Utländsk forskning inom området kompositmaterial för järnvägstransitering har pågått i nästan ett halvt sekel.Även om den snabba utvecklingen av järnvägstransitering och höghastighetståg i Kina och tillämpningen av inhemska kompositmaterial inom detta område är i full gång, är den förstärkta fibern av kompositmaterial som ofta används i utländsk järnvägstransit mer glasfiber, vilket skiljer sig från det för kolfiberkompositer i Kina.Som nämnts i den här artikeln är kolfiber mindre än 10% av kompositmaterialen för kropp som utvecklats av TPI Composites Company, och resten är glasfiber, så det kan balansera kostnaden samtidigt som det är lätt.Den massiva användningen av kolfiber leder oundvikligen till kostnadssvårigheter, så det kan användas i vissa viktiga strukturella komponenter som boggier.
I mer än 50 år har Norplex-Micarta, en tillverkare av värmehärdande kompositer, haft en stadig verksamhet som tillverkar material för järnvägstransitapplikationer, inklusive tåg, bromssystem för lätta spår och elektrisk isolering för förhöjda elektriska skenor.Men idag expanderar företagets marknad bortom en relativt smal nisch till fler applikationer som väggar, tak och golv.
Dustin Davis, chef för affärsutveckling för Norplex-Micarta, tror att järnvägs- och andra masstransportmarknader kommer att ge allt fler möjligheter för hans företag, såväl som andra komposittillverkare och leverantörer, under de kommande åren.Det finns flera anledningar till denna förväntade tillväxt, en av dem är den europeiska antagandet av brandstandarden EN 45545-2, som inför strängare krav på brand-, rök- och gasskydd (FST) för masstransporter.Genom att använda fenolhartssystem kan komposittillverkare införliva de nödvändiga brand- och rökskyddsegenskaperna i sina produkter.
Dessutom börjar buss-, tunnelbane- och tågoperatörer inse fördelarna med kompositmaterial för att minska bullriga vibrationer och kakofoni."Om du någonsin har varit på tunnelbanan och hört en metallplatta skramla," sa Davis.Om panelen är gjord av kompositmaterial kommer den att dämpa ljudet och göra tåget tystare."
Kompositens lägre vikt gör den också attraktiv för bussoperatörer som är intresserade av att minska bränsleförbrukningen och utöka sortimentet.I en rapport från september 2018 förutspådde marknadsundersökningsföretaget Lucintel att den globala marknaden för kompositer som används i masstransporter och terrängfordon skulle växa med en årlig takt på 4,6 procent mellan 2018 och 2023, med ett potentiellt värde på 1 miljard dollar till 2023. Möjligheter kommer från en mängd olika applikationer, inklusive exteriör, interiör, motorhuv och drivlina delar, och elektriska komponenter.
Norplex-Micarta producerar nu nya delar som just nu testas på spårvägslinjer i USA.Dessutom fortsätter företaget att fokusera på elektrifieringssystem med kontinuerliga fibermaterial och kombinerar dem med snabbare härdande hartssystem."Du kan sänka kostnaderna, öka produktionen och få ut den fulla funktionaliteten av FST-fenol till marknaden," förklarade Davis.Även om kompositmaterial kan vara dyrare än liknande metalldelar, säger Davis att kostnaden inte är den tillämpningsavgörande faktorn de studerar.
Lätt och flamskyddad
Renoveringen av den europeiska järnvägsoperatören Duetsche Bahns flotta på 66 ICE-3 Express-bilar är en av kompositmaterialens möjligheter för att möta kundernas specifika behov.Luftkonditioneringssystemet, underhållningssystemet för passagerare och nya säten tillförde onödig tyngd till ICE-3 järnvägsvagnar.Dessutom uppfyllde det ursprungliga plywoodgolvet inte de nya europeiska brandstandarderna.Företaget behövde en golvlösning för att minska vikten och uppfylla brandskyddsstandarder.Lätt kompositgolv är svaret.
Saertex, en tillverkare av komposittyger baserad i Tyskland, erbjuder ett LEO®-materialsystem för sina golv.Daniel Stumpp, global marknadschef på Saertex Group, sa att LEO är ett lager, icke-krympt tyg som erbjuder högre mekaniska egenskaper och större lättviktspotential än vävda tyger.Fyrkomponentskompositsystemet inkluderar speciella brandbeständiga beläggningar, glasfiberförstärkta material, SAERfoam® (ett kärnmaterial med integrerade 3D-glasfiberbryggor) och LEO vinylesterhartser.
SMT (även baserad i Tyskland), en kompositmaterialtillverkare, skapade golvet genom en vakuumfyllningsprocess med återanvändbara kiselvakuumpåsar gjorda av Alan Harper, ett brittiskt företag."Vi sparade cirka 50 procent av vikten från den tidigare plywooden," sa Stumpp."LEO-systemet är baserat på kontinuerliga fiberlaminat med ett icke-fyllt hartssystem med utmärkta mekaniska egenskaper... Dessutom ruttnar inte kompositen, vilket är en stor fördel, speciellt i områden där det snöar på vintern och golvet är blött."Golvet, toppmattan och gummimaterialet uppfyller alla de nya flamskyddsstandarderna.
SMT har producerat mer än 32 000 kvadratfot paneler, som har installerats i ungefär en tredjedel av de åtta ICE-3-tågen hittills.Under renoveringsprocessen optimeras storleken på varje panel för att passa en viss bil.OEM till ICE-3 sedan var så imponerad av det nya kompositgolvet att det har beställt ett komposittak för att delvis ersätta den gamla metalltakkonstruktionen i järnvägsvagnarna.
Gå längre
Proterra, en Kalifornien-baserad designer och tillverkare av nollutsläppselektriska bussar, har använt kompositmaterial i alla sina karosser sedan 2009. 2017 satte företaget rekord genom att köra 1 100 enkelriktade mil på sin batteriladdade Catalyst ®E2 buss.Den bussen har en lätt kropp gjord av komposittillverkaren TPI Composite.
* Nyligen samarbetade TPI med Proterra för att producera en integrerad allt-i-ett komposit elbuss."I en typisk buss eller lastbil finns det ett chassi, och karossen sitter ovanpå det chassit", förklarar Todd Altman, chef för strategisk marknadsföring på TPI.Med bussens hårda skaldesign integrerade vi chassi och kaross tillsammans, liknande designen för allt-i-ett-bilen." En enda struktur är effektivare än två separata strukturer för att uppfylla prestandakrav.
Proterras enkelskalskaross är specialbyggd, designad från grunden för att vara ett elfordon.Det är en viktig skillnad, sa Altman, eftersom erfarenheten från många biltillverkare och elbusstillverkare har varit att pröva begränsade försök att anpassa sina traditionella konstruktioner för förbränningsmotorer till elfordon."De tar befintliga plattformar och försöker packa så många batterier som möjligt. Det erbjuder inte den bästa lösningen ur någon synvinkel."sa Altman.
Många elbussar har till exempel batterier bak eller ovanpå fordonet.Men för Proterra kan TPI montera batteriet under bussen."Om du lägger mycket vikt på fordonets struktur, vill du att vikten ska vara så lätt som möjligt, både ur prestationssynpunkt och ur säkerhetssynpunkt," sa Altman.Han noterade att många elbuss- och biltillverkare nu går tillbaka till ritbordet för att utveckla mer effektiva och målinriktade konstruktioner för sina fordon.
TPI har ingått ett femårigt avtal med Proterra om att tillverka upp till 3 350 kompositbusskarosser vid TPI:s anläggningar i Iowa och Rhode Island.
Behöver anpassa
Att designa Catalyst-busskroppen kräver att TPI och Proterra ständigt balanserar styrkorna och svagheterna hos alla de olika materialen så att de kan uppfylla kostnadsmålen samtidigt som de uppnår optimal prestanda.Altman noterade att TPI:s erfarenhet av att producera stora vindblad som är cirka 200 fot långa och väger 25 000 pund gör det relativt enkelt för dem att producera 40-fots busskarosser som väger mellan 6 000 och 10 000 pund.
TPI kan erhålla den erforderliga strukturella styrkan genom att selektivt använda kolfiber och behålla den för att förstärka de områden som bär den största belastningen."Vi använder kolfiber där du i princip kan köpa en bil," sa Altman.Sammantaget utgör kolfiber mindre än 10 procent av kroppens kompositförstärkningsmaterial, medan resten är glasfiber.
TPI valde vinylesterharts av liknande anledning."När vi tittar på epoxier är de fantastiska, men när du härdar dem måste du höja temperaturen, så du måste värma formen. Det är en extra kostnad", fortsatte han.
Företaget använder vakuumassisterad hartsöverföringsgjutning (VARTM) för att producera sammansatta sandwichstrukturer som ger den nödvändiga styvheten till ett enda skal.Under tillverkningsprocessen är vissa metallbeslag (såsom gängade beslag och gängplåtar) införlivade i kroppen.Bussen är uppdelad i övre och nedre delar som sedan limmas ihop.Arbetare måste senare lägga till små sammansatta utsmyckningar som kåpor, men antalet delar är en bråkdel av metallbussen.
Efter att ha skickat den färdiga karossen till Proterras bussproduktionsanläggning flyter produktionslinjen snabbare eftersom det finns mindre arbete att göra."De behöver inte göra all svetsning, slipning och tillverkning, och de har ett mycket enkelt gränssnitt för att ansluta kroppen till drivlinan", tillade Altman.Proterra sparar tid och minskar omkostnader eftersom mindre tillverkningsutrymme krävs för det monokotiska skalet.
Altman tror att efterfrågan på sammansatta busskarosser kommer att fortsätta att växa när städer vänder sig till elbussar för att minska föroreningarna och sänka kostnaderna.Enligt Proterra har batteridrivna elfordon den lägsta livscykelkostnaden (12 år) jämfört med diesel, komprimerad naturgas eller dieselhybridbussar.Det kan vara en anledning till att Proterra säger att försäljningen av batteridrivna elbussar nu står för 10 % av den totala transportmarknaden.
Det finns fortfarande några hinder för den breda tillämpningen av kompositmaterial i elektriska busskroppar.Det ena är specialiseringen av olika busskunders behov."Varje transitmyndighet gillar att få bussar på ett annat sätt - säteskonfiguration, lucköppning. Det är en stor utmaning för busstillverkare, och många av dessa konfigurationsartiklar kan gå till oss.""Altman sa. "Integrerade karosstillverkare vill ha en standardkonstruktion, men om varje kund vill ha en hög grad av anpassning kommer det att bli svårt att göra det." TPI fortsätter att arbeta med Proterra för att förbättra bussdesignen för att bättre kunna hantera det. den flexibilitet som krävs av slutkunderna.
Utforska möjligheten
Composites fortsätter att testa om dess material är lämpliga för nya masstransportapplikationer.I Storbritannien leder ELG Carbon Fibre, som specialiserat sig på teknik för återvinning och återanvändning av kolfiber, ett konsortium av företag som utvecklar lättviktskompositmaterial för boggier i personbilar.Boggin stöder bilens kaross, styr hjuluppsättningen och bibehåller dess stabilitet.De hjälper till att förbättra åkkomforten genom att absorbera rälsvibrationer och minimera centrifugalkraften när tåget svänger.
Ett mål med projektet är att producera boggier som är 50 procent lättare än jämförbara metallboggier."Om boggin är lättare kommer det att orsaka mindre skador på banan, och eftersom belastningen på banan blir lägre kan underhållstiden och underhållskostnaderna minskas", säger Camille Seurat, ELGs produktutvecklingsingenjör.Ytterligare mål är att minska hjulkrafterna från sida till räl med 40 % och tillhandahålla livstidskonditionsövervakning.Storbritanniens ideella Rail Safety and Standards Board (RSSB) finansierar projektet med syftet att producera en kommersiellt gångbar produkt.
Omfattande tillverkningsförsök har genomförts och ett antal testpaneler har gjorts med användning av prepregs från presspressning, konventionell våtuppläggning, perfusion och autoklav.Eftersom produktionen av boggierna skulle vara begränsad, valde företaget epoxiprepreg härdad i autoklaver som den mest kostnadseffektiva konstruktionsmetoden.
Boggiprototypen i full storlek är 8,8 fot lång, 6,7 fot bred och 2,8 fot hög.Den är gjord av en kombination av återvunnen kolfiber (nonwoven-kuddar från ELG) och rått kolfibertyg.Envägsfibrerna kommer att användas för det huvudsakliga hållfasthetselementet och kommer att placeras i formen med hjälp av robotteknik.En epoxi med goda mekaniska egenskaper kommer att väljas, vilket blir en nyformulerad flamskyddad epoxi som har certifierats EN45545-2 för användning på järnväg.
Till skillnad från stålboggier, som svetsas från styrbalkar till två sidobalkar, kommer kompositboggier att byggas med olika toppar och bottnar som sedan sammanfogas.För att ersätta de befintliga metallboggierna måste kompositversionen kombinera upphängnings- och bromsanslutningsfästena och andra tillbehör i samma position."För tillfället har vi valt att behålla stålbeslagen, men för ytterligare projekt kan det vara intressant att byta ut stålbeslagen med beslag av komposittyp så att vi kan minska den slutliga vikten ytterligare", sa Seurat.
En konsortiummedlem i Sensors and Composites Group vid University of Birmingham övervakar utvecklingen av sensorn, som kommer att integreras i kompositboggin vid tillverkningsstadiet."De flesta sensorer kommer att fokusera på att övervaka belastning på diskreta punkter på boggin, medan andra är för temperaturavkänning," sa Seurat.Sensorerna kommer att möjliggöra realtidsövervakning av den sammansatta strukturen, vilket gör att livstidsbelastningsdata kan samlas in.Detta kommer att ge värdefull information om toppbelastning och långvarig trötthet.
Preliminära studier tyder på att kompositboggier bör kunna uppnå önskad viktminskning på 50 %.Projektgruppen hoppas ha en stor boggi klar för testning i mitten av 2019.Om prototypen fungerar som förväntat kommer de att tillverka fler boggier för att testa spårvagnar tillverkade av Alstom, järnvägstransportföretaget.
Enligt Seurat, även om det fortfarande finns mycket arbete att göra, tyder tidiga indikationer på att det är möjligt att bygga en kommersiellt gångbar kompositboggi som kan konkurrera med metallboggier i kostnad och styrka."Sedan tror jag att det finns många alternativ och potentiella tillämpningar för kompositer inom järnvägsindustrin", tillade hon.(Artikel omtryckt från Carbon Fiber and Its Composite Technology av Dr. Qian Xin).
Posttid: 2023-07-07