Utenlandsk forskning innen komposittmaterialer for jernbanetransport har pågått i nesten et halvt århundre.Selv om den raske utviklingen av jernbanetransport og høyhastighetstog i Kina og bruken av innenlandske komposittmaterialer på dette feltet er i full gang, er den forsterkede fiberen av komposittmaterialer mye brukt i utenlandsk jernbanetransport mer glassfiber, som er forskjellig fra det av karbonfiberkompositter i Kina.Som nevnt i denne artikkelen er karbonfiber mindre enn 10 % av komposittmaterialene for kropp utviklet av TPI Composites Company, og resten er glassfiber, så det kan balansere kostnadene samtidig som det sikrer lett.Den massive bruken av karbonfiber fører uunngåelig til kostnadsproblemer, så det kan brukes i noen viktige strukturelle komponenter som boggier.
I mer enn 50 år har Norplex-Micarta, en produsent av termoherdende kompositter, hatt en jevn virksomhet med å lage materialer for jernbanetransport, inkludert tog, lettbanebremsesystemer og elektrisk isolasjon for forhøyede elektriske skinner.Men i dag ekspanderer selskapets marked utover en relativt smal nisje til flere bruksområder som vegger, tak og gulv.
Dustin Davis, direktør for forretningsutvikling for Norplex-Micarta, tror at jernbane- og andre massetransportmarkeder i økende grad vil gi muligheter for selskapet hans, så vel som andre komposittprodusenter og leverandører, i de kommende årene.Det er flere årsaker til denne forventede veksten, en av dem er den europeiske bruken av brannstandarden EN 45545-2, som introduserer strengere krav til brann-, røyk- og gassbeskyttelse (FST) for massetransport.Ved å bruke fenolharpikssystemer kan komposittprodusenter innlemme de nødvendige brann- og røykbeskyttelsesegenskapene i produktene sine.
I tillegg begynner buss-, T-bane- og togoperatører å innse fordelene med komposittmaterialer for å redusere støyende vibrasjoner og kakofoni."Hvis du noen gang har vært på t-banen og hørt en metallplate rasle," sa Davis.Hvis panelet er laget av komposittmateriale, vil det dempe lyden og gjøre toget roligere."
Den lettere vekten til kompositten gjør den også attraktiv for bussoperatører som er interessert i å redusere drivstoffbruken og utvide rekkevidden.I en rapport fra september 2018 spådde markedsundersøkelsesfirmaet Lucintel at det globale markedet for kompositter brukt i massetransport og terrengkjøretøyer ville vokse med en årlig hastighet på 4,6 prosent mellom 2018 og 2023, med en potensiell verdi på 1 milliard dollar innen 2023. Mulighetene vil komme fra en rekke bruksområder, inkludert eksteriør, interiør, panser og drivverksdeler, og elektriske komponenter.
Norplex-Micarta produserer nå nye deler som for tiden testes på bybanelinjer i USA.I tillegg fortsetter selskapet å fokusere på elektrifiseringssystemer med kontinuerlige fibermaterialer og kombinerer dem med raskere herdende harpikssystemer."Du kan redusere kostnader, øke produksjonen og bringe den fulle funksjonaliteten til FST-fenol til markedet," forklarte Davis.Mens komposittmaterialer kan være dyrere enn lignende metalldeler, sier Davis at kostnadene ikke er den applikasjonsavgjørende faktoren de studerer.
Lett og flammehemmende
Oppussingen av den europeiske jernbaneoperatøren Duetsche Bahns flåte på 66 ICE-3 Express-biler er en av egenskapene til komposittmaterialer for å møte kundenes spesifikke behov.Klimaanlegget, underholdningssystemet for passasjerer og de nye setene tilførte ICE-3-skinnevognene unødvendig vekt.I tillegg oppfylte ikke det originale kryssfinergulvet de nye europeiske brannstandardene.Selskapet trengte en gulvløsning for å redusere vekten og oppfylle brannvernstandardene.Lett komposittgulv er svaret.
Saertex, en produsent av komposittstoffer basert i Tyskland, tilbyr et LEO®-materialesystem for sine gulv.Daniel Stumpp, global markedssjef i Saertex Group, sa at LEO er et lagdelt, ikke-krympet stoff som tilbyr høyere mekaniske egenskaper og større lettvektspotensial enn vevde stoffer.Fire-komponent komposittsystemet inkluderer spesielle brannbestandige belegg, glassfiberforsterkede materialer, SAERfoam® (et kjernemateriale med integrerte 3D-glassfiberbroer) og LEO vinylesterharpikser.
SMT (også basert i Tyskland), en komposittmaterialprodusent, skapte gulvet gjennom en vakuumfyllingsprosess ved å bruke gjenbrukbare silisiumvakuumposer laget av Alan Harper, et britisk selskap."Vi sparte omtrent 50 prosent av vekten fra forrige kryssfiner," sa Stumpp."LEO-systemet er basert på kontinuerlige fiberlaminater med et ikke-fylt harpikssystem med utmerkede mekaniske egenskaper... I tillegg råtner ikke kompositten, noe som er en stor fordel, spesielt i områder hvor det snør om vinteren og gulvet er vått."Gulvet, toppteppet og gummimaterialet oppfyller alle de nye flammehemmende standardene.
SMT har produsert mer enn 32 000 kvadratmeter med paneler, som har blitt installert i omtrent en tredjedel av de åtte ICE-3-togene til dags dato.Under oppussingsprosessen blir størrelsen på hvert panel optimalisert for å passe til en bestemt bil.OEM-en til ICE-3 sedan var så imponert over det nye komposittgulvet at det har bestilt et kompositttak for å delvis erstatte den gamle metalltakkonstruksjonen i skinnevognene.
Gå videre
Proterra, en California-basert designer og produsent av nullutslipps elektriske busser, har brukt komposittmaterialer i alle sine kropper siden 2009. I 2017 satte selskapet rekord ved å kjøre 1100 enveismil på sin batteriladede Catalyst ®E2 buss.Den bussen har et lett karosseri laget av komposittprodusenten TPI Composite.
* Nylig samarbeidet TPI med Proterra for å produsere en integrert alt-i-ett kompositt elektrisk buss."I en typisk buss eller lastebil er det et chassis, og karosseriet sitter på toppen av det chassiset," forklarer Todd Altman, direktør for strategisk markedsføring i TPI.Med bussens harde skalldesign integrerte vi chassiset og karosseriet sammen, lik designen til alt-i-ett-bilen." En enkelt struktur er mer effektiv enn to separate strukturer for å møte ytelseskravene.
Proterra enkeltskall-kroppen er spesialbygd, designet fra bunnen av for å være et elektrisk kjøretøy.Det er en viktig forskjell, sa Altman, fordi erfaringen til mange bilprodusenter og elektriske bussprodusenter har vært å prøve begrensede forsøk på å tilpasse deres tradisjonelle design for forbrenningsmotorer til elektriske kjøretøy."De tar eksisterende plattformer og prøver å pakke så mange batterier som mulig. Det gir ikke den beste løsningen fra noe synspunkt."" sa Altman.
Mange elbusser har for eksempel batterier bak eller på toppen av kjøretøyet.Men for Proterra er TPI i stand til å montere batteriet under bussen."Hvis du legger mye vekt på strukturen til kjøretøyet, vil du at vekten skal være så lett som mulig, både fra et ytelsessynspunkt og fra et sikkerhetssynspunkt," sa Altman.Han bemerket at mange produsenter av elektriske busser og biler nå går tilbake til tegnebrettet for å utvikle mer effektive og målrettede design for kjøretøyene sine.
TPI har inngått en femårig avtale med Proterra om å produsere opptil 3350 sammensatte busskarosserier ved TPIs anlegg i Iowa og Rhode Island.
Trenger å tilpasse
Å designe Catalyst-busskroppen krever at TPI og Proterra hele tiden balanserer styrkene og svakhetene til alle de forskjellige materialene, slik at de kan møte kostnadsmålene samtidig som de oppnår optimal ytelse.Altman bemerket at TPIs erfaring med å produsere store vindblader som er omtrent 200 fot lange og veier 25 000 pund gjør det relativt enkelt for dem å produsere 40 fots busskarosserier som veier mellom 6000 og 10 000 pund.
TPI er i stand til å oppnå den nødvendige strukturelle styrken ved å selektivt bruke karbonfiber og beholde den for å forsterke områdene som bærer størst belastning."Vi bruker karbonfiber der du i utgangspunktet kan kjøpe en bil," sa Altman.Totalt sett utgjør karbonfiber mindre enn 10 prosent av kroppens komposittforsterkende materiale, mens resten er glassfiber.
TPI valgte vinylesterharpiks av samme grunn."Når vi ser på epoksy, er de flotte, men når du herder dem, må du heve temperaturen, så du må varme formen. Det er en ekstra utgift," fortsatte han.
Selskapet bruker vakuumassistert harpiksoverføringsstøping (VARTM) for å produsere sammensatte sandwichstrukturer som gir den nødvendige stivheten til et enkelt skall.Under produksjonsprosessen er noen metallbeslag (som gjengede beslag og tappeplater) innlemmet i kroppen.Bussen er delt inn i øvre og nedre deler, som deretter limes sammen.Arbeidere må senere legge til små komposittpynt som kåper, men antall deler er en brøkdel av metallbussen.
Etter å ha sendt det ferdige karosseriet til Proterra bussproduksjonsanlegg, flyter produksjonslinjen raskere fordi det er mindre arbeid å gjøre."De trenger ikke å gjøre all sveising, sliping og produksjon, og de har et veldig enkelt grensesnitt for å koble kroppen til drivverket," la Altman til.Proterra sparer tid og reduserer overhead fordi det kreves mindre produksjonsplass for det monocotiske skallet.
Altman tror etterspørselen etter sammensatte busskarosserier vil fortsette å vokse ettersom byer går over til elektriske busser for å redusere forurensning og kutte kostnader.Ifølge Proterra har batterielektriske kjøretøy den laveste livssykluskostnaden (12 år) sammenlignet med diesel, komprimert naturgass eller dieselhybridbusser.Det kan være en grunn til at Proterra sier at salget av batteridrevne elektriske busser nå utgjør 10 % av det totale transportmarkedet.
Det er fortsatt noen hindringer for den brede anvendelsen av komposittmaterialer i elektriske busskropper.Det ene er spesialisering av ulike busskunders behov."Alle transittmyndigheter liker å få busser på en annen måte - setekonfigurasjon, lukeåpning. Det er en stor utfordring for bussprodusenter, og mange av disse konfigurasjonselementene kan gå til oss.""Altman sa. "Integrerte karosseriprodusenter ønsker å ha en standardkonstruksjon, men hvis hver kunde ønsker en høy grad av tilpasning, kommer det til å bli vanskelig å gjøre det." TPI fortsetter å samarbeide med Proterra for å forbedre bussdesignet for bedre å administrere fleksibiliteten som kreves av sluttkunder.
Utforsk muligheten
Composites fortsetter å teste om materialene er egnet for nye massetransportapplikasjoner.I Storbritannia leder ELG Carbon Fibre, som spesialiserer seg på teknologi for resirkulering og gjenbruk av karbonfiber, et konsortium av selskaper som utvikler lette komposittmaterialer for boggier i personbiler.Boggien støtter bilens kropp, styrer hjulsettet og opprettholder stabiliteten.De bidrar til å forbedre kjørekomforten ved å absorbere skinnevibrasjoner og minimere sentrifugalkraften når toget svinger.
Et mål med prosjektet er å produsere boggier som er 50 prosent lettere enn sammenlignbare metallboggier."Hvis boggien er lettere, vil det føre til mindre skade på banen, og fordi belastningen på banen blir lavere, kan vedlikeholdstiden og vedlikeholdskostnadene reduseres," sier Camille Seurat, ELGs produktutviklingsingeniør.Ytterligere mål er å redusere side-til-skinne hjulkrefter med 40 % og sørge for livstidstilstandsovervåking.Storbritannias non-profit Rail Safety and Standards Board (RSSB) finansierer prosjektet med sikte på å produsere et kommersielt levedyktig produkt.
Omfattende produksjonsforsøk har blitt utført og en rekke testpaneler har blitt laget ved bruk av prepregs fra dysepressing, konvensjonell våtopplegging, perfusjon og autoklav.Fordi produksjonen av boggiene ville være begrenset, valgte selskapet epoksy prepreg herdet i autoklaver som den mest kostnadseffektive konstruksjonsmetoden.
Boggiprototypen i full størrelse er 8,8 fot lang, 6,7 fot bred og 2,8 fot høy.Den er laget av en kombinasjon av resirkulert karbonfiber (nonwoven puter levert av ELG) og rå karbonfiberstoff.Enveisfibrene skal brukes til hovedstyrkeelementet og legges i formen ved hjelp av robotteknologi.Det skal velges en epoksy med gode mekaniske egenskaper, som vil være en nyformulert flammehemmende epoksy som er sertifisert EN45545-2 for bruk på jernbane.
I motsetning til stålboggier, som er sveiset fra styrebjelker til to sidebjelker, vil komposittboggier bygges med forskjellige topper og bunner som deretter skjøtes sammen.For å erstatte de eksisterende metallboggiene, må komposittversjonen kombinere fjærings- og bremsekoblingsbrakettene og annet tilbehør i samme posisjon."Foreløpig har vi valgt å beholde stålbeslagene, men for videre prosjekter kan det være interessant å erstatte stålbeslagene med komposittbeslag slik at vi kan redusere den endelige vekten ytterligere," sa Seurat.
Et konsortiummedlem av Sensors and Composites Group ved University of Birmingham overvåker utviklingen av sensoren, som vil bli integrert i komposittboggien på produksjonsstadiet."De fleste sensorer vil fokusere på å overvåke belastning på diskrete punkter på boggien, mens andre er for temperaturføling," sa Seurat.Sensorene vil tillate sanntidsovervåking av komposittstrukturen, slik at livstidsbelastningsdata kan samles inn.Dette vil gi verdifull informasjon om toppbelastning og langvarig tretthet.
Foreløpige studier indikerer at komposittboggier skal kunne oppnå ønsket vektreduksjon på 50 %.Prosjektteamet håper å ha en stor boggi klar for testing innen midten av 2019.Hvis prototypen fungerer som forventet, vil de produsere flere boggier for å teste trikker laget av Alstom, jernbanetransportselskapet.
Ifølge Seurat, selv om det fortsatt er mye arbeid å gjøre, tyder tidlige indikasjoner på at det er mulig å bygge en kommersielt levedyktig komposittboggi som kan konkurrere med metallboggier i kostnad og styrke."Så tror jeg det er mange alternativer og potensielle bruksområder for kompositter i jernbaneindustrien," la hun til.(Artikkel gjengitt fra Carbon Fiber and Its Composite Technology av Dr. Qian Xin).
Innleggstid: Mar-07-2023