mazāks ražošanas apjoms.
Altmans uzskata, ka pieprasījums pēc kompozītmateriālu autobusu virsbūvēm turpinās pieaugt, jo pilsētas sāks izmantot elektriskos autobusus, lai samazinātu piesārņojumu un samazinātu izmaksas.Saskaņā ar Proterra teikto, akumulatoru elektriskajiem transportlīdzekļiem ir viszemākās ekspluatācijas cikla izmaksas (12 gadi), salīdzinot ar dīzeļdegvielas, saspiestās dabasgāzes vai dīzeļdegvielas hibrīdautobusiem.Tas var būt viens no iemesliem, kāpēc Proterra saka, ka ar akumulatoriem darbināmu elektrisko autobusu tirdzniecība tagad veido 10% no kopējā transporta tirgus.
Joprojām pastāv daži šķēršļi kompozītmateriālu plašai izmantošanai elektrisko autobusu korpusā.Viens no tiem ir dažādu autobusu klientu vajadzību specializācija."Katrai tranzīta iestādei patīk dabūt autobusus citā veidā – sēdekļu konfigurāciju, lūku atvēršanu. Tas ir liels izaicinājums autobusu ražotājiem, un daudzas no šīm konfigurācijas vienībām varētu nonākt pie mums.""Altmans teica. "Integrēto virsbūvju ražotāji vēlas standarta konstrukciju, taču, ja katrs klients vēlas augstu pielāgošanas pakāpi, to būs grūti izdarīt." TPI turpina sadarboties ar Proterra, lai uzlabotu autobusu dizainu, lai labāk pārvaldītu elastība, kas nepieciešama gala klientiem.
Izpētiet iespēju
Uzņēmums Composites turpina pārbaudīt, vai tā materiāli ir piemēroti jauniem masu transporta lietojumiem.Apvienotajā Karalistē ELG Carbon Fibre, kas specializējas oglekļa šķiedras pārstrādes un atkārtotas izmantošanas tehnoloģijās, vada uzņēmumu konsorciju, kas izstrādā vieglus kompozītmateriālus vieglo automašīnu ratiņiem.Ratiņi atbalsta automašīnas virsbūvi, vada riteņpāru un saglabā tā stabilitāti.Tie palīdz uzlabot braukšanas komfortu, absorbējot sliežu vibrācijas un samazinot centrbēdzes spēku, vilcienam griežoties.
Viens no projekta mērķiem ir ražot ratiņus, kas ir par 50 procentiem vieglāki nekā salīdzināmi metāla ratiņi."Ja ratiņi ir vieglāki, tas radīs mazākus bojājumus sliežu ceļam, un, tā kā sliežu ceļa slodze būs mazāka, var samazināt apkopes laiku un uzturēšanas izmaksas," saka Kamilla Sera, ELG produktu izstrādes inženiere.Papildu mērķi ir par 40% samazināt riteņu spēkus sānis pret sliedēm un nodrošināt ekspluatācijas stāvokļa uzraudzību.Apvienotās Karalistes bezpeļņas Dzelzceļa drošības un standartu padome (RSSB) finansē projektu ar mērķi ražot komerciāli dzīvotspējīgu produktu.
Ir veikti plaši ražošanas izmēģinājumi, un ir izgatavoti vairāki testa paneļi, izmantojot prepregus, kas iegūti no presēšanas presē, parastā slapjā klāšanas, perfūzijas un autoklāvā.Tā kā ratiņu ražošana būtu ierobežota, uzņēmums kā visrentablāko būvniecības metodi izvēlējās autoklāvos sacietinātu epoksīda preparātu.
Pilna izmēra ratiņu prototips ir 8,8 pēdas garš, 6,7 pēdas plats un 2,8 pēdas augsts.Tas ir izgatavots no otrreizēji pārstrādātas oglekļa šķiedras (ELG nodrošinātā neausto spilventiņu) un neapstrādātas oglekļa šķiedras auduma kombinācijas.Vienvirziena šķiedras tiks izmantotas galvenajam stiprības elementam un tiks ievietotas veidnē, izmantojot robotizētu tehnoloģiju.Tiks izvēlēts epoksīds ar labām mehāniskajām īpašībām, kas būs jaunizveidots liesmu slāpējošs epoksīds, kas ir sertificēts EN45545-2 izmantošanai dzelzceļā.
Atšķirībā no tērauda ratiņiem, kas tiek metināti no stūres sijām uz divām sānu sijām, kompozītmateriālu ratiņi tiks būvēti ar dažādām virsmām un apakšām, kas pēc tam tiek savienotas kopā.Lai nomainītu esošos metāla ratiņus, kompozītmateriāla versijā tādā pašā pozīcijā būs jāapvieno piekares un bremžu savienojuma kronšteini un citi piederumi."Pagaidām mēs esam izvēlējušies saglabāt tērauda veidgabalus, bet turpmākajos projektos varētu būt interesanti aizstāt tērauda veidgabalus ar kompozītmateriālu tipa veidgabaliem, lai mēs varētu vēl vairāk samazināt galīgo svaru," sacīja Seurats.
Birmingemas Universitātes Sensoru un kompozītmateriālu grupas konsorcija loceklis pārrauga sensora izstrādi, kas ražošanas posmā tiks integrēts saliktajos ratiņos."Lielākā daļa sensoru koncentrēsies uz deformācijas uzraudzību atsevišķos ratiņu punktos, bet citi ir paredzēti temperatūras noteikšanai," sacīja Seurats.Sensori ļaus reāllaikā uzraudzīt kompozītmateriālu struktūru, ļaujot apkopot datus par slodzes kalpošanas laiku.Tas sniegs vērtīgu informāciju par maksimālo slodzi un ilgstošu nogurumu.
Sākotnējie pētījumi liecina, ka saliktajiem ratiņiem jāspēj sasniegt vēlamo svara samazinājumu par 50%.Projekta komanda cer, ka līdz 2019. gada vidum testēšanai būs gatavi lieli ratiņi.Ja prototips darbosies, kā paredzēts, tie ražos vairāk ratiņu, lai pārbaudītu tramvajus, ko ražojis dzelzceļa transporta uzņēmums Alstom.
Pēc Seurat teiktā, lai gan vēl ir daudz darāmā, agrīnās pazīmes liecina, ka ir iespējams uzbūvēt komerciāli dzīvotspējīgus saliktus ratiņus, kas varētu konkurēt ar metāla ratiņiem izmaksu un izturības ziņā."Tad es domāju, ka kompozītmateriāliem dzelzceļa nozarē ir daudz iespēju un potenciālu pielietojumu," viņa piebilda.(Rakstu pārpublicējis Dr. Qian Xin no oglekļa šķiedras un tās kompozītmateriālu tehnoloģijas).
Publicēšanas laiks: 07.03.2023