Buitelandse navorsing op die gebied van saamgestelde materiale vir spoorvervoer is al byna 'n halwe eeu aan die gang.Alhoewel die vinnige ontwikkeling van spoorvervoer en hoëspoedspoor in China en die toepassing van binnelandse saamgestelde materiale in hierdie veld in volle gang is, is die versterkte vesel van saamgestelde materiale wat wyd in buitelandse spoorvervoer gebruik word, meer glasvesel, wat verskil van dié van koolstofvesel-samestellings in China.Soos in hierdie artikel genoem, is koolstofvesel minder as 10% van die saamgestelde materiaal vir die liggaam wat deur TPI Composites Company ontwikkel is, en die res is glasvesel, so dit kan die koste balanseer terwyl dit liggewig verseker.Die massiewe gebruik van koolstofvesel lei onvermydelik tot kosteprobleme, dus kan dit in sommige sleutelstrukturele komponente soos bogies gebruik word.
Vir meer as 50 jaar het Norplex-Micarta, 'n vervaardiger van termohardende komposiete, 'n bestendige besigheid wat materiaal maak vir spoorvervoertoepassings, insluitend treine, ligspoorremstelsels en elektriese isolasie vir verhoogde elektriese relings.Maar vandag brei die maatskappy se mark verder as 'n relatief nou nis uit na meer toepassings soos mure, dakke en vloere.
Dustin Davis, direkteur van sakeontwikkeling vir Norplex-Micarta, glo dat spoor- en ander massavervoermarkte in die komende jare toenemend geleenthede vir sy maatskappy, sowel as ander saamgestelde vervaardigers en verskaffers, sal bied.Daar is verskeie redes vir hierdie verwagte groei, waarvan een die Europese aanvaarding van die Fire-standaard EN 45545-2 is, wat strenger vereistes vir brand-, rook- en gasbeskerming (FST) vir massavervoer instel.Deur fenoliese harsstelsels te gebruik, kan saamgestelde vervaardigers die nodige brand- en rookbeskermingseienskappe in hul produkte inkorporeer.
Boonop begin bus-, moltrein- en treinoperateurs die voordele van saamgestelde materiale besef om raserige vibrasie en kakofonie te verminder.“As jy al ooit op die moltrein was en ’n metaalplaat hoor ratel,” het Davis gesê.As die paneel van saamgestelde materiaal gemaak is, sal dit die klank demp en die trein stiller maak.”
Die ligter gewig van die samestelling maak dit ook aantreklik vir busoperateurs wat daarin belangstel om brandstofverbruik te verminder en sy reeks uit te brei.In 'n verslag van September 2018 het die marknavorsingsfirma Lucintel voorspel dat die wêreldmark vir komposiete wat in massavervoer en veldvoertuie gebruik word, teen 'n jaarlikse koers van 4,6 persent tussen 2018 en 2023 sal groei, met 'n potensiële waarde van $1 miljard teen 2023. Geleenthede sal uit 'n verskeidenheid toepassings kom, insluitend buitekant, binnekant, kap- en aandryfstelselonderdele, en elektriese komponente.
Norplex-Micarta vervaardig nou nuwe onderdele wat tans op ligte spoorlyne in die Verenigde State getoets word.Daarbenewens fokus die maatskappy steeds op elektrifiseringstelsels met deurlopende veselmateriale en kombineer dit met harsstelsels wat vinniger uithard."Jy kan koste verminder, produksie verhoog en die volle funksionaliteit van FST-fenol op die mark bring," het Davis verduidelik.Terwyl saamgestelde materiale duurder kan wees as soortgelyke metaalonderdele, sê Davis dat koste nie die toepassingsbepalende faktor is wat hulle bestudeer nie.
Lig en vlamvertragend
Die opknapping van die Europese spooroperateur Duetsche Bahn se vloot van 66 ICE-3 Express-motors is een van die vermoëns van saamgestelde materiale om aan die spesifieke behoeftes van kliënte te voldoen.Die lugversorgingstelsel, passasiersvermaakstelsel en nuwe sitplekke het onnodige gewig aan die ICE-3-spoorwaens bygevoeg.Boonop het die oorspronklike laaghoutvloer nie aan die nuwe Europese brandstandaarde voldoen nie.Die maatskappy het 'n vloeroplossing nodig gehad om gewig te verminder en aan brandbeskermingstandaarde te voldoen.Liggewig saamgestelde vloer is die antwoord.
Saertex, 'n vervaardiger van saamgestelde stowwe gebaseer in Duitsland, bied 'n LEO®-materiaalstelsel vir sy vloer.Daniel Stumpp, wêreldwye bemarkingshoof by Saertex Group, het gesê LEO is 'n gelaagde, nie-gekrimpte materiaal wat hoër meganiese eienskappe en groter liggewigpotensiaal as geweefde stowwe bied.Die vier-komponent saamgestelde stelsel sluit spesiale vuurbestande bedekkings, veselglas versterkte materiale, SAERfoam® ('n kernmateriaal met geïntegreerde 3D-veselglasbruggies) en LEO vinielesterharse in.
SBS (ook gebaseer in Duitsland), 'n vervaardiger van saamgestelde materiaal, het die vloer geskep deur 'n vakuumvulproses met behulp van herbruikbare silikon-vakuumsakke gemaak deur Alan Harper, 'n Britse maatskappy."Ons het ongeveer 50 persent van die gewig van die vorige laaghout bespaar," het Stumpp gesê."Die LEO-stelsel is gebaseer op deurlopende vesellaminate met 'n nie-gevulde harsstelsel met uitstekende meganiese eienskappe... . Boonop verrot die saamgestelde nie, wat 'n groot voordeel is, veral in gebiede waar dit in die winter sneeu en die vloer is nat."Die vloer, boonste mat en rubbermateriaal voldoen almal aan die nuwe vlamvertragerstandaarde.
SBS het meer as 32 000 vierkante voet panele vervaardig, wat in ongeveer 'n derde van die agt ICE-3-treine tot op datum geïnstalleer is.Tydens die opknappingsproses word die grootte van elke paneel geoptimaliseer om by 'n spesifieke motor te pas.Die OEM van die ICE-3-sedan was so beïndruk met die nuwe saamgestelde vloer dat dit 'n saamgestelde dak bestel het om die ou metaaldakstruktuur in die spoorwaens gedeeltelik te vervang.
Gaan verder
Proterra, 'n ontwerper en vervaardiger van elektriese busse in Kalifornië, het sedert 2009 saamgestelde materiale in al sy liggame gebruik. In 2017 het die maatskappy 'n rekord opgestel deur 1 100 eenrigtingmyl op sy batterygelaaide Catalyst te ry. ®E2 bus.Daardie bus het 'n liggewig liggaam wat deur die saamgestelde vervaardiger TPI Composite gemaak is.
* Onlangs het TPI met Proterra saamgewerk om 'n geïntegreerde alles-in-een saamgestelde elektriese bus te vervaardig.“In ’n tipiese bus of vragmotor is daar ’n onderstel, en die bak sit bo-op daardie onderstel,” verduidelik Todd Altman, direkteur van Strategiese bemarking by TPI.Met die harde dopontwerp van die bus het ons die onderstel en bakwerk saam geïntegreer, soortgelyk aan die ontwerp van die alles-in-een-motor.” ’n Enkele struktuur is meer effektief as twee afsonderlike strukture om aan werkverrigtingvereistes te voldoen.
Die Proterra-enkeldop-bak is doelgebou, van nuuts af ontwerp om 'n elektriese voertuig te wees.Dit is 'n belangrike onderskeid, het Altman gesê, want die ervaring van baie motorvervaardigers en elektriese busvervaardigers was om beperkte pogings te probeer om hul tradisionele ontwerpe vir binnebrandenjins by elektriese voertuie aan te pas."Hulle neem bestaande platforms en probeer soveel moontlik batterye inpak. Dit bied nie die beste oplossing uit enige oogpunt nie."“Altman het gesê.
Baie elektriese busse het byvoorbeeld batterye agter of bo-op die voertuig.Maar vir Proterra is TPI in staat om die battery onder die bus te monteer."As jy baie gewig by die struktuur van die voertuig voeg, wil jy hê dat daardie gewig so lig as moontlik moet wees, beide uit 'n prestasie-oogpunt en uit 'n veiligheidsoogpunt," het Altman gesê.Hy het opgemerk dat baie elektriese bus- en motorvervaardigers nou teruggaan na die tekenbord om doeltreffender en doeltreffender ontwerpe vir hul voertuie te ontwikkel.
TPI het 'n vyfjaar-ooreenkoms met Proterra aangegaan om tot 3 350 saamgestelde busliggame by TPI se fasiliteite in Iowa en Rhode Island te vervaardig.
Moet aanpas
Die ontwerp van die Catalyst-busliggaam vereis dat TPI en Proterra voortdurend die sterk- en swakpunte van al die verskillende materiale balanseer sodat hulle kostedoelwitte kan bereik terwyl hulle optimale werkverrigting behaal.Altman het opgemerk dat TPI se ervaring in die vervaardiging van groot windblaaie wat ongeveer 200 voet lank is en 25 000 pond weeg, dit vir hulle relatief maklik maak om 40 voet busliggame te vervaardig wat tussen 6 000 en 10 000 pond weeg.
TPI is in staat om die vereiste strukturele sterkte te verkry deur selektief koolstofvesel te gebruik en dit te behou om die areas wat die grootste las dra te versterk.“Ons gebruik koolstofvesel waar jy basies ’n motor kan koop,” het Altman gesê.Oor die algemeen maak koolstofvesel minder as 10 persent van die liggaam se saamgestelde versterkingsmateriaal uit, met die res veselglas.
TPI het vinielesterhars om 'n soortgelyke rede gekies."As ons na epoksieë kyk, is hulle wonderlik, maar as jy hulle genees, moet jy die temperatuur verhoog, so jy moet die vorm verhit. Dit is 'n bykomende uitgawe," het hy voortgegaan.
Die maatskappy gebruik vakuumgesteunde harsoordragvorming (VARTM) om saamgestelde toebroodjiestrukture te vervaardig wat die nodige styfheid aan 'n enkele dop verskaf.Tydens die vervaardigingsproses word sommige metaaltoebehore (soos draadtoebehore en tapplate) in die liggaam ingewerk.Die bus word in boonste en onderste dele verdeel, wat dan aanmekaar geplak word.Werkers moet later klein saamgestelde versierings soos kappe byvoeg, maar die aantal dele is 'n fraksie van die metaalbus.
Nadat die voltooide bak na die Proterra-busproduksieaanleg gestuur is, vloei die produksielyn vinniger omdat daar minder werk is om te doen."Hulle hoef nie al die sweiswerk, slyp en vervaardiging te doen nie, en hulle het 'n baie eenvoudige koppelvlak om die liggaam aan die dryfstelsel te koppel," het Altman bygevoeg.Proterra bespaar tyd en verminder oorhoofse koste omdat minder vervaardigingsspasie vir die monokotiese dop benodig word.
Altman glo die vraag na saamgestelde busliggame sal aanhou groei namate stede hulle tot elektriese busse wend om besoedeling te verminder en koste te verminder.Volgens Proterra het battery-elektriese voertuie die laagste bedryfslewensikluskoste (12 jaar) in vergelyking met diesel, saamgeperste aardgas of dieselhibriedbusse.Dit is dalk een rede waarom Proterra sê die verkope van battery-aangedrewe elektriese busse maak nou 10% van die totale vervoermark uit.
Daar is steeds 'n paar struikelblokke vir die wye toepassing van saamgestelde materiale in elektriese busbak.Een daarvan is die spesialisering van verskillende buskliënte se behoeftes."Elke transito-owerheid hou daarvan om busse op 'n ander manier te kry - sitplekkonfigurasie, luikopening. Dit is 'n groot uitdaging vir busvervaardigers, en baie van daardie konfigurasie-items kan na ons toe gaan.""Altman het gesê. "Geïntegreerde bakwerkvervaardigers wil 'n standaardbou hê, maar as elke kliënt 'n hoë mate van aanpassing wil hê, gaan dit moeilik wees om dit te doen." TPI gaan voort om saam met Proterra te werk om die busontwerp te verbeter om beter te bestuur die buigsaamheid wat deur eindkliënte vereis word.
Ondersoek die moontlikheid
Composites gaan voort om te toets of sy materiaal geskik is vir nuwe massavervoertoepassings.In die Verenigde Koninkryk lei ELG Carbon Fibre, wat spesialiseer in tegnologie vir die herwinning en hergebruik van koolstofvesel, 'n konsortium van maatskappye wat liggewig saamgestelde materiale vir draaistelle in passasiersmotors ontwikkel.Die bogie ondersteun die liggaam van die motor, lei die wielset en behou sy stabiliteit.Hulle help om ritgerief te verbeter deur spoorvibrasies te absorbeer en sentrifugale krag te verminder soos die trein draai.
Een doelwit van die projek is om draaistelle te vervaardig wat 50 persent ligter is as vergelykbare metaal draaistelle.“As die bogie ligter is, sal dit minder skade aan die baan aanrig, en omdat die las op die baan laer sal wees, kan instandhoudingstyd en instandhoudingskoste verminder word,” sê Camille Seurat, ELG-produkontwikkelingsingenieur.Bykomende doelwitte is om sy-tot-spoor-wielkragte met 40% te verminder en lewenslange toestandmonitering te verskaf.Die VK se nie-winsgewende Rail Safety and Standards Board (RSSB) befonds die projek met die doel om 'n kommersieel lewensvatbare produk te produseer.
Uitgebreide vervaardigingsproewe is uitgevoer en 'n aantal toetspanele is gemaak met behulp van prepregs van die pers, konvensionele nat opleg, perfusie en outoklaaf.Omdat die produksie van die bogies beperk sou wees, het die maatskappy epoksie prepreg wat in outoklawe genees is, gekies as die mees koste-effektiewe metode van konstruksie.
Die volgrootte bogie-prototipe is 8,8 voet lank, 6,7 voet breed en 2,8 voet hoog.Dit is gemaak van 'n kombinasie van herwonne koolstofvesel (niegeweefde pads verskaf deur ELG) en rou koolstofvesel materiaal.Die eenrigtingvesels sal vir die hoofsterkte-element gebruik word en sal met behulp van robottegnologie in die vorm geplaas word.’n Epoksie met goeie meganiese eienskappe sal gekies word, wat ’n nuutgeformuleerde vlamvertragende epoksie sal wees wat EN45545-2 gesertifiseer is vir gebruik op spoorweë.
Anders as staalbogies, wat van stuurbalke tot twee sybalke vasgesweis is, sal saamgestelde bogies gebou word met verskillende bo- en onderkante wat dan saamgevoeg word.Om die bestaande metaal bogies te vervang, sal die saamgestelde weergawe die vering- en remverbindingsbeugels en ander bykomstighede in dieselfde posisie moet kombineer.“Vir nou het ons gekies om die staaltoebehore te behou, maar vir verdere projekte kan dit interessant wees om die staaltoebehore met saamgestelde tipe toebehore te vervang sodat ons die finale gewig verder kan verminder,” het Seurat gesê.
’n Konsortiumlid van die Sensors and Composites Group by die Universiteit van Birmingham hou toesig oor die ontwikkeling van die sensor, wat in die vervaardigingstadium in die saamgestelde bogie geïntegreer sal word."Die meeste sensors sal fokus op die monitering van spanning op afsonderlike punte op die bogie, terwyl ander vir temperatuurwaarneming is," het Seurat gesê.Die sensors sal intydse monitering van die saamgestelde struktuur moontlik maak, sodat lewenslange vragdata ingesamel kan word.Dit sal waardevolle inligting oor pieklading en langtermyn-moegheid verskaf.
Voorlopige studies dui daarop dat saamgestelde bogies die verlangde gewigsvermindering van 50% behoort te bereik.Die projekspan hoop om teen middel 2019 'n groot bogie gereed te hê vir toetsing.As die prototipe presteer soos verwag word, sal hulle meer draaistellen vervaardig om trems wat deur Alstom, die spoorvervoermaatskappy gemaak is, te toets.
Volgens Seurat, hoewel daar nog baie werk is om te doen, dui vroeë aanduidings daarop dat dit moontlik is om 'n kommersieel lewensvatbare saamgestelde bogie te bou wat in koste en sterkte met metaal bogies kan meeding.“Dan dink ek daar is baie opsies en potensiële toepassings vir komposiete in die spoorwegbedryf,” het sy bygevoeg.(Artikel herdruk uit Carbon Fiber and Its Composite Technology deur Dr. Qian Xin).
Postyd: Mrt-07-2023