Страна истраживања у области композитних материјала за железнички транзит трају скоро пола века.Иако су брзи развој железничког транзита и брзе железнице у Кини и примена домаћих композитних материјала у овој области у пуном јеку, ојачана влакна композитних материјала која се широко користе у страном железничком транзиту су више стаклених влакана, која се разликују од композита од угљеничних влакана у Кини.Као што је поменуто у овом чланку, угљенична влакна чине мање од 10% композитних материјала за тело које је развила компанија ТПИ Цомпоситес, а остатак су стаклена влакна, тако да могу да уравнотеже трошкове уз обезбеђивање мале тежине.Масовна употреба угљеничних влакана неизбежно доводи до потешкоћа са трошковима, тако да се може користити у неким кључним структурним компонентама као што су обртна постоља.
Више од 50 година, Норплек-Мицарта, произвођач термореактивних композита, има стабилан посао у производњи материјала за транзитне апликације у шини, укључујући возове, лаке шинске кочионе системе и електричну изолацију за повишене електричне шине.Али данас се тржиште компаније шири изван релативно уске нише на више апликација као што су зидови, кровови и подови.
Дастин Дејвис, директор пословног развоја за Норплек-Мицарта, верује да ће железничка и друга тржишта масовног транспорта све више пружати могућности његовој компанији, као и другим произвођачима и добављачима композита, у наредним годинама.Постоји неколико разлога за овај очекивани раст, а један од њих је европско усвајање стандарда против пожара ЕН 45545-2, који уводи строже захтеве заштите од пожара, дима и гаса (ФСТ) за масовни транспорт.Коришћењем система фенолне смоле, произвођачи композита могу да уграде неопходна својства заштите од пожара и дима у своје производе.
Поред тога, оператери аутобуса, метроа и возова почињу да схватају предности композитних материјала у смањењу бучних вибрација и какофоније.„Ако сте икада били у метроу и чули звецкање металне плоче“, рекао је Дејвис.Ако је панел направљен од композитног материјала, то ће утишати звук и учинити воз тишим."
Мања тежина композита такође га чини привлачним за аутобуске оператере заинтересоване за смањење потрошње горива и проширење његовог домета.У извештају из септембра 2018, компанија за истраживање тржишта Луцинтел предвидела је да ће глобално тржиште композита који се користе у масовном транспорту и теренским возилима расти по годишњој стопи од 4,6 одсто између 2018. и 2023. године, са потенцијалном вредношћу од милијарду долара до 2023. Могућности ће доћи из различитих примена, укључујући екстеријер, унутрашњост, делове хаубе и погонског склопа, као и електричне компоненте.
Норплек-Мицарта сада производи нове делове који се тренутно тестирају на лаким железничким линијама у Сједињеним Државама.Поред тога, компанија наставља да се фокусира на системе електрификације са материјалима од континуалних влакана и комбинује их са системима смоле који се брже очвршћавају.„Можете смањити трошкове, повећати производњу и изнети пуну функционалност ФСТ фенола на тржиште“, објаснио је Дејвис.Иако композитни материјали могу бити скупљи од сличних металних делова, Дејвис каже да цена није фактор који одређује примену који проучавају.
Лагана и отпорна на ватру
Обнова флоте европског железничког оператера Дуетсцхе Бахн од 66 ИЦЕ-3 Екпресс вагона је једна од могућности композитних материјала да задовоље специфичне потребе купаца.Систем климатизације, систем за забаву путника и нова седишта додали су непотребну тежину ИЦЕ-3 вагонима.Поред тога, оригинални подови од шперплоче нису испуњавали нове европске стандарде против пожара.Компанији је било потребно решење за подове како би се смањила тежина и испунили стандарди заштите од пожара.Лагани композитни подови су одговор.
Саертек, произвођач композитних тканина са седиштем у Немачкој, нуди ЛЕО® систем материјала за своје подове.Даниел Стумпп, глобални шеф маркетинга у Саертек Групи, рекао је да је ЛЕО слојевита, неушивана тканина која нуди већа механичка својства и већи потенцијал лаке тежине од тканих тканина.Четворокомпонентни композитни систем укључује специјалне премазе отпорне на ватру, материјале ојачане фибергласом, САЕРфоам® (основни материјал са интегрисаним 3Д-фибергласс мостовима) и ЛЕО винил естарске смоле.
СМТ (такође са седиштем у Немачкој), произвођач композитних материјала, направио је под кроз процес вакуумског пуњења користећи силиконске вакум кесе за вишекратну употребу које је направила британска компанија Алан Харпер.„Уштедели смо око 50 одсто тежине од претходне шперплоче“, рекао је Стумпп.„ЛЕО систем се заснива на ламинатима од континуалних влакана са непуњеним системом смоле са одличним механичким својствима... Осим тога, композит не трули, што је велика предност, посебно у подручјима где зими пада снег и под је мокар."Под, горњи тепих и гумени материјал испуњавају нове стандарде отпорности на ватру.
СМТ је произвео више од 32.000 квадратних стопа панела, који су уграђени у око трећину од осам ИЦЕ-3 возова до данас.Током процеса реновирања, величина сваког панела се оптимизује тако да одговара одређеном аутомобилу.Произвођач оригиналне опреме ИЦЕ-3 лимузине био је толико импресиониран новим композитним подовима да је наручио композитни кров да делимично замени стару металну кровну конструкцију у шинским вагонима.
Иди даље
Протерра, дизајнер и произвођач електричних аутобуса са нултом емисијом из Калифорније, користи композитне материјале у свим својим каросеријама од 2009. године. Компанија је 2017. поставила рекорд возећи 1.100 миља у једном правцу на свом Цаталист-у који се пуни батеријама. ®Е2 аутобус.Тај аутобус има лагану каросерију коју је направио произвођач композита ТПИ Цомпосите.
* Недавно је ТПИ сарађивао са Протерром како би произвео интегрисани све-у-једном композитни електрични аутобус.„У типичном аутобусу или камиону постоји шасија, а каросерија се налази на врху те шасије“, објашњава Тод Алтман, директор стратешког маркетинга у ТПИ.Са чврстим дизајном аутобуса, интегрисали смо шасију и каросерију заједно, слично дизајну аутомобила све-у-једном." Једна структура је ефикаснија од две одвојене структуре у испуњавању захтева за перформансама.
Каросерија Протерра са једном шкољком је наменски направљена, дизајнирана од нуле да буде електрично возило.То је важна разлика, рекао је Алтман, јер је искуство многих произвођача аутомобила и електричних аутобуса било да покушају ограничене покушаје да прилагоде свој традиционални дизајн мотора са унутрашњим сагоревањем електричним возилима.„Они узимају постојеће платформе и покушавају да спакују што је могуће више батерија. То не нуди најбоље решење са било које тачке гледишта.““, рекао је Алтман.
Многи електрични аутобуси, на пример, имају батерије позади или на врху возила.Али за Протерра, ТПИ може да монтира батерију испод магистрале.„Ако додајете велику тежину структури возила, желите да та тежина буде што је могуће лакша, и са становишта перформанси и са становишта безбедности“, рекао је Алтман.Он је приметио да се многи произвођачи електричних аутобуса и аутомобила сада враћају на таблу за цртање како би развили ефикасније и циљаније дизајне за своја возила.
ТПИ је склопио петогодишњи уговор са Протером о производњи до 3.350 композитних каросерија аутобуса у погонима ТПИ-ја у Ајови и Роуд Ајленду.
Потребно је прилагодити
Дизајнирање тела Цаталист магистрале захтева да ТПИ и Протерра константно балансирају предности и слабости свих различитих материјала како би могли да испуне циљеве трошкова док постижу оптималне перформансе.Алтман је приметио да искуство ТПИ-ја у производњи великих лопатица за ветар дужине око 200 стопа и тежине 25.000 фунти олакшава им производњу каросерија аутобуса од 40 стопа које теже између 6.000 и 10.000 фунти.
ТПИ је у стању да добије потребну структурну чврстоћу селективним коришћењем карбонских влакана и задржавањем да ојача области које носе највеће оптерећење.„Користимо карбонска влакна где у основи можете купити аутомобил“, рекао је Алтман.Све у свему, угљенична влакна чине мање од 10 процената композитног материјала за ојачавање каросерије, а остатак је фиберглас.
ТПИ је изабрао винил естарску смолу из сличног разлога."Када гледамо епоксиде, они су одлични, али када их осушите, морате подићи температуру, па морате да загрејете калуп. То је додатни трошак", наставио је.
Компанија користи пресовање смоле уз помоћ вакуума (ВАРТМ) за производњу композитних сендвич структура које обезбеђују неопходну крутост једној шкољки.Током процеса производње, неки метални спојеви (као што су навојни спојеви и плоче за точење) се уграђују у тело.Аутобус је подељен на горњи и доњи део, који се затим лепе заједно.Радници морају касније да додају мале композитне украсе као што су облоге, али број делова је делић металног аутобуса.
Након слања готове каросерије у фабрику за производњу аутобуса Протерра, производна линија тече брже јер има мање посла.„Они не морају да раде сво заваривање, брушење и производњу, а имају веома једноставан интерфејс за повезивање тела са погоном“, додао је Алтман.Протерра штеди време и смањује трошкове јер је потребно мање производног простора за монокотичну шкољку.
Алтман верује да ће потражња за композитним каросеријама аутобуса наставити да расте како се градови окрећу електричним аутобусима како би смањили загађење и смањили трошкове.Према Протерра, електрична возила на батерије имају најниже трошкове радног века (12 година) у поређењу са дизел, компримованим природним гасом или дизел хибридним аутобусима.То је можда један од разлога зашто Протерра каже да продаја електричних аутобуса на батерије сада чини 10% укупног тржишта транспорта.
Још увек постоје неке препреке за широку примену композитних материјала у каросерији електричног аутобуса.Једна је специјализација потреба различитих купаца аутобуса.„Свака транзитна управа воли да набави аутобусе на другачији начин – конфигурацију седишта, отварање отвора. То је велики изазов за произвођаче аутобуса, а многе од тих конфигурационих ставки би могле да припадну нама.“„Алтман је рекао. „Произвођачи интегрисаних каросерија желе да имају стандардну конструкцију, али ако сваки купац жели висок степен прилагођавања, биће тешко то урадити.“ ТПИ наставља да ради са Протерром на побољшању дизајна аутобуса ради бољег управљања флексибилност коју захтевају крајњи купци.
Истражите могућност
Цомпоситес наставља да тестира да ли су његови материјали погодни за нове примене у масовном транспорту.У Великој Британији, ЕЛГ Царбон Фибре, специјализована за технологију за рециклажу и поновну употребу угљеничних влакана, предводи конзорцијум компанија које развијају лаке композитне материјале за обртна постоља у путничким аутомобилима.Окретно постоље подржава каросерију аутомобила, води коловоз и одржава његову стабилност.Они помажу у побољшању удобности вожње апсорбујући вибрације шине и минимизирајући центрифугалну силу док се воз окреће.
Један од циљева пројекта је производња окретних постоља која су 50 посто лакша од упоредивих металних постоља.„Ако је окретно постоље лакше, то ће проузроковати мање штете на стази, а пошто ће оптерећење на стази бити мање, време одржавања и трошкови одржавања могу да се смање“, каже Камил Сера, инжењер за развој производа ЕЛГ-а.Додатни циљеви су да се смање силе точкова са стране на шину за 40% и да се обезбеди праћење стања током животног века.Британски непрофитни одбор за безбедност и стандарде на железници (РССБ) финансира пројекат са циљем производње комерцијално одрживог производа.
Спроведена су опсежна производна испитивања и направљен је велики број тест панела коришћењем препрега од пресовања, конвенционалног мокрог полагања, перфузије и аутоклава.Пошто би производња обртних постоља била ограничена, компанија је одабрала епоксидни препрег осушен у аутоклаву као најисплативију методу изградње.
Прототип окретног постоља у пуној величини је дугачак 8,8 стопа, широк 6,7 стопа и висок 2,8 стопа.Направљен је од комбинације рециклираних угљеничних влакана (неткани јастучићи које обезбеђује ЕЛГ) и сирове тканине од угљеничних влакана.Једносмерна влакна ће се користити за главни елемент чврстоће и биће постављена у калуп помоћу роботске технологије.Биће изабран епоксид са добрим механичким својствима, који ће бити новоформулисани епоксид који успорава пламен и има сертификат ЕН45545-2 за употребу на железници.
За разлику од челичних постоља, која су заварена од кормиларских греда до две бочне греде, композитна обртна постоља ће се градити са различитим горњим и доњим деловима који се затим спајају.Да би се заменила постојећа метална постоља, композитна верзија ће морати да комбинује конзоле за вешање и кочнице и другу додатну опрему у истом положају.„За сада смо одлучили да задржимо челичне окове, али за даље пројекте би могло бити интересантно да заменимо челичне окове са композитним типовима како бисмо додатно смањили коначну тежину“, рекао је Сеурат.
Члан конзорцијума Групе за сензоре и композите на Универзитету у Бирмингему надгледа развој сензора, који ће бити интегрисан у композитно постоље у фази производње.„Већина сензора ће се фокусирати на праћење напрезања на дискретним тачкама на окретном постољу, док су други за сензор температуре“, рекао је Сеурат.Сензори ће омогућити праћење композитне структуре у реалном времену, омогућавајући прикупљање података о оптерећењу током животног века.Ово ће пружити драгоцене информације о вршном оптерећењу и дуготрајном умору.
Прелиминарне студије показују да би композитна окретна постоља требало да буду у стању да постигну жељено смањење тежине од 50%.Пројектни тим се нада да ће имати велико окретно постоље спремно за тестирање до средине 2019. године.Ако прототип буде радио како се очекивало, произвешће више окретних постоља за тестирање трамваја које производи Алстом, компанија за железнички транспорт.
Према Сеурату, иако има још много посла који треба да се уради, ране назнаке сугеришу да је могуће изградити комерцијално одржива композитна окретна постоља која могу да се такмиче са металним обртним постољима по цени и снази.„Онда мислим да постоји много опција и потенцијалних примена за композите у железничкој индустрији“, додала је она.(Чланак прештампан из карбонских влакана и његове композитне технологије од др Киан Ксин).
Време поста: мар-07-2023