Чуждестранните изследвания в областта на композитните материали за железопътния транзит продължават близо половин век.Въпреки че бързото развитие на железопътния транзит и високоскоростната железопътна линия в Китай и прилагането на местни композитни материали в тази област са в разгара си, подсилените влакна от композитни материали, широко използвани в чуждестранния железопътен транзит, са повече от стъклени влакна, което е различно от този на композитите от въглеродни влакна в Китай.Както бе споменато в тази статия, въглеродните влакна са по-малко от 10% от композитните материали за каросерията, разработени от TPI Composites Company, а останалото са стъклени влакна, така че могат да балансират разходите, като същевременно гарантират лекота.Масовото използване на въглеродни влакна неизбежно води до затруднения в разходите, така че може да се използва в някои ключови структурни компоненти като талиги.
Повече от 50 години Norplex-Micarta, производител на термореактивни композити, има стабилен бизнес в производството на материали за приложения за железопътен транспорт, включително влакове, спирачни системи за леки железници и електрическа изолация за повдигнати електрически релси.Но днес пазарът на компанията се разширява отвъд относително тясна ниша към повече приложения като стени, покриви и подове.
Дъстин Дейвис, директор бизнес развитие за Norplex-Micarta, вярва, че железопътният и други пазари за масов транспорт ще предоставят все повече възможности за неговата компания, както и за други производители и доставчици на композитни материали през следващите години.Има няколко причини за този очакван растеж, една от които е европейското приемане на противопожарния стандарт EN 45545-2, който въвежда по-строги изисквания за защита от пожар, дим и газ (FST) за масов транспорт.Използвайки системи от фенолни смоли, производителите на композитни материали могат да включат необходимите свойства за защита от огън и дим в своите продукти.
Освен това операторите на автобуси, метро и влакове започват да осъзнават предимствата на композитните материали за намаляване на шумните вибрации и какофонията.„Ако някога сте били в метрото и сте чували тракане на метална плоча“, каза Дейвис.Ако панелът е направен от композитен материал, той ще заглуши звука и ще направи влака по-тих."
По-малкото тегло на композита също го прави привлекателен за автобусните оператори, които се интересуват от намаляване на потреблението на гориво и разширяване на обхвата му.В доклад от септември 2018 г. фирмата за пазарни проучвания Lucintel прогнозира, че глобалният пазар на композитни материали, използвани в масовия транспорт и превозните средства с висока проходимост, ще расте с годишен темп от 4,6 процента между 2018 и 2023 г., с потенциална стойност от 1 милиард долара до 2023 г. Възможностите ще дойдат от различни приложения, включително екстериор, интериор, части на капака и задвижването и електрически компоненти.
Сега Norplex-Micarta произвежда нови части, които в момента се тестват на леки железопътни линии в Съединените щати.В допълнение, компанията продължава да се фокусира върху системи за електрификация с материали с непрекъснати влакна и ги комбинира с по-бързо втвърдяващи се системи от смоли.„Можете да намалите разходите, да увеличите производството и да донесете пълната функционалност на FST phenolic на пазара“, обясни Дейвис.Докато композитните материали могат да бъдат по-скъпи от подобни метални части, Дейвис казва, че цената не е определящият фактор за приложението, който те изучават.
Лек и огнеупорен
Обновяването на парка от 66 вагона ICE-3 Express на европейския железопътен оператор Duetsche Bahn е една от възможностите на композитните материали да отговарят на специфичните нужди на клиентите.Климатичната система, системата за развлечение на пътниците и новите седалки добавиха ненужно тегло към железопътните вагони ICE-3.Освен това оригиналният под от шперплат не отговаря на новите европейски противопожарни стандарти.Компанията се нуждаеше от решение за подова настилка, което да помогне за намаляване на теглото и да отговори на стандартите за противопожарна защита.Леките композитни подови настилки са отговорът.
Saertex, производител на композитни тъкани, базиран в Германия, предлага система от материали LEO® за своите подови настилки.Даниел Стъмп, глобален ръководител на маркетинга в Saertex Group, каза, че LEO е пластова, ненагъната материя, която предлага по-високи механични свойства и по-голям потенциал за лекота от тъканите тъкани.Четирикомпонентната композитна система включва специални огнеустойчиви покрития, материали, подсилени с фибростъкло, SAERfoam® (основен материал с интегрирани 3D-мостове от фибростъкло) и LEO винилестерни смоли.
SMT (също базиран в Германия), производител на композитни материали, създаде пода чрез процес на вакуумно пълнене, използвайки силиконови вакуумни торби за многократна употреба, произведени от Alan Harper, британска компания.„Спестихме около 50 процента от теглото от предишния шперплат“, каза Стъмп.„Системата LEO се основава на ламинати от непрекъснати влакна със система от смола без пълнеж с отлични механични свойства... В допълнение, композитът не гние, което е голямо предимство, особено в райони, където вали сняг през зимата и подът е мокър."Подът, горният килим и гуменият материал отговарят на новите стандарти за забавяне на горенето.
SMT е произвела повече от 32 000 квадратни фута панели, които са монтирани в около една трета от осемте влака ICE-3 до момента.По време на процеса на обновяване размерът на всеки панел се оптимизира, за да пасне на конкретен автомобил.Производителят на оригинално оборудване на седана ICE-3 беше толкова впечатлен от новата композитна настилка, че поръча композитен покрив, за да замени частично старата метална покривна конструкция на железопътните вагони.
Продължи напред
Proterra, базиран в Калифорния дизайнер и производител на електрически автобуси с нулеви емисии, използва композитни материали във всичките си каросерии от 2009 г. насам. През 2017 г. компанията постави рекорд, като измина 1100 еднопосочни мили със своя зареден с батерии Catalyst ®E2 автобус.Този автобус разполага с лека каросерия, направена от производителя на композитни материали TPI Composite.
* Наскоро TPI си сътрудничи с Proterra за производството на интегриран композитен електрически автобус „всичко в едно“.„В типичния автобус или камион има шаси и каросерията седи върху това шаси“, обяснява Тод Алтман, директор на стратегическия маркетинг в TPI.С дизайна на твърдата обвивка на автобуса, ние интегрирахме шасито и каросерията заедно, подобно на дизайна на автомобила "всичко в едно." Една единствена структура е по-ефективна от две отделни структури при посрещане на изискванията за производителност.
Еднокорпусното тяло на Proterra е специално създадено, проектирано от нулата да бъде електрическо превозно средство.Това е важно разграничение, каза Алтман, тъй като опитът на много автомобилни производители и производители на електрически автобуси е да опитат ограничени опити да адаптират своите традиционни проекти за двигатели с вътрешно горене към електрически превозни средства."Те вземат съществуващи платформи и се опитват да опаковат възможно най-много батерии. Това не предлага най-доброто решение от никоя гледна точка."“, каза Алтман.
Много електрически автобуси, например, имат батерии в задната или горната част на превозното средство.Но за Proterra TPI може да монтира батерията под автобуса.„Ако добавяте много тегло към структурата на превозното средство, искате това тегло да бъде възможно най-малко, както от гледна точка на производителността, така и от гледна точка на безопасността“, каза Алтман.Той отбеляза, че много производители на електрически автобуси и автомобили сега се връщат към чертожната дъска, за да разработят по-ефективни и целеви дизайни за своите превозни средства.
TPI сключи петгодишно споразумение с Proterra за производство на до 3350 композитни автобусни каросерии в съоръженията на TPI в Айова и Роуд Айлънд.
Необходимо е персонализиране
Проектирането на каросерията на автобуса Catalyst изисква TPI и Proterra постоянно да балансират силните и слабите страни на всички различни материали, така че да могат да постигнат целите за разходите, като същевременно постигат оптимална производителност.Алтман отбеляза, че опитът на TPI в производството на големи вятърни перки, които са дълги около 200 фута и тежат 25 000 паунда, ги прави сравнително лесни за производството на 40-футови каросерии на автобуси, които тежат между 6000 и 10 000 паунда.
TPI е в състояние да получи необходимата структурна здравина чрез селективно използване на въглеродни влакна и запазването им, за да подсили зоните, които носят най-голямо натоварване.„Ние използваме въглеродни влакна, където можете да си купите кола“, каза Алтман.Като цяло въглеродните влакна съставляват по-малко от 10 процента от композитния подсилващ материал на каросерията, а останалото е фибростъкло.
TPI избра винилестерна смола по подобна причина.„Когато разглеждаме епоксидите, те са страхотни, но когато ги втвърдите, трябва да повишите температурата, така че трябва да загреете матрицата. Това е допълнителен разход“, продължи той.
Компанията използва формоване с вакуумно прехвърляне на смола (VARTM), за да произвежда композитни сандвич структури, които осигуряват необходимата твърдост на единична обвивка.По време на производствения процес, някои метални фитинги (като фитинги с резба и накрайници) се вграждат в тялото.Автобусът е разделен на горна и долна част, които след това са залепени заедно.Работниците трябва по-късно да добавят малки композитни украшения като обтекатели, но броят на частите е малка част от металния автобус.
След изпращане на готовата каросерия до завода за производство на автобуси Proterra, производствената линия протича по-бързо, защото има по-малко работа за вършене.„Не им се налага да извършват цялото заваряване, шлифоване и производство и имат много прост интерфейс за свързване на каросерията към задвижването“, добави Алтман.Proterra спестява време и намалява режийните разходи, тъй като е необходимо по-малко производствено пространство за монокотична черупка.
Алтман вярва, че търсенето на композитни каросерии на автобуси ще продължи да расте, тъй като градовете се обръщат към електрически автобуси, за да намалят замърсяването и разходите.Според Proterra електрическите превозни средства с батерии имат най-ниските разходи за експлоатационен живот (12 години) в сравнение с дизеловите автобуси, сгъстения природен газ или дизеловите хибридни автобуси.Това може да е една от причините, поради които Proterra казва, че продажбите на захранвани с батерии електрически автобуси сега представляват 10% от общия транспортен пазар.
Все още има някои пречки пред широкото приложение на композитни материали в каросерията на електрически автобуси.Едната е специализацията на различните нужди на клиентите на автобусите.„Всеки транспортен орган иска да получава автобуси по различен начин – конфигурация на седалките, отваряне на люка. Това е голямо предизвикателство за производителите на автобуси и много от тези елементи на конфигурацията могат да отидат при нас.“"Каза Алтман. "Производителите на интегрирани каросерии искат да имат стандартна конструкция, но ако всеки клиент иска висока степен на персонализиране, ще бъде трудно да се направи това." TPI продължава да работи с Proterra за подобряване на дизайна на автобуса за по-добро управление гъвкавостта, изисквана от крайните клиенти.
Проучете възможността
Composites продължава да тества дали неговите материали са подходящи за нови приложения за масов транспорт.В Обединеното кралство ELG Carbon Fibre, която е специализирана в технологии за рециклиране и повторно използване на въглеродни влакна, ръководи консорциум от компании, разработващи леки композитни материали за талиги в пътнически автомобили.Талигата поддържа тялото на автомобила, направлява колоосите и поддържа стабилността му.Те спомагат за подобряване на комфорта при пътуване, като абсорбират вибрациите на релсите и минимизират центробежната сила при завиване на влака.
Една от целите на проекта е да произвежда талиги, които са 50 процента по-леки от сравнимите метални талиги.„Ако талигата е по-лека, това ще причини по-малко щети на релсовия път и тъй като натоварването на релсовия път ще бъде по-малко, времето за поддръжка и разходите за поддръжка могат да бъдат намалени“, казва Камил Сьора, инженер по разработване на продукти на ELG.Допълнителните цели са да се намалят силите на колелото отстрани към релсата с 40% и да се осигури мониторинг на състоянието през целия живот.Обединеното кралство с нестопанска цел за железопътна безопасност и стандарти (RSSB) финансира проекта с цел производство на търговски жизнеспособен продукт.
Проведени са обширни производствени изпитания и са направени редица тестови панели с помощта на препреги от пресоване на матрица, конвенционално мокро полагане, перфузия и автоклав.Тъй като производството на талигите ще бъде ограничено, компанията избра епоксиден препрег, втвърден в автоклави, като най-рентабилния метод за конструиране.
Прототипът на талигата в пълен размер е дълъг 8,8 фута, широк 6,7 фута и висок 2,8 фута.Изработен е от комбинация от рециклирани въглеродни влакна (нетъкани подложки, предоставени от ELG) и суров плат от въглеродни влакна.Еднопосочните влакна ще бъдат използвани за основния якостен елемент и ще бъдат поставени във формата с помощта на роботизирана технология.Ще бъде избрана епоксидна смола с добри механични свойства, която ще бъде новосъздадена епоксидна смола със забавяне на горенето, която е сертифицирана по EN45545-2 за използване в железниците.
За разлика от стоманените талиги, които са заварени от кормилни греди към две странични греди, композитните талиги ще бъдат изградени с различни горни и долни части, които след това се съединяват.За да замени съществуващите метални талиги, композитната версия ще трябва да комбинира скобите за свързване на окачването и спирачката и други аксесоари на същото място.„Засега сме избрали да запазим стоманените фитинги, но за по-нататъшни проекти може да е интересно да заменим стоманените фитинги с композитни фитинги, така че да можем допълнително да намалим крайното тегло“, каза Seurat.
Член на консорциума на групата Sensors and Composites в университета в Бирмингам наблюдава разработването на сензора, който ще бъде интегриран в композитната талига на етапа на производство.„Повечето сензори ще се съсредоточат върху наблюдението на напрежението в отделни точки на талигата, докато други са за отчитане на температурата“, каза Seurat.Сензорите ще позволят наблюдение в реално време на композитната структура, позволявайки събирането на данни за натоварването през целия живот.Това ще предостави ценна информация за пиковото натоварване и дълготрайната умора.
Предварителните проучвания показват, че композитните талиги трябва да могат да постигнат желаното намаляване на теглото от 50%.Екипът на проекта се надява да има голяма талига, готова за тестване до средата на 2019 г.Ако прототипът работи според очакванията, те ще произвеждат повече талиги за тестване на трамваи, произведени от Alstom, железопътната транспортна компания.
Според Seurat, въпреки че има още много работа за вършене, първите признаци показват, че е възможно да се изгради търговски жизнеспособна композитна талига, която може да се конкурира с металните талиги по цена и здравина.„Тогава мисля, че има много възможности и потенциални приложения за композити в железопътната индустрия“, добави тя.(Статията е препечатана от Carbon Fiber and Its Composite Technology от д-р Qian Xin).
Време на публикуване: 07 март 2023 г