Закордонні дослідження в галузі композиційних матеріалів для залізничного транспорту тривають майже півстоліття.Незважаючи на те, що швидкий розвиток залізничного транзиту та високошвидкісної залізниці в Китаї та застосування вітчизняних композитних матеріалів у цій галузі йде повним ходом, армоване волокно композитних матеріалів, яке широко використовується в іноземному залізничному транзиті, є більш скляним волокном, яке відрізняється від що композитів з вуглецевого волокна в Китаї.Як згадувалося в цій статті, вуглецеве волокно становить менше 10% композитних матеріалів для кузова, розроблених компанією TPI Composites, а решту становить скловолокно, тому це може збалансувати вартість, забезпечуючи легкість.Масове використання вуглецевого волокна неминуче призводить до проблем з витратами, тому його можна використовувати в деяких ключових структурних компонентах, таких як візки.
Понад 50 років Norplex-Micarta, виробник термореактивних композитів, має стійкий бізнес із виробництва матеріалів для залізничного транспорту, включаючи поїзди, гальмівні системи легких рейків та електричну ізоляцію для піднятих електричних рейок.Але сьогодні ринок компанії виходить за межі відносно вузької ніші на нові сфери застосування, такі як стіни, дахи та підлоги.
Дастін Девіс, директор з розвитку бізнесу Norplex-Micarta, вважає, що залізничні ринки та інші ринки масових перевезень нададуть все більше можливостей для його компанії, а також для інших виробників і постачальників композитних матеріалів у найближчі роки.Є кілька причин для такого очікуваного зростання, одна з яких – прийняття Європейським стандартом пожежної безпеки EN 45545-2, який запроваджує більш суворі вимоги щодо захисту від пожежі, диму та газу (FST) для масового транспорту.Використовуючи системи фенольних смол, виробники композитів можуть надати своїй продукції необхідні протипожежні та димозахисні властивості.
Крім того, оператори автобусів, метро та поїздів починають усвідомлювати переваги композитних матеріалів у зменшенні шумової вібрації та какофонії.«Якщо ви коли-небудь були в метро і чули, як брязкає металева пластина», — сказав Девіс.Якщо панель з композитного матеріалу, то вона заглушить звук і зробить поїзд тихішим».
Менша вага композиту також робить його привабливим для автобусних операторів, зацікавлених у зменшенні використання палива та розширенні його асортименту.У звіті за вересень 2018 року дослідницька компанія Lucintel передбачила, що світовий ринок композитів, які використовуються в масовому транспорті та позашляховиках, зростатиме щорічно на 4,6 відсотка між 2018 і 2023 роками з потенційною вартістю 1 мільярд доларів до 2023 року. Можливості з’являться в різноманітних сферах застосування, включаючи екстер’єр, інтер’єр, деталі капота та трансмісії, а також електричні компоненти.
Зараз Norplex-Micarta виробляє нові деталі, які зараз випробовуються на лініях легкорейкового транспорту в Сполучених Штатах.Крім того, компанія продовжує зосереджуватися на системах електрифікації з безперервними волокнистими матеріалами та поєднує їх із системами смол, які швидше затвердіють.«Ви можете зменшити витрати, збільшити виробництво та вивести на ринок повну функціональність FST phenolic», — пояснив Девіс.Хоча композитні матеріали можуть бути дорожчими за аналогічні металеві частини, Девіс каже, що вартість не є визначальним фактором застосування, який вони вивчають.
Легкий і вогнестійкий
Оновлення парку 66 вагонів ICE-3 Express європейського залізничного оператора Duetsche Bahn є однією з можливостей композитних матеріалів для задоволення конкретних потреб клієнтів.Система кондиціонування, система розваг для пасажирів і нові сидіння додали непотрібної ваги вагонам ICE-3.Крім того, оригінальна фанерна підлога не відповідала новим європейським протипожежним стандартам.Компанії знадобилося рішення для покриття підлоги, щоб зменшити вагу та відповідати стандартам протипожежного захисту.Легка композитна підлога – це відповідь.
Saertex, німецький виробник композитних матеріалів, пропонує систему матеріалів LEO® для своїх підлогових покриттів.Деніел Стамп, глобальний керівник відділу маркетингу Saertex Group, сказав, що LEO — це багатошарова тканина без гофр, яка має вищі механічні властивості та більший потенціал легкості, ніж ткані тканини.Чотирикомпонентна композитна система включає спеціальні вогнестійкі покриття, матеріали, армовані скловолокном, SAERfoam® (матеріал серцевини з інтегрованими 3D-скловолоконними мостами) і вінілефірні смоли LEO.
SMT (також базується в Німеччині), виробник композитних матеріалів, створив підлогу за допомогою процесу вакуумного наповнення з використанням силіконових вакуумних пакетів багаторазового використання, виготовлених британською компанією Alan Harper.«Ми заощадили близько 50 відсотків ваги попередньої фанери», — сказав Стамп.«Система LEO заснована на безперервних волокнистих ламінатах із системою смоли без наповнювача з відмінними механічними властивостями... Крім того, композит не гниє, що є великою перевагою, особливо в регіонах, де взимку падає сніг і підлога мокра».Підлога, верхній килим і гумовий матеріал відповідають новим стандартам вогнестійкості.
SMT виготовив понад 32 000 квадратних футів панелей, які були встановлені приблизно в третині з восьми поїздів ICE-3 на сьогоднішній день.У процесі реконструкції розмір кожної панелі оптимізується відповідно до конкретного автомобіля.Виробник оригінального обладнання седана ICE-3 був настільки вражений новою композитною підлогою, що замовив композитний дах, щоб частково замінити стару металеву конструкцію даху у залізничних вагонах.
Йти далі
Proterra, каліфорнійський розробник і виробник електричних автобусів з нульовим рівнем викидів, використовує композитні матеріали для всіх своїх кузовів з 2009 року. У 2017 році компанія встановила рекорд, проїхавши 1100 миль в одну сторону на своєму Catalyst, що заряджається від акумулятора. Шина ®E2.Цей автобус має легкий кузов, виготовлений виробником композитних матеріалів TPI Composite.
* Нещодавно TPI співпрацювала з Proterra для виробництва інтегрованого композитного електричного автобуса «все в одному».«У типовому автобусі чи вантажівці є шасі, а кузов розташований на цьому шасі», — пояснює Тодд Альтман, директор зі стратегічного маркетингу TPI.Завдяки жорсткій конструкції автобуса ми об’єднали шасі та кузов разом, подібно до конструкції автомобіля «все-в-одному». Одна конструкція є більш ефективною, ніж дві окремі конструкції, що відповідає вимогам продуктивності.
Одношаровий кузов Proterra створений спеціально для електромобіля з нуля.Це важлива відмінність, сказав Альтман, оскільки досвід багатьох автовиробників і виробників електричних автобусів полягав у спробах обмежених спроб адаптувати свої традиційні конструкції двигунів внутрішнього згоряння до електромобілів.«Вони беруть існуючі платформи і намагаються зібрати якомога більше батарей. Це не пропонує найкращого рішення з будь-якої точки зору».", - сказав Альтман.
Багато електричних автобусів, наприклад, мають акумулятори в задній або верхній частині автомобіля.Але для Proterra TPI може встановити батарею під шиною.«Якщо ви додаєте велику вагу конструкції транспортного засобу, ви хочете, щоб ця вага була якомога легшою як з точки зору продуктивності, так і з точки зору безпеки», — сказав Альтман.Він зазначив, що багато виробників електричних автобусів і автомобілів зараз повертаються до креслярської дошки, щоб розробити більш ефективні та цілеспрямовані конструкції для своїх транспортних засобів.
TPI уклала п'ятирічний договір з Proterra про виробництво до 3350 композитних автобусних кузовів на підприємствах TPI в Айові та Род-Айленді.
Потрібно налаштувати
Розробка кузова шини Catalyst вимагає, щоб TPI і Proterra постійно балансували між сильними і слабкими сторонами всіх різних матеріалів, щоб вони могли відповідати цілям витрат і одночасно досягати оптимальної продуктивності.Альтман зазначив, що досвід TPI у виробництві великих вітряних лопатей довжиною близько 200 футів і вагою 25 000 фунтів дозволяє відносно легко виготовляти 40-футові автобусні кузови вагою від 6000 до 10 000 фунтів.
TPI здатний отримати необхідну структурну міцність, вибірково використовуючи вуглецеве волокно та зберігаючи його для посилення областей, які несуть найбільше навантаження.«Ми використовуємо вуглецеве волокно там, де можна купити автомобіль», — сказав Альтман.Загалом вуглецеве волокно становить менше 10 відсотків композитного армуючого матеріалу кузова, решта – скловолокно.
TPI обрала вінілефірну смолу з подібної причини.«Коли ми дивимося на епоксидні смоли, вони чудові, але коли ви їх твердите, вам потрібно підвищити температуру, тому вам доведеться нагріти форму. Це додаткові витрати», — продовжив він.
Компанія використовує вакуумне перенесення смолою (VARTM) для виробництва композитних сендвіч-структур, які забезпечують необхідну жорсткість єдиної оболонки.Під час виробничого процесу деякі металеві фітинги (такі як різьбові фітинги та різьбові пластини) вбудовуються в корпус.Автобус ділиться на верхню і нижню частини, які потім склеюються.Пізніше працівникам доводиться додавати невеликі композиційні прикраси, такі як обтічники, але кількість деталей становить незначну кількість металевого автобуса.
Після відправки готового кузова на завод з виробництва автобусів Proterra виробнича лінія йде швидше, оскільки потрібно виконати менше роботи.«Їм не потрібно займатися зварюванням, шліфуванням і виготовленням, і вони мають дуже простий інтерфейс для підключення кузова до трансмісії», — додав Альтман.Proterra економить час і зменшує накладні витрати, оскільки для однодольних оболонок потрібно менше виробничого простору.
Альтман вважає, що попит на композитні автобусні кузови продовжить зростати, оскільки міста переходять на електричні автобуси, щоб зменшити забруднення та скоротити витрати.За даними Proterra, електромобілі з акумуляторами мають найнижчу вартість життєвого циклу (12 років) порівняно з дизельними автобусами, автобусами на стисненому природному газі або дизельними гібридними автобусами.Це може бути однією з причин, чому Proterra каже, що продажі електричних автобусів на акумуляторах зараз становлять 10% від усього транспортного ринку.
Існують певні перешкоди для широкого застосування композитних матеріалів у кузовах електробусів.Одна з них – спеціалізація на потреби клієнтів різних автобусів.«Кожен транспортний орган хоче отримати автобуси по-різному — конфігурацію сидінь, відкривання люка. Це великий виклик для виробників автобусів, і багато з цих елементів конфігурації можуть піти до нас».Альтман сказав: «Виробники інтегрованих кузовів хочуть мати стандартну конструкцію, але якщо кожен клієнт бажає високого рівня індивідуальних налаштувань, це буде важко зробити». TPI продовжує працювати з Proterra над вдосконаленням конструкції автобуса для кращого керування гнучкість, необхідна кінцевим клієнтам.
Вивчіть можливість
Composites продовжує перевіряти, чи придатні її матеріали для нових застосувань масового транспорту.У Великобританії компанія ELG Carbon Fibre, яка спеціалізується на технології переробки та повторного використання вуглецевого волокна, очолює консорціум компаній, що розробляють легкі композитні матеріали для візків у легкових автомобілях.Візок підтримує кузов автомобіля, направляє колісну пару та підтримує її стійкість.Вони допомагають підвищити комфорт їзди, поглинаючи вібрацію рейок і мінімізуючи відцентрову силу під час повороту поїзда.
Однією з цілей проекту є виробництво візків, які на 50 відсотків легші за аналогічні металеві візки.«Якщо візок легший, це завдасть менше шкоди колії, а оскільки навантаження на колію буде нижчим, можна скоротити час і витрати на технічне обслуговування», — каже Каміль Сера, інженер з розробки продуктів ELG.Додаткові цілі полягають у тому, щоб зменшити силу опору колеса на рейку на 40% і забезпечити моніторинг стану протягом усього терміну експлуатації.Британська некомерційна Рада з безпеки та стандартів залізничного транспорту (RSSB) фінансує проект з метою виробництва комерційно життєздатного продукту.
Було проведено масштабні виробничі випробування та виготовлено низку тестових панелей з використанням препрегів у формі пресування, звичайного мокрого укладання, перфузії та автоклавування.Оскільки виробництво візків буде обмеженим, компанія вибрала епоксидний препрег, витриманий в автоклавах, як найбільш економічно ефективний метод конструкції.
Повнорозмірний прототип візка має довжину 8,8 футів, ширину 6,7 футів і висоту 2,8 футів.Він виготовлений із комбінації переробленого вуглецевого волокна (неткані прокладки, надані ELG) і сирої тканини з вуглецевого волокна.Односторонні волокна будуть використовуватися як основний міцний елемент і будуть розміщені у формі за допомогою роботизованої технології.Буде вибрано епоксидну смолу з хорошими механічними властивостями, яка буде новоствореною вогнезахисною епоксидною смолою, сертифікованою EN45545-2 для використання на залізницях.
На відміну від сталевих візків, які зварені з рульових балок до двох бічних балок, композитні візки будуть побудовані з різними верхами та днищами, які потім з’єднуються разом.Щоб замінити існуючі металеві візки, комбінована версія повинна буде об’єднати кронштейни з’єднання підвіски та гальма та інші аксесуари в одному місці.«Поки що ми вирішили залишити сталеві фітинги, але для подальших проектів може бути цікаво замінити сталеві фітинги на композитні, щоб ми могли ще більше зменшити кінцеву вагу», — сказав Сьора.
Член консорціуму Sensors and Composites Group при Університеті Бірмінгема контролює розробку датчика, який буде інтегровано в композитний візок на етапі виробництва.«Більшість датчиків будуть зосереджені на моніторингу деформації в окремих точках візка, а інші — на вимірюванні температури», — сказав Сера.Датчики дозволять контролювати композитну структуру в режимі реального часу, дозволяючи збирати дані про навантаження протягом усього терміну служби.Це дасть цінну інформацію про пікове навантаження та тривалу втому.
Попередні дослідження показують, що композитні візки можуть досягти бажаного зниження ваги на 50%.Команда проекту сподівається, що великий візок буде готовий до випробувань до середини 2019 року.Якщо прототип працюватиме так, як очікується, вони вироблятимуть більше візків для випробування трамваїв, виготовлених Alstom, компанією залізничного транспорту.
За словами Сьора, хоча роботи ще багато, перші ознаки свідчать про те, що можна створити комерційно життєздатний композитний візок, який зможе конкурувати з металевими візками за вартістю та міцністю.«Тоді я думаю, що існує багато варіантів і потенційних застосувань для композитів у залізничній галузі», – додала вона.(Стаття передрукована з Carbon Fiber and Its Composite Technology доктором Qian Xin).
Час публікації: 07 березня 2023 р