Зарубежные исследования в области композиционных материалов для железнодорожного транспорта продолжаются уже почти полвека.Хотя быстрое развитие железнодорожного транспорта и высокоскоростных железных дорог в Китае и применение отечественных композитных материалов в этой области идут полным ходом, армированное волокно композиционных материалов, широко используемое в зарубежном железнодорожном транспорте, представляет собой больше стекловолокна, которое отличается от что касается композитов из углеродного волокна в Китае.Как упоминалось в этой статье, углеродное волокно составляет менее 10% композитных материалов для кузова, разработанных компанией TPI Composites, а остальная часть — стекловолокно, поэтому оно может сбалансировать стоимость, обеспечивая при этом легкий вес.Массовое использование углеродного волокна неизбежно приводит к финансовым трудностям, поэтому его можно использовать в некоторых ключевых конструктивных компонентах, таких как тележки.
Уже более 50 лет компания Norplex-Micarta, производитель термореактивных композитов, имеет устойчивый бизнес по производству материалов для железнодорожного транспорта, включая поезда, тормозные системы легкорельсового транспорта и электроизоляцию для надземных электрических рельсов.Но сегодня рынок компании выходит за рамки относительно узкой ниши и охватывает новые области применения, такие как стены, крыши и полы.
Дастин Дэвис, директор по развитию бизнеса Norplex-Micarta, считает, что в ближайшие годы рынки железнодорожного и других видов общественного транспорта будут предоставлять все больше возможностей для его компании, а также для других производителей и поставщиков композитных материалов.Для такого ожидаемого роста есть несколько причин, одной из которых является принятие в Европе стандарта пожарной безопасности EN 45545-2, который вводит более строгие требования по пожарной, дымовой и газовой защите (FST) для массового транспорта.Используя системы фенольных смол, производители композитов могут обеспечить необходимые противопожарные и дымозащитные свойства своей продукции.
Кроме того, операторы автобусов, метро и поездов начинают осознавать преимущества композитных материалов в снижении шумовой вибрации и какофонии.«Если вы когда-нибудь были в метро и слышали грохот металлической пластины», — сказал Дэвис.Если панель будет сделана из композитного материала, она приглушит звук и сделает поезд тише».
Более легкий вес композита также делает его привлекательным для операторов автобусов, заинтересованных в сокращении потребления топлива и расширении дальности полета.В отчете за сентябрь 2018 года исследовательская фирма Lucintel предсказала, что мировой рынок композитов, используемых в массовом транспорте и внедорожниках, будет расти ежегодными темпами на 4,6 процента в период с 2018 по 2023 год, а к 2023 году его потенциальная стоимость составит 1 миллиард долларов. Возможности будут открываться из различных областей применения, включая внешние и внутренние детали, детали капота и трансмиссии, а также электрические компоненты.
Norplex-Micarta теперь производит новые детали, которые в настоящее время проходят испытания на линиях легкорельсового транспорта в США.Кроме того, компания продолжает уделять особое внимание системам электрификации с использованием непрерывных волокнистых материалов и сочетает их с системами быстро отверждающихся смол.«Вы можете снизить затраты, увеличить производство и вывести на рынок полную функциональность фенольной смолы FST», — объяснил Дэвис.Хотя композитные материалы могут быть дороже, чем аналогичные металлические детали, Дэвис говорит, что стоимость не является определяющим фактором применения, который они изучают.
Легкий и огнестойкий
Модернизация парка европейского железнодорожного оператора Duetsche Bahn, состоящего из 66 вагонов ICE-3 Express, является одной из возможностей использования композитных материалов для удовлетворения конкретных потребностей клиентов.Система кондиционирования, система развлечений для пассажиров и новые сиденья прибавили вагонам ДВС-3 лишний вес.Кроме того, оригинальный фанерный пол не соответствовал новым европейским нормам пожарной безопасности.Компании требовалось решение для напольного покрытия, которое помогло бы снизить вес и соответствовать стандартам противопожарной защиты.Легкий композитный пол – вот ответ.
Saertex, производитель композитных тканей из Германии, предлагает систему материалов LEO® для своих напольных покрытий.Дэниел Стампп, руководитель глобального отдела маркетинга Saertex Group, сказал, что LEO — это многослойная, неизвитая ткань, которая обладает более высокими механическими свойствами и большим потенциалом легкости, чем тканые ткани.Четырехкомпонентная композитная система включает в себя специальные огнестойкие покрытия, материалы, армированные стекловолокном, SAERfoam® (материал сердцевины со встроенными 3D-стекловолоконными мостами) и винилэфирные смолы LEO.
Компания SMT (также базирующаяся в Германии), производитель композитных материалов, создала пол с помощью процесса вакуумного наполнения с использованием многоразовых силиконовых вакуумных пакетов, изготовленных британской компанией Alan Harper.«Мы сэкономили около 50 процентов веса по сравнению с предыдущей фанерой», — сказал Стампп.«Система LEO основана на ламинатах с непрерывным волокном и системе смол без наполнителей с превосходными механическими свойствами... Кроме того, композит не гниет, что является большим преимуществом, особенно в районах, где зимой идет снег, и пол мокрый».Пол, верхний ковер и резиновый материал соответствуют новым стандартам огнестойкости.
SMT произвела более 32 000 квадратных футов панелей, которые на сегодняшний день установлены примерно в трети из восьми поездов ICE-3.В процессе ремонта размер каждой панели оптимизируется под конкретный автомобиль.Производитель седана ICE-3 был настолько впечатлен новым композитным полом, что заказал композитную крышу для частичной замены старой металлической конструкции крыши в железнодорожных вагонах.
Идти дальше
Proterra, калифорнийский разработчик и производитель электрических автобусов с нулевым уровнем выбросов, использует композитные материалы во всех своих кузовах с 2009 года. В 2017 году компания установила рекорд, проехав 1100 миль в одну сторону на своем Catalyst с аккумулятором. ® Автобус Е2.Этот автобус имеет легкий кузов, изготовленный производителем композитных материалов TPI Composite.
* Недавно TPI сотрудничала с Proterra для производства интегрированного композитного электрического автобуса «все в одном».«В типичном автобусе или грузовике есть шасси, а над ним расположен кузов», — объясняет Тодд Альтман, директор по стратегическому маркетингу TPI.В конструкции автобуса с жестким корпусом мы объединили шасси и кузов вместе, аналогично конструкции автомобиля «все в одном».
Однокорпусный кузов Proterra специально создан и спроектирован с нуля для использования в качестве электромобиля.По словам Альтмана, это важное различие, поскольку опыт многих автопроизводителей и производителей электробусов заключался в ограниченных попытках адаптировать свои традиционные конструкции двигателей внутреннего сгорания к электромобилям.«Они берут существующие платформы и пытаются упаковать как можно больше батарей. Это не лучшее решение с любой точки зрения»."Сказал Альтман.
Например, многие электрические автобусы имеют аккумуляторы сзади или сверху автомобиля.Но для Proterra TPI может установить аккумулятор под автобусом.«Если вы увеличиваете вес конструкции автомобиля, вам нужно, чтобы этот вес был как можно легче, как с точки зрения производительности, так и с точки зрения безопасности», — сказал Альтман.Он отметил, что многие производители электробусов и автомобилей сейчас возвращаются к чертежной доске, чтобы разработать более эффективные и целевые конструкции для своих транспортных средств.
TPI заключила пятилетнее соглашение с Proterra на производство до 3350 композитных автобусных кузовов на предприятиях TPI в Айове и Род-Айленде.
Нужно настроить
Проектирование кузова автобуса Catalyst требует, чтобы TPI и Proterra постоянно балансировали сильные и слабые стороны всех различных материалов, чтобы они могли достичь целевых показателей затрат при достижении оптимальных характеристик.Альтман отметил, что опыт TPI в производстве больших ветровых лопастей длиной около 200 футов и весом 25 000 фунтов позволяет им относительно легко производить 40-футовые кузова автобусов весом от 6 000 до 10 000 фунтов.
Компания TPI способна добиться необходимой прочности конструкции, избирательно используя углеродное волокно и сохраняя его для усиления участков, которые несут наибольшую нагрузку.«Мы используем углеродное волокно там, где вы можете купить автомобиль», — сказал Альтман.В целом углеродное волокно составляет менее 10 процентов композитного армирующего материала кузова, а остальная часть — стекловолокно.
По той же причине компания TPI выбрала винилэфирную смолу.«Когда мы смотрим на эпоксидные смолы, они великолепны, но когда вы их отверждаете, вам приходится повышать температуру, поэтому вам придется нагревать форму. Это дополнительные расходы», — продолжил он.
Компания использует вакуумное трансферное формование смолы (VARTM) для производства композитных сэндвич-структур, которые обеспечивают необходимую жесткость одной оболочке.В процессе производства в корпус встраиваются некоторые металлические фитинги (например, резьбовые фитинги и нарезные пластины).Автобус делится на верхнюю и нижнюю части, которые затем склеиваются.Позже рабочим придется добавить небольшие композитные украшения, такие как обтекатели, но количество деталей составляет лишь часть металлического автобуса.
После отправки готового кузова на завод по производству автобусов Proterra производственная линия работает быстрее, поскольку работы становится меньше.«Им не нужно выполнять всю сварку, шлифовку и изготовление, и у них очень простой интерфейс для соединения кузова с трансмиссией», — добавил Альтман.Proterra экономит время и снижает накладные расходы, поскольку для производства монокотовой оболочки требуется меньше производственных площадей.
Альтман считает, что спрос на композитные кузова автобусов будет продолжать расти, поскольку города переходят на электрические автобусы, чтобы уменьшить загрязнение окружающей среды и сократить расходы.По данным Proterra, электромобили с аккумуляторной батареей имеют самую низкую стоимость жизненного цикла (12 лет) по сравнению с дизельными автобусами, автобусами, работающими на сжатом природном газе, или дизельными гибридными автобусами.Это может быть одной из причин, почему Proterra заявляет, что продажи электрических автобусов с батарейным питанием сейчас составляют 10% от общего транспортного рынка.
На пути широкого применения композиционных материалов в кузове электробусов все еще существуют некоторые препятствия.Одним из них является специализация потребностей различных клиентов автобусов.«Каждому транспортному ведомству нравится приобретать автобусы по-своему — конфигурация сидений, открывание люка. Это большая проблема для производителей автобусов, и многие из этих элементов конфигурации могут быть переданы нам»."Сказал Альтман. "Производители интегрированных кузовов хотят иметь стандартную сборку, но если каждый клиент хочет высокой степени индивидуализации, это будет сложно сделать". TPI продолжает работать с Proterra над улучшением конструкции автобуса для лучшего управления. гибкость, необходимая конечным потребителям.
Изучите возможность
Компания Composites продолжает проверять, подходят ли ее материалы для новых применений в сфере общественного транспорта.В Великобритании компания ELG Carbon Fibre, специализирующаяся на технологиях переработки и повторного использования углеродного волокна, возглавляет консорциум компаний, разрабатывающих легкие композитные материалы для тележек легковых автомобилей.Тележка поддерживает кузов автомобиля, направляет колесную пару и сохраняет ее устойчивость.Они помогают повысить комфорт езды, поглощая вибрации рельсов и сводя к минимуму центробежную силу при повороте поезда.
Одной из целей проекта является производство тележек, которые на 50 процентов легче аналогичных металлических тележек.«Если тележка будет легче, это приведет к меньшему повреждению гусеницы, а поскольку нагрузка на гусеницу будет ниже, время и затраты на техническое обслуживание могут быть сокращены», — говорит Камиль Сёра, инженер по разработке продукции ELG.Дополнительными задачами являются снижение боковых усилий колес на 40 % и обеспечение мониторинга состояния на протяжении всего срока службы.Некоммерческий совет по безопасности и стандартам на железнодорожном транспорте Великобритании (RSSB) финансирует проект с целью производства коммерчески жизнеспособного продукта.
Были проведены обширные производственные испытания и изготовлен ряд тестовых панелей с использованием препрегов, полученных прессованием, традиционной мокрой укладкой, перфузией и автоклавированием.Поскольку производство тележек будет ограничено, компания выбрала эпоксидный препрег, отверждаемый в автоклавах, как наиболее экономически эффективный метод строительства.
Полноразмерный прототип тележки имеет длину 8,8 фута, ширину 6,7 фута и высоту 2,8 фута.Он изготовлен из комбинации переработанного углеродного волокна (нетканые прокладки, предоставленные ELG) и ткани из необработанного углеродного волокна.Односторонние волокна будут использованы в качестве основного силового элемента и будут помещены в форму с помощью роботизированной технологии.Будет выбрана эпоксидная смола с хорошими механическими свойствами, которая представляет собой огнестойкую эпоксидную смолу новой формулы, сертифицированную EN45545-2 для использования на железных дорогах.
В отличие от стальных тележек, которые свариваются из рулевых балок с двумя боковыми балками, композитные тележки будут иметь разные верха и днища, которые затем соединяются вместе.Чтобы заменить существующие металлические тележки, в составной версии придется совместить в одном положении кронштейны крепления подвески и тормоза, а также другие аксессуары.«На данный момент мы решили оставить стальные фитинги, но для дальнейших проектов может быть интересно заменить стальные фитинги фитингами композитного типа, чтобы мы могли еще больше снизить окончательный вес», — сказал Сёра.
Член консорциума группы датчиков и композитов Университета Бирмингема курирует разработку датчика, который будет интегрирован в композитную тележку на этапе производства.«Большинство датчиков будут ориентированы на мониторинг деформации в отдельных точках тележки, тогда как другие предназначены для измерения температуры», — сказал Сёра.Датчики позволят осуществлять мониторинг композитной конструкции в режиме реального времени, позволяя собирать данные о нагрузке в течение всего срока службы.Это предоставит ценную информацию о пиковой нагрузке и долгосрочной усталости.
Предварительные исследования показывают, что композитные тележки смогут достичь желаемого снижения веса на 50%.Команда проекта надеется, что большая тележка будет готова к испытаниям к середине 2019 года.Если прототип будет работать так, как ожидалось, они будут производить больше тележек для испытаний трамваев, производимых железнодорожной транспортной компанией Alstom.
По словам Сёра, хотя предстоит еще много работы, первые признаки позволяют предположить, что возможно построить коммерчески жизнеспособную композитную тележку, которая сможет конкурировать с металлическими тележками по стоимости и прочности.«Тогда я думаю, что существует множество вариантов и потенциальных применений композитов в железнодорожной отрасли», — добавила она.(Статья перепечатана из книги «Углеродное волокно и его композитная технология» доктора Цянь Синя).
Время публикации: 7 марта 2023 г.