Странските истражувања во областа на композитните материјали за железнички транзит траат речиси половина век.Иако брзиот развој на железничкиот транзит и брзата железница во Кина и примената на домашните композитни материјали во оваа област се во полн замав, армираното влакно од композитни материјали широко користено во странскиот железнички транзит е повеќе стаклени влакна, што се разликува од онаа на композитите од јаглеродни влакна во Кина.Како што беше споменато во овој напис, јаглеродните влакна се помалку од 10% од композитните материјали за каросеријата развиени од TPI Composites Company, а остатокот е стаклено влакно, така што може да ги балансира трошоците додека обезбедува лесна тежина.Масивната употреба на јаглеродни влакна неизбежно води до тешкотии во трошоците, така што може да се користи во некои клучни структурни компоненти како што се багите.
Повеќе од 50 години, Норплекс-Микарта, производител на термореактивни композити, има постојан бизнис со изработка на материјали за железнички транзитни апликации, вклучувајќи возови, системи за сопирање со лесни шини и електрична изолација за високи електрични шини.Но, денес, пазарот на компанијата се шири надвор од релативно тесната ниша во повеќе апликации како што се ѕидови, покриви и подови.
Дастин Дејвис, директор за развој на бизнисот за Норплекс-Микарта, верува дека железничките и другите пазари за масовен транспорт сè повеќе ќе даваат можности за неговата компанија, како и за другите производители и добавувачи на композитни материјали, во наредните години.Постојат неколку причини за овој очекуван раст, а една од нив е европското усвојување на стандардот за пожар EN 45545-2, кој воведува построги барања за заштита од пожар, чад и гас (FST) за масовен транспорт.Со користење на системи со фенолна смола, производителите на композитни материјали можат да ги вклучат потребните својства за заштита од пожар и чад во нивните производи.
Покрај тоа, операторите на автобуси, метро и воз почнуваат да ги сфаќаат предностите на композитните материјали во намалувањето на бучните вибрации и какофонијата.„Доколку некогаш сте биле во метро и сте слушнале штракање на метална плоча“, рече Дејвис.Ако панелот е направен од композитен материјал, ќе го исклучи звукот и ќе го направи возот потивок“.
Помалата тежина на композитот исто така го прави привлечен за автобуските превозници кои се заинтересирани да ја намалат употребата на гориво и да го прошират опсегот.Во извештајот од септември 2018 година, фирмата за истражување на пазарот Луцинтел предвиде дека глобалниот пазар за композити кои се користат во масовниот транспорт и теренските возила ќе порасне со годишна стапка од 4,6 отсто помеѓу 2018 и 2023 година, со потенцијална вредност од 1 милијарда долари до 2023 година. Можностите ќе доаѓаат од различни апликации, вклучително и надворешноста, внатрешноста, деловите на хаубата и погонската единица и електричните компоненти.
Норплекс-Микарта сега произведува нови делови кои во моментов се тестираат на лесни железници во Соединетите држави.Покрај тоа, компанијата продолжува да се фокусира на системи за електрификација со континуирани влакна материјали и ги комбинира со побрзи системи на смола за лекување.„Можете да ги намалите трошоците, да го зголемите производството и да ја донесете целосната функционалност на FST фенолот на пазарот“, објасни Дејвис.Додека композитните материјали можат да бидат поскапи од слични метални делови, Дејвис вели дека цената не е факторот што го одредува апликацијата што тие го проучуваат.
Лесен и отпорен на пламен
Обновувањето на флотата на европскиот железнички оператор Duetsche Bahn од 66 автомобили ICE-3 Express е една од можностите на композитните материјали за задоволување на специфичните потреби на клиентите.Системот за климатизација, системот за забава на патниците и новите седишта додадоа непотребна тежина на железничките вагони ICE-3.Покрај тоа, оригиналниот под од иверица не ги исполнуваше новите европски стандарди за пожар.На компанијата и требаше решение за подови за да помогне во намалувањето на тежината и да ги исполни стандардите за заштита од пожари.Лесниот композитен под е одговорот.
Saertex, производител на композитни ткаенини со седиште во Германија, нуди систем за материјали LEO® за своите подови.Даниел Стамп, глобален шеф на маркетинг во Saertex Group, рече дека LEO е слоевита ткаенина без стегање која нуди повисоки механички својства и поголем лесен потенцијал од ткаените ткаенини.Композитниот систем од четири компоненти вклучува специјални огноотпорни премази, материјали засилени со фиберглас, SAERfoam® (материјал на јадрото со интегрирани мостови од 3D-фиберглас) и LEO винилестер смоли.
SMT (исто така со седиште во Германија), производител на композитни материјали, го создаде подот преку процес на вакуумско полнење користејќи силиконски вакуумски кеси за повеќекратна употреба направени од Алан Харпер, британска компанија.„Заштедивме околу 50 отсто од тежината од претходната иверица“, рече Стамп.„Системот LEO се заснова на ламинати од континуирано влакно со систем со неполнета смола со одлични механички својства... Покрај тоа, композитот не скапува, што е голема предност, особено во областите каде што паѓа снег во зима и подот е влажен“.Подот, горниот тепих и гумениот материјал ги задоволуваат новите стандарди за отпорност на пламен.
SMT има произведено повеќе од 32.000 квадратни метри панели, кои се инсталирани во околу една третина од осумте возови ICE-3 до денес.За време на процесот на реновирање, големината на секој панел се оптимизира за да одговара на одреден автомобил.OEM на седанот ICE-3 беше толку импресиониран од новиот композитен под што нарача композитен покрив делумно да ја замени старата метална покривна конструкција во вагоните.
Оди подалеку
Протера, дизајнер со седиште во Калифорнија и производител на електрични автобуси со нулта емисија, користи композитни материјали во сите негови тела од 2009 година. ®E2 автобус.Тој автобус има лесна каросерија направена од производителот на композити TPI Composite.
* Неодамна, TPI соработуваше со Proterra за да произведе интегриран сè-во-едно композитен електричен автобус.„Во типичен автобус или камион има шасија, а каросеријата седи на врвот на таа шасија“, објаснува Тод Алтман, директор за стратегиски маркетинг во TPI.Со дизајнот на автобусот со тврда обвивка, ги интегриравме шасијата и телото, слично на дизајнот на автомобилот се-во-едно.“ Една структура е поефикасна од две посебни структури во исполнувањето на барањата за перформанси.
Каросеријата со една обвивка Proterra е направена наменски, дизајнирана од почеток да биде електрично возило.Тоа е важна разлика, рече Алтман, бидејќи искуството на многу производители на автомобили и производители на електрични автобуси беше обидот за ограничени обиди за прилагодување на нивните традиционални дизајни за мотори со внатрешно согорување на електрични возила.„Тие ги земаат постоечките платформи и се обидуваат да спакуваат што е можно повеќе батерии. Тоа не го нуди најдоброто решение од која било гледна точка.“, рече Алтман.
Многу електрични автобуси, на пример, имаат батерии во задниот дел или на врвот на возилото.Но, за Proterra, TPI може да ја монтира батеријата под автобусот.„Ако додавате голема тежина на структурата на возилото, сакате таа тежина да биде што е можно полесна, и од гледна точка на перформанси и од безбедносна гледна точка“, рече Алтман.Тој истакна дека многу производители на електрични автобуси и автомобили сега се враќаат на таблата за цртање за да развијат поефикасни и насочени дизајни за нивните возила.
TPI склучи петгодишен договор со Proterra за производство на до 3.350 композитни автобуски каросерии во капацитетите на TPI во Ајова и Род Ајленд.
Треба да се прилагоди
Дизајнирањето на телото на магистралата Catalyst бара TPI и Proterra постојано да ги балансираат силните и слабите страни на сите различни материјали за да можат да ги исполнат целите на трошоците додека постигнуваат оптимални перформанси.Алтман истакна дека искуството на TPI во производството на големи сечила за ветрови кои се долги околу 200 стапки и тежат 25.000 фунти им овозможува релативно лесно да произведат автобуски тела од 40 стапки кои тежат помеѓу 6.000 и 10.000 фунти.
TPI може да ја добие потребната структурна цврстина со селективно користење на јаглеродни влакна и задржување за да ги зајакне областите што носат најголем товар.„Ние користиме јаглеродни влакна каде што во основа можете да купите автомобил“, рече Алтман.Генерално, јаглеродните влакна сочинуваат помалку од 10 проценти од композитниот зајакнувачки материјал на телото, а остатокот е фиберглас.
TPI избра винил естер смола поради слична причина.„Кога ги гледаме епоксидите, тие се одлични, но кога ги лекувате, треба да ја подигнете температурата, па да ја загреете мувлата. Тоа е дополнителен трошок“, продолжи тој.
Компанијата користи калапи за пренос на смола со помош на вакуум (VARTM) за производство на композитни сендвич структури кои ја обезбедуваат потребната цврстина на една обвивка.Во текот на производниот процес, некои метални фитинзи (како што се навојни фитинзи и плочи за тапкање) се вградени во телото.Автобусот е поделен на горните и долните делови, кои потоа се лепат заедно.Работниците подоцна мора да додадат мали композитни украси како што се облоги, но бројот на делови е дел од металниот автобус.
По испраќањето на готовото тело во фабриката за производство на автобуси Proterra, производната линија тече побрзо бидејќи има помалку работа.„Тие не мора да го прават целото заварување, мелење и производство, и имаат многу едноставен интерфејс за поврзување на телото со погонската спрега“, додаде Алтман.Proterra заштедува време и ги намалува трошоците бидејќи е потребен помалку простор за производство за монокотичната обвивка.
Алтман верува дека побарувачката за композитни автобуски каросерии ќе продолжи да расте бидејќи градовите се свртуваат кон електричните автобуси за да го намалат загадувањето и да ги намалат трошоците.Според Proterra, електричните возила со батерии имаат најниска цена на работниот век на работа (12 години) во споредба со автобусите со дизел, компримиран природен гас или дизел хибридни автобуси.Тоа можеби е една од причините зошто Proterra вели дека продажбата на електрични автобуси на батерии сега сочинува 10% од вкупниот транспортен пазар.
Сè уште има некои пречки за широката примена на композитните материјали во телото на електричниот автобус.Една од нив е специјализација на потребите на различните автобуски клиенти.„Секој транзитен орган сака да добива автобуси на различен начин -- конфигурација на седиштата, отворање на отворот.„Интегрираните производители на каросерија сакаат да имаат стандардна конструкција, но ако секој клиент сака висок степен на прилагодување, ќе биде тешко да се направи тоа.“ TPI продолжува да работи со Proterra за да го подобри дизајнот на автобусот за подобро управување флексибилноста што ја бараат крајните клиенти.
Истражете ја можноста
Composites продолжува да тестира дали неговите материјали се погодни за нови апликации за масовен транспорт.Во Обединетото Кралство, ELG Carbon Fibre, кој е специјализиран за технологија за рециклирање и повторна употреба на јаглеродни влакна, го предводи конзорциумот на компании кои развиваат лесни композитни материјали за багови во патнички автомобили.Багажникот го поддржува телото на автомобилот, го води комплетот на тркалата и ја одржува неговата стабилност.Тие помагаат да се подобри удобноста при возењето со апсорпција на вибрациите на шините и минимизирање на центрифугалната сила додека возот се врти.
Една од целите на проектот е да се произведат шипки кои се 50 проценти полесни од споредливите метални шипки.„Ако багажникот е полесен, ќе предизвика помала штета на патеката, а бидејќи оптоварувањето на патеката ќе биде помало, времето за одржување и трошоците за одржување може да се намалат“, вели Камил Сеурат, инженер за развој на производи на ELG.Дополнителни цели се да се намалат силите на тркалата од страна на шината за 40% и да се обезбеди доживотно следење на состојбата.Непрофитниот одбор за безбедност и стандарди за железница на ОК (RSSB) го финансира проектот со цел да се произведе комерцијално исплатлив производ.
Извршени се обемни производствени тестови и изработени се голем број тест панели со употреба на препреги од пресување со матрица, конвенционално влажно поставување, перфузија и автоклав.Поради тоа што производството на машините ќе биде ограничено, компанијата избра епоксидна препрегумација изработена во автоклави како најисплатлив метод за изградба.
Прототипот на багажот со целосна големина е долг 8,8 стапки, широк 6,7 стапки и висок 2,8 стапки.Направен е од комбинација на рециклирани јаглеродни влакна (неткаени влошки обезбедени од ELG) и сурова ткаенина од јаглеродни влакна.Еднонасочните влакна ќе се користат за главниот цврст елемент и ќе се ставаат во калапот со помош на роботска технологија.Ќе биде избрана епоксидна материја со добри механички својства, која ќе биде новоформулирана епоксидна епоксидна материја којашто има сертификат EN45545-2 за употреба во железницата.
За разлика од челичните, кои се заваруваат од управувачките греди на две странични греди, композитните гала ќе се градат со различни врвови и долни делови кои потоа се спојуваат.За да се заменат постојните метални багажници, композитната верзија ќе треба да ги комбинира држачите за поврзување на суспензијата и сопирачките и другите додатоци во истата положба.„Засега избравме да ги задржиме челичните фитинзи, но за понатамошни проекти можеби е интересно да ги замениме челичните фитинзи со фитинзи од композитен тип за да можеме дополнително да ја намалиме конечната тежина“, рече Сеурат.
Член на конзорциумот на Групата за сензори и композити на Универзитетот во Бирмингем го надгледува развојот на сензорот, кој ќе биде интегриран во композитниот багаж во фазата на производство.„Повеќето сензори ќе се фокусираат на следење на напрегањето на дискретни точки на багажникот, додека други се за сензори за температура“, рече Сеурат.Сензорите ќе овозможат следење во реално време на композитната структура, овозможувајќи да се собираат податоци за оптоварувањето во текот на животот.Ова ќе обезбеди вредни информации за максималното оптоварување и долгорочниот замор.
Прелиминарните студии укажуваат на тоа дека композитните машини треба да можат да го постигнат саканото намалување на тежината за 50%.Проектниот тим се надева дека ќе има голем багаж подготвен за тестирање до средината на 2019 година.Ако прототипот работи како што се очекува, тие ќе произведат повеќе багии за тестирање на трамваи направени од Alstom, железничката транспортна компанија.
Според Сеурат, иако има уште многу работа да се направи, раните индикации сугерираат дека е можно да се изгради комерцијално одржлива композитна машина која може да се натпреварува со металните багажници по цена и сила.„Тогаш мислам дека има многу опции и потенцијални апликации за композити во железничката индустрија“, додаде таа.(Статија е препечатена од јаглеродни влакна и неговата композитна технологија од д-р. Qian Xin).
Време на објавување: Мар-07-2023 година