Užsienio tyrimai geležinkelių tranzitu naudojamų kompozicinių medžiagų srityje vyksta jau beveik pusę amžiaus.Nors sparti geležinkelių tranzito ir greitųjų geležinkelių plėtra Kinijoje ir vietinių kompozitinių medžiagų taikymas šioje srityje įsibėgėja, sustiprintas kompozicinių medžiagų pluoštas, plačiai naudojamas užsienio geležinkelių tranzitu, yra daugiau stiklo pluošto, kuris skiriasi nuo anglies pluošto kompozitų Kinijoje.Kaip minėta šiame straipsnyje, anglies pluoštas sudaro mažiau nei 10% TPI Composites Company sukurtų kompozitinių medžiagų kėbului, o likusi dalis yra stiklo pluoštas, todėl jis gali subalansuoti išlaidas ir užtikrinti lengvumą.Masinis anglies pluošto naudojimas neišvengiamai sukelia sąnaudų sunkumų, todėl jį galima naudoti kai kuriose pagrindinėse konstrukcijose, tokiose kaip vežimėliai.
Daugiau nei 50 metų Norplex-Micarta, termoreaktingų kompozitų gamintoja, nuolat užsiima medžiagų, skirtų tranzitu geležinkeliu, gamyba, įskaitant traukinius, lengvųjų bėgių stabdžių sistemas ir pakeltų elektrinių bėgių elektros izoliaciją.Tačiau šiandien bendrovės rinka plečiasi už santykinai siauros nišos ir apima daugiau pritaikymų, tokių kaip sienos, stogai ir grindys.
Dustinas Davisas, „Norplex-Micarta“ verslo plėtros direktorius, mano, kad artimiausiais metais geležinkelių ir kitos masinio transporto rinkos suteiks vis daugiau galimybių jo įmonei, taip pat kitiems kompozitų gamintojams ir tiekėjams.Šio numatomo augimo priežastys yra kelios, viena iš jų – Europoje priimtas gaisro standartas EN 45545-2, kuriame masiniam transportui nustatyti griežtesni apsaugos nuo gaisro, dūmų ir dujų (FST) reikalavimai.Naudodami fenolio dervos sistemas, kompozitų gamintojai į savo gaminius gali įtraukti reikiamas apsaugos nuo ugnies ir dūmų savybes.
Be to, autobusų, metro ir traukinių operatoriai pradeda suvokti kompozitinių medžiagų pranašumus mažinant triukšmingą vibraciją ir kakofoniją.„Jei kada nors buvote metro ir girdėjote metalinės plokštės barškėjimą“, – sakė Deivis.Jei skydelis pagamintas iš kompozicinės medžiagos, jis nutildys garsą ir traukinys bus tylesnis.
Dėl lengvesnio kompozito svorio jis taip pat patrauklus autobusų operatoriams, norintiems sumažinti degalų naudojimą ir išplėsti asortimentą.2018 m. rugsėjo mėn. ataskaitoje rinkos tyrimų įmonė „Lucintel“ prognozavo, kad pasaulinė kompozitų, naudojamų masiniam transportui ir visureigiuose automobiliuose, rinka 2018–2023 m. augs 4,6 proc. Galimybių bus įvairiose srityse, įskaitant išorę, vidų, gaubto ir jėgos pavaros dalis bei elektrinius komponentus.
„Norplex-Micarta“ dabar gamina naujas dalis, kurios šiuo metu bandomos lengvųjų geležinkelių linijose Jungtinėse Valstijose.Be to, bendrovė ir toliau daugiausia dėmesio skiria elektrifikavimo sistemoms su ištisinio pluošto medžiagomis ir jas derina su greičiau kietėjančiomis dervos sistemomis.„Galite sumažinti išlaidas, padidinti gamybą ir pateikti rinkai visas FST fenolio funkcijas“, – paaiškino Davisas.Nors kompozitinės medžiagos gali būti brangesnės nei panašios metalinės dalys, Davis teigia, kad kaina nėra lemiamas veiksnys, kurį jie tiria.
Lengvas ir antipirenas
Europos geležinkelių operatoriaus „Duetsche Bahn“ 66 „ICE-3 Express“ automobilių parko atnaujinimas yra viena iš kompozitinių medžiagų galimybių patenkinti specifinius klientų poreikius.Oro kondicionavimo sistema, keleivių pramogų sistema ir naujos sėdynės pridėjo ICE-3 bėginiams vagonams nereikalingo svorio.Be to, originalios faneros grindys neatitiko naujų Europos ugnies standartų.Įmonei reikėjo grindų dangos sprendimo, kuris padėtų sumažinti svorį ir atitiktų priešgaisrinės saugos standartus.Lengvos kompozicinės grindys yra atsakymas.
Vokietijoje įsikūrusi kompozitinių audinių gamintoja Saertex savo grindims siūlo LEO® medžiagų sistemą.Danielis Stumppas, pasaulinis „Saertex Group“ rinkodaros vadovas, sakė, kad LEO yra sluoksniuotas, nesulenktas audinys, pasižymintis aukštesnėmis mechaninėmis savybėmis ir didesniu lengvumo potencialu nei austi audiniai.Keturių komponentų kompozitinę sistemą sudaro specialios ugniai atsparios dangos, stiklo pluoštu sustiprintos medžiagos, SAERfoam® (pagrindinė medžiaga su integruotais 3D stiklo pluošto tilteliais) ir LEO vinilo esterio dervos.
Kompozicinių medžiagų gamintojas SMT (taip pat Vokietijoje) sukūrė grindis vakuuminio užpildymo būdu, naudodamas daugkartinius silicio vakuuminius maišelius, pagamintus britų bendrovės Alano Harperio.„Sutaupėme apie 50 procentų ankstesnės faneros svorio“, – sakė Stumpp.„LEO sistemos pagrindas yra ištisinio pluošto laminatai su neužpildyta dervos sistema, pasižyminti puikiomis mechaninėmis savybėmis... . Be to, kompozitas nepūva, o tai yra didelis privalumas, ypač tose vietose, kur žiemą sninga ir grindys šlapios“.Grindys, viršutinis kilimas ir gumos medžiaga atitinka naujus antipireno standartus.
SMT pagamino daugiau nei 32 000 kvadratinių pėdų plokščių, kurios iki šiol buvo sumontuotos maždaug trečdalyje iš aštuonių ICE-3 traukinių.Atnaujinimo proceso metu kiekvienos plokštės dydis optimizuojamas, kad tiktų konkrečiam automobiliui.ICE-3 sedano originalios įrangos gamintoją taip sužavėjo naujos kompozicinės grindys, kad užsakė sudėtinį stogą, kuris iš dalies pakeistų seną metalinę stogo konstrukciją geležinkelio vagonuose.
Eik toliau
Kalifornijoje įsikūrusi nulinės emisijos elektrinių autobusų projektuotoja ir gamintoja „Proterra“ nuo 2009 m. visuose savo kėbuluose naudoja kompozicines medžiagas. 2017 m. įmonė pasiekė rekordą, nuvažiuodama 1 100 mylių į vieną pusę su akumuliatoriumi įkraunamu katalizatoriumi. ®E2 autobusas.Šis autobusas turi lengvą kėbulą, pagamintą kompozitų gamintojo TPI Composite.
* Neseniai TPI bendradarbiavo su „Proterra“, kad pagamintų integruotą „viskas viename“ kompozitinę elektrinę magistralę.„Įprastame autobuse ar sunkvežimyje yra važiuoklė, o kėbulas yra ant tos važiuoklės“, – aiškina TPI strateginės rinkodaros direktorius Toddas Altmanas.Turėdami autobuso kieto korpuso konstrukciją, kartu sujungėme važiuoklę ir kėbulą, panašiai kaip „viskas viename“ automobilio konstrukcijoje." Viena konstrukcija yra efektyvesnė nei dvi atskiros konstrukcijos, kad atitiktų eksploatacinius reikalavimus.
Vieno korpuso „Proterra“ kėbulas yra specialiai sukurtas ir sukurtas nuo nulio, kad būtų elektrinė transporto priemonė.Tai svarbus skirtumas, sakė Altmanas, nes daugelio automobilių ir elektrinių autobusų gamintojų patirtis buvo tokia, kad bando ribotus bandymus pritaikyti savo tradicines vidaus degimo variklių konstrukcijas elektrinėms transporto priemonėms."Jie imasi esamų platformų ir stengiasi supakuoti kuo daugiau baterijų. Tai nepasiūlo geriausio sprendimo jokiu požiūriu."“, - sakė Altmanas.
Pavyzdžiui, daugelyje elektrinių autobusų akumuliatoriai yra automobilio gale arba viršuje.Tačiau „Proterra“ TPI gali sumontuoti akumuliatorių po magistrale.„Jei transporto priemonės konstrukcijai pridedate daug svorio, norite, kad šis svoris būtų kuo mažesnis tiek eksploatacinių, tiek saugumo požiūriu“, – sakė Altmanas.Jis pažymėjo, kad daugelis elektrinių autobusų ir automobilių gamintojų dabar grįžta prie braižymo lentos, kad sukurtų efektyvesnius ir tikslingesnius savo transporto priemonių dizainus.
TPI sudarė penkerių metų sutartį su Proterra dėl iki 3350 sudėtinių autobusų kėbulų TPI gamyklose Ajovoje ir Rod Ailande.
Reikia pritaikyti
Projektuojant Catalyst magistralės korpusą reikia, kad TPI ir Proterra nuolat subalansuotų visų skirtingų medžiagų stipriąsias ir silpnąsias puses, kad jos atitiktų sąnaudų tikslus ir pasiektų optimalų našumą.Altmanas pažymėjo, kad TPI patirtis gaminant dideles, maždaug 200 pėdų ilgio ir 25 000 svarų sveriančias vėjo mentes leidžia jiems palyginti lengvai gaminti 40 pėdų autobusų kėbulus, sveriančius nuo 6 000 iki 10 000 svarų.
TPI gali išgauti reikiamą konstrukcijos stiprumą selektyviai naudojant anglies pluoštą ir išlaikant jį didžiausią apkrovą patiriančioms sritims sutvirtinti.„Mes naudojame anglies pluoštą, kur iš esmės galite nusipirkti automobilį“, - sakė Altmanas.Apskritai anglies pluoštas sudaro mažiau nei 10 procentų kūno sudėtinės armavimo medžiagos, o likusi dalis yra stiklo pluoštas.
TPI pasirinko vinilo esterio dervą dėl panašios priežasties."Kai žiūrime į epoksidus, jie yra puikūs, bet kai juos išgydote, turite pakelti temperatūrą, todėl turite šildyti formą. Tai yra papildomos išlaidos", - tęsė jis.
Bendrovė naudoja vakuuminį dervos perdavimo liejimą (VARTM), kad gamintų sudėtines daugiasluoksnes struktūras, kurios užtikrina reikiamą vieno korpuso standumą.Gamybos proceso metu kai kurios metalinės jungiamosios detalės (pvz., srieginės jungiamosios detalės ir srieginės plokštės) įmontuojamos į korpusą.Autobusas yra padalintas į viršutinę ir apatinę dalis, kurios vėliau suklijuojamos.Vėliau darbuotojai turi pridėti smulkių kompozicinių puošmenų, pavyzdžiui, gaubtų, tačiau dalių skaičius yra tik dalis metalinės magistralės.
Nusiuntus gatavą kėbulą į „Proterra“ autobusų gamyklą, gamybos linija teka greičiau, nes tenka mažiau dirbti.„Jiems nereikia atlikti visų suvirinimo, šlifavimo ir gamybos darbų, be to, jie turi labai paprastą sąsają, leidžiančią prijungti kėbulą prie pavaros“, – pridūrė Altmanas.„Proterra“ taupo laiką ir sumažina pridėtines išlaidas, nes monokotiniam apvalkalui gaminti reikia mažiau vietos.
Altmanas mano, kad kompozitinių autobusų kėbulų paklausa ir toliau augs, nes miestai ims naudoti elektrinius autobusus, kad sumažintų taršą ir išlaidas.„Proterra“ teigimu, akumuliatorių elektrinių transporto priemonių eksploatavimo ciklo kaina (12 metų) yra mažiausia, palyginti su dyzeliniais, suslėgtomis gamtinėmis dujomis ar dyzeliniais hibridiniais autobusais.Tai gali būti viena iš priežasčių, kodėl Proterra teigia, kad baterijomis varomų elektrinių autobusų pardavimas dabar sudaro 10 % visos transporto rinkos.
Vis dar yra tam tikrų kliūčių plačiai naudoti kompozitines medžiagas elektros autobusų korpusuose.Viena iš jų – skirtingų autobusų klientų poreikių specializacija."Kiekvienai tranzito institucijai patinka gauti autobusus skirtingais būdais – sėdynių konfigūracija, liuko atidarymu. Autobusų gamintojams tai didelis iššūkis, ir daugelis tų konfigūracijos elementų gali atitekti mums.""Altmanas sakė. "Integruotų kėbulų gamintojai nori turėti standartinę konstrukciją, bet jei kiekvienas klientas nori didelio pritaikymo, tai padaryti bus sunku." TPI toliau bendradarbiauja su Proterra, siekdama tobulinti autobuso dizainą, kad būtų geriau valdoma. lankstumas, kurio reikalauja galutiniai klientai.
Ištirkite galimybę
Kompanija Composites ir toliau bando, ar jos medžiagos yra tinkamos naujoms masinio transporto reikmėms.JK ELG Carbon Fibre, kuri specializuojasi anglies pluošto perdirbimo ir pakartotinio naudojimo technologijoje, vadovauja įmonių konsorciumui, kuriančių lengvųjų automobilių vežimėlių kompozitines medžiagas.Vežimėlis palaiko automobilio kėbulą, nukreipia aširatį ir palaiko jo stabilumą.Jie padeda pagerinti važiavimo komfortą, nes sugeria bėgių vibracijas ir sumažina išcentrinę jėgą traukiniui sukant.
Vienas iš projekto tikslų – pagaminti 50 procentų lengvesnius vežimėlius nei panašūs metaliniai vežimėliai.„Jei vežimėlis yra lengvesnis, jis mažiau gadins vėžę, o kadangi trasos apkrova bus mažesnė, galima sumažinti priežiūros laiką ir priežiūros kaštus“, – sako Camille Seurat, ELG produktų kūrimo inžinierius.Papildomi tikslai – 40 % sumažinti ratų jėgą nuo šono iki bėgio ir užtikrinti eksploatacinės būklės stebėjimą.JK ne pelno siekianti geležinkelių saugos ir standartų valdyba (RSSB) finansuoja projektą, siekdama pagaminti komerciškai perspektyvų produktą.
Buvo atlikti platūs gamybos bandymai ir atlikta daugybė bandymo plokščių, naudojant prepregus iš presavimo, įprasto šlapio klojimo, perfuzijos ir autoklavo.Kadangi vežimėlių gamyba būtų ribota, bendrovė pasirinko autoklavuose kietintą epoksidinį pregavimą kaip ekonomiškiausią statybos būdą.
Viso dydžio vežimėlio prototipas yra 8,8 pėdų ilgio, 6,7 pėdos pločio ir 2,8 pėdos aukščio.Jis pagamintas iš perdirbto anglies pluošto (ELG neaustinių pagalvėlių) ir neapdoroto anglies pluošto audinio derinio.Vienpusiai pluoštai bus naudojami pagrindiniam stiprumo elementui ir bus dedami į formą, naudojant robotizuotą technologiją.Bus pasirinkta gerų mechaninių savybių epoksidinė derva, kuri bus naujai sukurta antipireninė epoksida, kuriai suteiktas EN45545-2 sertifikatas, skirtas naudoti geležinkeliuose.
Skirtingai nuo plieninių vežimėlių, kurie suvirinami iš vairo sijų į dvi šonines sijas, sudėtiniai vežimėliai bus gaminami su skirtingomis viršūnėmis ir apačiais, kurios vėliau sujungiamos.Norint pakeisti esamus metalinius vežimėlius, kompozitinėje versijoje teks toje pačioje padėtyje sujungti pakabos ir stabdžių jungties laikiklius bei kitus priedus.„Kol kas nusprendėme pasilikti plienines jungiamąsias detales, tačiau tolimesniems projektams gali būti įdomu pakeisti plienines jungiamąsias detales kompozitinėmis jungiamosiomis detalėmis, kad galėtume dar labiau sumažinti galutinį svorį“, – sakė Seuratas.
Birmingamo universiteto jutiklių ir kompozitų grupės konsorciumo narys prižiūri jutiklio, kuris gamybos etape bus integruotas į sudėtinį vežimėlį, kūrimą.„Dauguma jutiklių sutelks dėmesį į deformacijos stebėjimą atskiruose vežimėlio taškuose, o kiti skirti temperatūros jutimui“, – sakė Seuratas.Jutikliai leis realiu laiku stebėti sudėtinę struktūrą, todėl bus galima rinkti duomenis apie apkrovą visą gyvenimą.Tai suteiks vertingos informacijos apie didžiausią apkrovą ir ilgalaikį nuovargį.
Preliminarūs tyrimai rodo, kad sudėtiniai vežimėliai turėtų sugebėti sumažinti svorį 50 %.Projekto komanda tikisi, kad iki 2019 m. vidurio bandymams bus paruoštas didelis vežimėlis.Jei prototipas veiks taip, kaip tikėtasi, jie pagamins daugiau vežimėlių, kad išbandytų geležinkelio transporto bendrovės „Alstom“ pagamintus tramvajus.
Pasak Seurat, nors dar reikia daug nuveikti, ankstyvieji požymiai rodo, kad galima sukurti komerciškai perspektyvų sudėtinį vežimėlį, kuris galėtų konkuruoti su metaliniais vežimėliais savo kaina ir stiprumu.„Manau, kad geležinkelių pramonėje yra daug galimybių ir galimų pritaikymų kompozitams“, – pridūrė ji.(Straipsnis perspausdintas iš „Carbon Fiber and It Composite Technology“, dr. Qian Xin).
Paskelbimo laikas: 2023-07-07