Strana istraživanja u oblasti kompozitnih materijala za željeznički tranzit traju skoro pola stoljeća.Iako su brzi razvoj željezničkog tranzita i željeznice velikih brzina u Kini i primjena domaćih kompozitnih materijala u ovom polju u punom jeku, ojačana vlakna kompozitnih materijala koja se široko koriste u stranom željezničkom tranzitu su više staklena vlakna, koja se razlikuju od kompozita od karbonskih vlakana u Kini.Kao što je spomenuto u ovom članku, karbonska vlakna čine manje od 10% kompozitnih materijala za tijelo koje je razvila TPI Composites Company, a ostatak su staklena vlakna, tako da mogu uravnotežiti troškove dok osiguravaju laganu težinu.Masovna upotreba karbonskih vlakana neizbježno dovodi do poteškoća s troškovima, tako da se mogu koristiti u nekim ključnim strukturnim komponentama kao što su okretna postolja.
Više od 50 godina, Norplex-Micarta, proizvođač termoreaktivnih kompozita, ima stabilan posao u proizvodnji materijala za željezničke tranzitne aplikacije, uključujući vozove, lake šinske kočione sisteme i električnu izolaciju za povišene električne šine.Ali danas se tržište kompanije širi izvan relativno uske niše na više aplikacija kao što su zidovi, krovovi i podovi.
Dustin Davis, direktor poslovnog razvoja za Norplex-Micarta, vjeruje da će tržišta željezničkog i drugog masovnog transporta sve više pružati mogućnosti njegovoj kompaniji, kao i drugim proizvođačima i dobavljačima kompozita, u narednim godinama.Postoji nekoliko razloga za ovaj očekivani rast, a jedan od njih je evropsko usvajanje standarda protiv požara EN 45545-2, koji uvodi strože zahtjeve zaštite od požara, dima i plina (FST) za masovni transport.Koristeći sisteme fenolne smole, proizvođači kompozita mogu u svoje proizvode ugraditi neophodna svojstva zaštite od požara i dima.
Pored toga, operateri autobusa, metroa i vozova počinju da shvataju prednosti kompozitnih materijala u smanjenju bučnih vibracija i kakofonije."Ako ste ikada bili u podzemnoj željeznici i čuli zveckanje metalne ploče", rekao je Davis.Ako je ploča napravljena od kompozitnog materijala, utišat će zvuk i učiniti voz tišim."
Manja težina kompozita takođe ga čini privlačnim za autobuske operatere zainteresovane za smanjenje potrošnje goriva i proširenje njegovog asortimana.U izvještaju iz septembra 2018., kompanija za istraživanje tržišta Lucintel predvidjela je da će globalno tržište kompozita koji se koriste u masovnom transportu i terenskim vozilima rasti po godišnjoj stopi od 4,6 posto između 2018. i 2023., s potencijalnom vrijednošću od milijardu dolara do 2023. godine. Mogućnosti će doći iz raznih aplikacija, uključujući eksterijer, unutrašnjost, dijelove haube i pogonskog sklopa, te električne komponente.
Norplex-Micarta sada proizvodi nove dijelove koji se trenutno testiraju na lakim željezničkim linijama u Sjedinjenim Državama.Pored toga, kompanija nastavlja da se fokusira na sisteme elektrifikacije sa materijalima od kontinualnih vlakana i kombinuje ih sa sistemima smole koji se brže stvrdnjavaju."Možete smanjiti troškove, povećati proizvodnju i donijeti punu funkcionalnost FST fenola na tržište", objasnio je Davis.Iako kompozitni materijali mogu biti skuplji od sličnih metalnih dijelova, Davis kaže da cijena nije faktor koji određuje primjenu koji proučavaju.
Lagana i otporna na vatru
Obnova flote evropskog željezničkog operatera Duetsche Bahn od 66 vagona ICE-3 Express jedna je od mogućnosti kompozitnih materijala da zadovolje specifične potrebe kupaca.Sistem klimatizacije, sistem za zabavu putnika i nova sedišta dodali su nepotrebnu težinu ICE-3 vagonima.Osim toga, originalni podovi od šperploče nisu zadovoljavali nove europske standarde protiv požara.Kompaniji je bilo potrebno rješenje za podove kako bi se smanjila težina i ispunili standardi zaštite od požara.Lagani kompozitni podovi su odgovor.
Saertex, proizvođač kompozitnih tkanina sa sjedištem u Njemačkoj, nudi LEO® sistem materijala za svoje podove.Daniel Stumpp, globalni šef marketinga u Saertex Grupi, rekao je da je LEO slojevita tkanina koja nije ušivana koja nudi veća mehanička svojstva i veći potencijal lagane težine od tkanih tkanina.Četverokomponentni kompozitni sistem uključuje specijalne premaze otporne na vatru, materijale ojačane staklenim vlaknima, SAERfoam® (materijal jezgre sa integrisanim 3D-fiberglass mostovima) i LEO vinil ester smole.
SMT (također sa sjedištem u Njemačkoj), proizvođač kompozitnih materijala, kreirao je pod kroz proces vakuumskog punjenja koristeći silikonske vakuumske vrećice za višekratnu upotrebu koje je napravila britanska kompanija Alan Harper."Uštedjeli smo oko 50 posto težine od prethodne šperploče", rekao je Stumpp.„LEO sistem je baziran na laminatima od kontinuiranih vlakana sa nepunjenim sistemom smole sa odličnim mehaničkim svojstvima... Osim toga, kompozit ne truli, što je velika prednost, posebno u područjima gdje zimi pada snijeg i pod je mokar."Pod, gornji tepih i gumeni materijal ispunjavaju nove standarde otpornosti na vatru.
SMT je proizveo više od 32.000 kvadratnih stopa panela, koji su ugrađeni u otprilike trećinu od osam ICE-3 vozova do danas.Tokom procesa obnove, veličina svake ploče se optimizuje kako bi odgovarala određenom automobilu.OEM ICE-3 limuzine bio je toliko impresioniran novim kompozitnim podovima da je naručio kompozitni krov kako bi se djelimično zamijenila stara metalna krovna konstrukcija u vagonima.
Idi dalje
Proterra, kalifornijski dizajner i proizvođač električnih autobusa s nultom emisijom, koristi kompozitne materijale u svim svojim karoserijama od 2009. godine. Kompanija je 2017. postavila rekord prešavši 1.100 milja u jednom smjeru na svom Catalystu napunjenom baterijama ®E2 sabirnica.Taj autobus ima laganu karoseriju koju je napravio proizvođač kompozita TPI Composite.
* Nedavno je TPI sarađivao sa Proterrom na proizvodnji integrisanog sve-u-jednom kompozitnog električnog autobusa.„U tipičnom autobusu ili kamionu postoji šasija, a karoserija se nalazi na vrhu te šasije“, objašnjava Todd Altman, direktor strateškog marketinga u TPI-ju.Sa čvrstim dizajnom autobusa, integrisali smo šasiju i karoseriju zajedno, slično dizajnu automobila sve-u-jednom." Jedna struktura je efikasnija od dve odvojene strukture u ispunjavanju zahteva za performansama.
Karoserija Proterra sa jednom školjkom je namenski napravljena, dizajnirana od nule da bude električno vozilo.To je važna razlika, rekao je Altman, jer je iskustvo mnogih proizvođača automobila i električnih autobusa bilo da pokušaju ograničene pokušaje da prilagode svoj tradicionalni dizajn motora sa unutrašnjim sagorevanjem električnim vozilima."Uzimaju postojeće platforme i pokušavaju spakovati što je moguće više baterija. To ne nudi najbolje rješenje sa bilo koje tačke gledišta."“, rekao je Altman.
Mnogi električni autobusi, na primjer, imaju baterije pozadi ili na vrhu vozila.Ali za Proterra, TPI može montirati bateriju ispod magistrale.„Ako dodajete veliku težinu strukturi vozila, želite da ta težina bude što je moguće lakša, i sa stanovišta performansi i sa stanovišta bezbednosti“, rekao je Altman.Napomenuo je da se mnogi proizvođači električnih autobusa i automobila sada vraćaju na crtež kako bi razvili efikasnije i ciljanije dizajne za svoja vozila.
TPI je sklopio petogodišnji ugovor sa Proterrom o proizvodnji do 3.350 kompozitnih karoserija autobusa u pogonima TPI-ja u Ajovi i Rhode Islandu.
Potrebno je prilagoditi
Dizajniranje kućišta sabirnice Catalyst zahtijeva da TPI i Proterra konstantno balansiraju snage i slabosti svih različitih materijala kako bi mogli ispuniti ciljeve troškova uz postizanje optimalnih performansi.Altman je napomenuo da iskustvo TPI-ja u proizvodnji velikih vjetroaparata dugih oko 200 stopa i težine 25.000 funti olakšava im proizvodnju karoserija autobusa od 40 stopa teških između 6.000 i 10.000 funti.
TPI može postići potrebnu strukturnu čvrstoću selektivnom upotrebom karbonskih vlakana i zadržavanjem kako bi ojačala područja koja nose najveće opterećenje."Koristimo karbonska vlakna gdje u osnovi možete kupiti automobil", rekao je Altman.Sveukupno, karbonska vlakna čine manje od 10 posto kompozitnog materijala za ojačanje karoserije, a ostatak su stakloplastike.
TPI je odabrao vinil estersku smolu iz sličnog razloga."Kada gledamo epokside, oni su odlični, ali kada ih osušite, morate podići temperaturu, pa morate zagrijati kalup. To je dodatni trošak", nastavio je.
Kompanija koristi presovanje smole uz pomoć vakuuma (VARTM) za proizvodnju kompozitnih sendvič struktura koje pružaju potrebnu krutost jednoj školjki.Tokom procesa proizvodnje, neki metalni spojevi (kao što su navojni spojevi i ploče za narezivanje) se ugrađuju u tijelo.Autobus je podijeljen na gornji i donji dio, koji se zatim lijepe zajedno.Radnici kasnije moraju dodati male kompozitne ukrase kao što su obloge, ali broj dijelova je samo djelić metalnog autobusa.
Nakon slanja gotove karoserije u pogon za proizvodnju autobusa Proterra, proizvodna linija teče brže jer ima manje posla.„Oni ne moraju da rade sve zavarivanje, brušenje i proizvodnju, a imaju i veoma jednostavan interfejs za povezivanje karoserije sa pogonom“, dodao je Altman.Proterra štedi vrijeme i smanjuje troškove jer je potrebno manje proizvodnog prostora za monokotičnu školjku.
Altman vjeruje da će potražnja za kompozitnim karoserijama autobusa nastaviti rasti kako se gradovi okreću električnim autobusima kako bi smanjili zagađenje i smanjili troškove.Prema Proterri, električna vozila na baterije imaju najniže troškove radnog vijeka (12 godina) u usporedbi s dizel, komprimiranim prirodnim plinom ili dizel hibridnim autobusima.To bi mogao biti jedan od razloga zašto Proterra kaže da prodaja električnih autobusa na baterije sada čini 10% ukupnog tržišta transporta.
Još uvijek postoje neke prepreke širokoj primjeni kompozitnih materijala u karoseriji električnog autobusa.Jedna je specijalizacija za različite potrebe kupaca autobusa."Svaka tranzitna uprava voli da nabavi autobuse na drugačiji način - konfiguraciju sjedišta, otvaranje otvora. To je veliki izazov za proizvođače autobusa, a mnoge od tih konfiguracijskih stavki mogle bi pripasti nama."„Proizvođači integrisanih karoserija žele da imaju standardnu konstrukciju, ali ako svaki kupac želi visok stepen prilagođavanja, biće teško to učiniti.“ TPI nastavlja da radi sa Proterrom na poboljšanju dizajna autobusa radi boljeg upravljanja fleksibilnost koju zahtijevaju krajnji kupci.
Istražite mogućnost
Composites nastavlja testirati jesu li njegovi materijali prikladni za nove primjene masovnog transporta.U Velikoj Britaniji, ELG Carbon Fibre, koja je specijalizovana za tehnologiju za recikliranje i ponovnu upotrebu karbonskih vlakana, predvodi konzorcijum kompanija koje razvijaju lake kompozitne materijale za obrtna postolja u putničkim automobilima.Okretno postolje podržava karoseriju automobila, vodi osovinski par i održava njegovu stabilnost.Pomažu u poboljšanju udobnosti vožnje apsorbirajući vibracije šine i minimizirajući centrifugalnu silu dok se voz okreće.
Jedan od ciljeva projekta je proizvodnja okretnih postolja koja su 50 posto lakša od uporedivih metalnih postolja."Ako je okretno postolje lakše, to će uzrokovati manje štete na stazi, a budući da će opterećenje na stazi biti manje, vrijeme održavanja i troškovi održavanja mogu se smanjiti," kaže Camille Seurat, inženjer razvoja proizvoda ELG-a.Dodatni ciljevi su smanjenje sile kotača sa strane na šinu za 40% i obezbjeđivanje praćenja životnog stanja.Britanski neprofitni odbor za sigurnost i standarde u željezničkom prometu (RSSB) financira projekat s ciljem proizvodnje komercijalno održivog proizvoda.
Sprovedena su opsežna proizvodna ispitivanja i napravljeno je više testnih ploča korištenjem preprega od presovanja, konvencionalnog mokrog polaganja, perfuzije i autoklava.Budući da bi proizvodnja okretnih postolja bila ograničena, kompanija je odabrala epoksidni prepreg osušen u autoklavu kao najisplativiju metodu izgradnje.
Prototip okretnog postolja pune veličine dugačak je 8,8 stopa, širok 6,7 stopa i visok 2,8 stopa.Napravljen je od kombinacije recikliranih karbonskih vlakana (netkani jastučići koje obezbeđuje ELG) i sirove tkanine od ugljeničnih vlakana.Jednosmjerna vlakna koristit će se za glavni element čvrstoće i postavljat će se u kalup pomoću robotske tehnologije.Odabrat će se epoksid s dobrim mehaničkim svojstvima, a to će biti novoformulirani epoksid koji usporava plamen i ima certifikat EN45545-2 za korištenje na željeznici.
Za razliku od čeličnih okretnih postolja, koji su zavareni od kormilarskih greda do dvije bočne grede, kompozitna okretna postolja će se graditi s različitim gornjim i donjim dijelovima koji se zatim spajaju.Za zamjenu postojećih metalnih okretnih postolja, kompozitna verzija morat će kombinirati konzole ovjesa i kočnica i druge dodatke u istom položaju."Za sada smo odlučili da zadržimo čelične armature, ali za daljnje projekte bi moglo biti zanimljivo zamijeniti čelične okove kompozitnim tipovima kako bismo dodatno smanjili konačnu težinu", rekao je Seurat.
Član konzorcijuma Grupe za senzore i kompozite na Univerzitetu u Birminghamu nadgleda razvoj senzora, koji će biti integrisan u kompozitno postolje u fazi proizvodnje."Većina senzora će se fokusirati na praćenje naprezanja na diskretnim tačkama na okretnom postolju, dok su drugi za senzor temperature", rekao je Seurat.Senzori će omogućiti praćenje kompozitne strukture u realnom vremenu, omogućavajući prikupljanje podataka o opterećenju tokom životnog vijeka.Ovo će pružiti vrijedne informacije o vršnom opterećenju i dugotrajnom umoru.
Preliminarne studije pokazuju da bi kompozitna okretna postolja trebala biti u stanju postići željeno smanjenje težine od 50%.Projektni tim se nada da će imati veliko okretno postolje spremno za testiranje do sredine 2019. godine.Ako prototip bude radio kako se očekivalo, proizvešće više okretnih postolja za testiranje tramvaja Alstoma, kompanije za željeznički transport.
Prema Seuratu, iako ima još puno posla koji treba obaviti, rane naznake sugeriraju da je moguće izgraditi komercijalno održiva kompozitna okretna postolja koja mogu konkurirati metalnim okretnim postoljima po cijeni i snazi."Onda mislim da postoji mnogo opcija i potencijalnih aplikacija za kompozite u željezničkoj industriji", dodala je.(Članak preštampan iz karbonskih vlakana i njegove kompozitne tehnologije od dr. Qian Xin).
Vrijeme objave: Mar-07-2023