Замежныя даследаванні ў галіне кампазіцыйных матэрыялаў для чыгуначнага транспарту вядуцца амаль паўстагоддзя.Нягледзячы на тое, што хуткае развіццё чыгуначнага транзіту і высакахуткасных чыгунак у Кітаі, а таксама прымяненне айчынных кампазітных матэрыялаў у гэтай галіне ідуць поўным ходам, армаванае валакно з кампазітных матэрыялаў, якое шырока выкарыстоўваецца ў замежным чыгуначным транспарце, - гэта больш шкляное валакно, якое адрозніваецца ад што з вугляроднага валакна кампазітаў у Кітаі.Як згадвалася ў гэтым артыкуле, вугляроднае валакно складае менш за 10% кампазіцыйных матэрыялаў для кузава, распрацаваных TPI Composites Company, а астатняе - шкловалакно, так што гэта можа збалансаваць кошт, забяспечваючы лёгкі вага.Масавае выкарыстанне вугляроднага валакна непазбежна прыводзіць да цяжкасцей з выдаткамі, таму яго можна выкарыстоўваць у некаторых ключавых структурных кампанентах, такіх як каляскі.
Ужо больш за 50 гадоў Norplex-Micarta, вытворца тэрмарэактыўных кампазітаў, мае ўстойлівы бізнэс па вытворчасці матэрыялаў для чыгуначнага транспарту, у тым ліку цягнікоў, тармазных сістэм лёгкага рэльса і электраізаляцыі для пад'ёмных электрычных рэек.Але сёння рынак кампаніі выходзіць за межы адносна вузкай нішы ў новыя сферы прымянення, такія як сцены, дахі і падлогі.
Дастын Дэвіс, дырэктар па развіцці бізнесу Norplex-Micarta, лічыць, што чыгуначны і іншыя рынкі масавых перавозак будуць усё больш прадастаўляць магчымасці для яго кампаніі, а таксама для іншых вытворцаў і пастаўшчыкоў кампазітных матэрыялаў у бліжэйшыя гады.Ёсць некалькі прычын такога чаканага росту, адной з якіх з'яўляецца прыняцце Еўрапейскім стандартам супрацьпажарнай бяспекі EN 45545-2, які ўводзіць больш жорсткія патрабаванні да абароны ад агню, дыму і газу (FST) для масавага транспарту.Выкарыстоўваючы сістэмы фенольнай смалы, вытворцы кампазітных матэрыялаў могуць уключыць у сваю прадукцыю неабходныя ўласцівасці абароны ад агню і дыму.
Акрамя таго, аператары аўтобусаў, метро і цягнікоў пачынаюць разумець перавагі кампазітных матэрыялаў у зніжэнні шумнай вібрацыі і какафоніі."Калі вы калі-небудзь былі ў метро і чулі, як бразгае металічная пліта", - сказаў Дэвіс.Калі панэль з кампазітнага матэрыялу, яна прыглушыць гук і зробіць цягнік цішэй».
Меншая вага кампазіта таксама робіць яго прывабным для аўтобусных аператараў, зацікаўленых у скарачэнні выкарыстання паліва і пашырэнні яго дыяпазону.У справаздачы за верасень 2018 года кампанія па даследаванні рынку Lucintel прагназавала, што сусветны рынак кампазітаў, якія выкарыстоўваюцца ў масавым транспарце і пазадарожных аўтамабілях, будзе расці з гадавой хуткасцю 4,6 працэнта ў перыяд з 2018 па 2023 гады з патэнцыяльным коштам у 1 мільярд долараў да 2023 года. Магчымасці з'явяцца ў розных сферах прымянення, уключаючы экстэр'ер, інтэр'ер, дэталі капота і сілавога агрэгата, а таксама электрычныя кампаненты.
Зараз Norplex-Micarta вырабляе новыя дэталі, якія зараз выпрабоўваюцца на лініях лёгкага чыгуначнага транспарту ў Злучаных Штатах.Акрамя таго, кампанія працягвае засяроджвацца на сістэмах электрыфікацыі з матэрыяламі з бесперапынным валакном і спалучае іх з сістэмамі смалы больш хуткага зацвярдзення.«Вы можаце знізіць выдаткі, павялічыць вытворчасць і вывесці на рынак поўную функцыянальнасць FST phenolic», — растлумачыў Дэвіс.У той час як кампазітныя матэрыялы могуць быць даражэй, чым аналагічныя металічныя дэталі, Дэвіс кажа, што кошт не з'яўляецца вызначальным фактарам прымянення, які яны вывучаюць.
Лёгкі і вогнеўстойлівы
Абнаўленне парку еўрапейскага чыгуначнага аператара Duetsche Bahn з 66 вагонаў ICE-3 Express з'яўляецца адной з магчымасцей кампазітных матэрыялаў для задавальнення канкрэтных патрэб кліентаў.Сістэма кандыцыянавання паветра, сістэма забавы для пасажыраў і новыя сядзенні дадалі вагонам ICE-3 непатрэбную вагу.Акрамя таго, першапачатковая фанерная падлога не адпавядала новым еўрапейскім супрацьпажарным нормам.Кампанія мела патрэбу ў падлогавым пакрыцці, каб паменшыць вагу і адпавядаць стандартам супрацьпажарнай абароны.Лёгкі кампазітны падлогу - гэта рашэнне.
Кампанія Saertex, нямецкі вытворца кампазітных тканін, прапануе сістэму матэрыялаў LEO® для сваіх падлогавых пакрыццяў.Даніэль Стамп, кіраўнік глабальнага аддзела маркетынгу Saertex Group, сказаў, што LEO - гэта шматслойная тканіна без зморшчын, якая забяспечвае больш высокія механічныя ўласцівасці і большы патэнцыял лёгкасці, чым тканыя тканіны.Чатырохкампанентная кампазітная сістэма ўключае ў сябе спецыяльныя вогнеўстойлівыя пакрыцця, матэрыялы, армаваныя шкловалакном, SAERfoam® (асноўны матэрыял з інтэграванымі 3D-шкловалакновымі мастамі) і вінілаэфірныя смалы LEO.
SMT (таксама базуецца ў Германіі), вытворца кампазітных матэрыялаў, стварыў падлогу праз працэс вакуумнага напаўнення з выкарыстаннем шматразовых крамянёвых вакуумных мяшкоў, вырабленых брытанскай кампаніяй Alan Harper.«Мы зэканомілі каля 50 працэнтаў вагі папярэдняй фанеры», — сказаў Стамп.«Сістэма LEO заснавана на ламінаце з бесперапыннага валакна з сістэмай смалы без напаўнення з выдатнымі механічнымі ўласцівасцямі... Акрамя таго, кампазіт не гніе, што з'яўляецца вялікай перавагай, асабліва ў раёнах, дзе зімой ідзе снег. падлога мокрая».Падлога, верхні дыван і гумовы матэрыял адпавядаюць новым стандартам вогнеўстойлівасці.
Кампанія SMT вырабіла больш за 32 000 квадратных футаў панэляў, якія былі ўсталяваныя прыкладна ў траціну з васьмі цягнікоў ICE-3 на сённяшні дзень.У працэсе рэканструкцыі памер кожнай панэлі аптымізуецца ў адпаведнасці з канкрэтным аўтамабілем.Вытворца кампазіцыйнага абсталявання седана ICE-3 быў настолькі ўражаны новым кампазітным падлогай, што замовіў кампазітны дах, каб часткова замяніць старую металічную канструкцыю даху ў чыгуначных вагонах.
Ідзі далей
Proterra, каліфарнійскі дызайнер і вытворца электрычных аўтобусаў з нулявым выкідам, выкарыстоўвае кампазітныя матэрыялы ва ўсіх сваіх кузавах з 2009 года. У 2017 годзе кампанія ўстанавіла рэкорд, праехаўшы 1100 міль у адзін бок на сваім Catalyst, які зараджаецца ад акумулятара. Аўтобус ®E2.Гэты аўтобус мае лёгкі кузаў, зроблены вытворцам кампазітных матэрыялаў TPI Composite.
* Нядаўна TPI супрацоўнічаў з Proterra для вытворчасці інтэграванага кампазітнага электрычнага аўтобуса "усё ў адным".«У тыповага аўтобуса або грузавіка ёсць шасі, а кузаў размешчаны на гэтым шасі», — тлумачыць Тод Альтман, дырэктар па стратэгічным маркетынгу ў TPI.Дзякуючы цвёрдай канструкцыі аўтобуса мы аб'ядналі шасі і кузаў, падобна да канструкцыі аўтамабіля "ўсё ў адным". Адна структура больш эфектыўная, чым дзве асобныя структуры ў адпаведнасці з патрабаваннямі прадукцыйнасці.
Аднакарпусны кузаў Proterra спецыяльна пабудаваны, распрацаваны з нуля як электрычны транспартны сродак.Гэта важнае адрозненне, сказаў Альтман, таму што вопыт многіх аўтавытворцаў і вытворцаў электрычных аўтобусаў заключаўся ў абмежаваных спробах адаптаваць свае традыцыйныя канструкцыі рухавікоў унутранага згарання да электрамабіляў.«Яны бяруць існуючыя платформы і спрабуюць спакаваць як мага больш батарэй. Гэта не прапануе лепшага рашэння з любога пункту гледжання»."Сказаў Альтман.
Многія электробусы, напрыклад, маюць акумулятары ў задняй або верхняй частцы аўтамабіля.Але для Proterra TPI можа ўсталяваць батарэю пад шынай."Калі вы дадаеце вялікую вагу канструкцыі транспартнага сродку, вы хочаце, каб гэтая вага была як мага меншай, як з пункту гледжання прадукцыйнасці, так і з пункту гледжання бяспекі", - сказаў Альтман.Ён адзначыў, што многія вытворцы электрычных аўтобусаў і аўтамабіляў цяпер вяртаюцца да чарцёжнай дошкі, каб распрацаваць больш эфектыўныя і мэтанакіраваныя праекты для сваіх аўтамабіляў.
TPI заключыла пяцігадовае пагадненне з Proterra аб вытворчасці да 3350 кампазітных кузаваў аўтобусаў на прадпрыемствах TPI ў Аёве і Род-Айлендзе.
Трэба наладзіць
Распрацоўка кузава аўтобуса Catalyst патрабуе, каб TPI і Proterra пастаянна балансавалі моцныя і слабыя бакі ўсіх розных матэрыялаў, каб яны маглі адпавядаць мэтавым выдаткам пры дасягненні аптымальнай прадукцыйнасці.Альтман адзначыў, што вопыт TPI у вытворчасці вялікіх ветраных лопасцяў даўжынёй каля 200 футаў і вагой 25 000 фунтаў дазваляе ім адносна лёгка вырабляць 40-футавыя кузавы аўтобусаў вагой ад 6 000 да 10 000 фунтаў.
TPI здольны атрымаць неабходную структурную трываласць, выбарачна выкарыстоўваючы вугляроднае валакно і захоўваючы яго для ўмацавання абласцей, якія нясуць найбольшую нагрузку."Мы выкарыстоўваем вугляроднае валакно там, дзе вы ў асноўным можаце купіць машыну", - сказаў Альтман.У цэлым вугляроднае валакно складае менш за 10 працэнтаў кампазітнага армавальнага матэрыялу кузава, астатняе - шкловалакно.
Кампанія TPI абрала вінілаэфірную смалу па аналагічнай прычыне.«Калі мы глядзім на эпаксідныя смолы, яны выдатныя, але калі вы іх отверждаете, вы павінны павысіць тэмпературу, таму вам трэба нагрэць форму. Гэта дадатковыя выдаткі», - працягнуў ён.
Кампанія выкарыстоўвае вакуумнае ліццё смалы (VARTM) для вытворчасці кампазітных сэндвіч-канструкцый, якія забяспечваюць неабходную калянасць адной абалонкі.Падчас вытворчага працэсу некаторыя металічныя фітынгі (напрыклад, рэзьбавыя фітынгі і націскныя пласціны) убудоўваюцца ў корпус.Аўтобус падзяляецца на верхнюю і ніжнюю часткі, якія затым склейваюцца.Пазней рабочыя павінны дадаць невялікія кампазітныя ўпрыгажэнні, такія як абцякальнікі, але колькасць дэталяў - гэта доля металічнага аўтобуса.
Пасля адпраўкі гатовага кузава на завод па вытворчасці аўтобусаў Proterra вытворчая лінія працуе хутчэй, таму што трэба зрабіць менш працы.«Ім не трэба займацца зваркай, шліфоўкай і вытворчасцю, і яны маюць вельмі просты інтэрфейс для падлучэння кузава да трансмісіі», — дадаў Альтман.Proterra эканоміць час і скарачае накладныя выдаткі, таму што для вытворчасці монокотиковой абалонкі патрабуецца менш месца.
Альтман лічыць, што попыт на кампазітныя кузавы аўтобусаў будзе працягваць расці, калі гарады пераходзяць на электрычныя аўтобусы, каб паменшыць забруджванне і скараціць выдаткі.Па дадзеных Proterra, акумулятарныя электрамабілі маюць самы нізкі кошт эксплуатацыйнага цыклу (12 гадоў) у параўнанні з дызельнымі аўтобусамі, аўтобусамі на сціснутым прыродным газе або дызельнымі гібрыднымі аўтобусамі.Гэта можа быць адной з прычын, чаму Proterra кажа, што продажы электрычных аўтобусаў з акумулятарным харчаваннем цяпер складаюць 10% ад агульнага транспартнага рынку.
Шырокаму прымяненню кампазітных матэрыялаў у кузавах электробусаў яшчэ існуюць некаторыя перашкоды.Адным з іх з'яўляецца спецыялізацыя патрэбаў кліентаў розных аўтобусаў."Кожны транспартны орган хоча атрымліваць аўтобусы па-рознаму - канфігурацыя сядзенняў, адкрыццё люка. Гэта вялікая праблема для вытворцаў аўтобусаў, і многія з гэтых элементаў канфігурацыі могуць пайсці да нас"."Сказаў Альтман. "Вытворцы інтэграваных кузаваў хочуць мець стандартную канструкцыю, але калі кожны кліент хоча высокую ступень наладкі, зрабіць гэта будзе цяжка". TPI працягвае працаваць з Proterra над паляпшэннем канструкцыі аўтобуса для лепшага кіравання гібкасць, неабходная канчатковым кліентам.
Даследуйце магчымасць
Кампанія Composites працягвае правяраць, ці прыдатныя яе матэрыялы для новых відаў масавага транспарту.У Вялікабрытаніі кампанія ELG Carbon Fibre, якая спецыялізуецца на тэхналогіі перапрацоўкі і паўторнага выкарыстання вугляроднага валакна, узначальвае кансорцыум кампаній, якія распрацоўваюць лёгкія кампазітныя матэрыялы для калясак у легкавых аўтамабілях.Вазок падтрымлівае кузаў вагона, накіроўвае колавую пару і падтрымлівае яе ўстойлівасць.Яны дапамагаюць павысіць камфортнасць язды, паглынаючы вібрацыю рэйкі і мінімізуючы цэнтрабежную сілу падчас павароту цягніка.
Адна з мэт праекта - вырабляць каляскі, якія на 50 працэнтаў лягчэйшыя за адпаведныя металічныя каляскі.«Калі каляска лягчэйшая, гэта прывядзе да меншага пашкоджання пуці, а паколькі нагрузка на пуць будзе меншай, можна скараціць час і выдаткі на тэхнічнае абслугоўванне», — кажа Каміль Сёра, інжынер па распрацоўцы прадуктаў ELG.Дадатковымі мэтамі з'яўляюцца зніжэнне бакавой нагрузкі на кола на рэйках на 40% і забеспячэнне кантролю стану на працягу ўсяго тэрміну службы.Брытанскі некамерцыйны савет па бяспецы і стандартам чыгуначнага транспарту (RSSB) фінансуе праект з мэтай вытворчасці камерцыйна жыццяздольнага прадукту.
Былі праведзены шырокія вытворчыя выпрабаванні і зроблены шэраг выпрабавальных панэляў з выкарыстаннем прэпрэгаў, атрыманых у выніку прэсавання, звычайнай мокрай накладкі, перфузіі і аўтаклава.Паколькі вытворчасць калясак будзе абмежаванай, кампанія выбрала эпаксідны прэпрэг, які адвердзеў у аўтаклавах, як найбольш эканамічна эфектыўны метад канструкцыі.
Поўнапамерны прататып каляскі мае даўжыню 8,8 фута, шырыню 6,7 фута і вышыню 2,8 фута.Ён зроблены з камбінацыі перапрацаванага вугляроднага валакна (нятканыя пракладкі, прадастаўленыя ELG) і сырой тканіны з вугляроднага валакна.Аднабаковыя валакна будуць выкарыстоўвацца ў якасці асноўнага элемента трываласці і будуць змяшчацца ў форму з дапамогай рабатызаваных тэхналогій.Будзе абраная эпаксідная смола з добрымі механічнымі ўласцівасцямі, якая будзе ўяўляць сабой новую вогнеахоўную эпаксідную смолу, сертыфікаваную па EN45545-2 для выкарыстання на чыгунцы.
У адрозненне ад сталёвых калясак, якія звараны з рулявых бэлек да двух бакавых бэлек, кампазітныя каляскі будуць пабудаваны з рознымі верхняй і ніжняй часткамі, якія потым злучаюцца разам.Каб замяніць існуючыя металічныя каляскі, кампазітная версія павінна аб'яднаць кранштэйны злучэння падвескі і тармазоў і іншыя аксэсуары ў тым жа месцы."На дадзены момант мы вырашылі захаваць сталёвую арматуру, але для далейшых праектаў можа быць цікава замяніць сталёвую арматуру на кампазітную арматуру, каб мы маглі яшчэ больш паменшыць канчатковую вагу", - сказаў Сера.
Член кансорцыума Sensors and Composites Group пры Універсітэце Бірмінгема курыруе распрацоўку датчыка, які будзе інтэграваны ў кампазітную каляску на этапе вытворчасці.«Большасць датчыкаў сканцэнтраваны на маніторынгу дэфармацыі ў асобных кропках каляскі, а іншыя — на вымярэнні тэмпературы», — сказаў Сера.Датчыкі дазволяць у рэжыме рэальнага часу кантраляваць кампазітную структуру, дазваляючы збіраць даныя аб нагрузцы на працягу ўсяго жыцця.Гэта дасць каштоўную інфармацыю аб пікавай нагрузцы і доўгатэрміновай стомленасці.
Папярэднія даследаванні паказваюць, што кампазітныя каляскі павінны быць у стане дасягнуць жаданага зніжэння вагі на 50%.Каманда праекта спадзяецца, што вялікая каляска будзе гатовая да выпрабаванняў да сярэдзіны 2019 года.Калі прататып будзе працаваць, як чакаецца, яны будуць вырабляць дадатковыя каляскі для выпрабаванняў трамваяў, вырабленых Alstom, чыгуначнай транспартнай кампаніяй.
Па словах Сёра, хаця трэба яшчэ шмат папрацаваць, першыя прыкметы сведчаць аб тым, што можна пабудаваць камерцыйна жыццяздольную кампазітную каляску, якая можа канкураваць з металічнымі каляскамі па кошце і трываласці."Тады я думаю, што ёсць шмат варыянтаў і патэнцыйных прымянення для кампазітаў у чыгуначнай галіны", дадала яна.(Артыкул перадрукаваны з Carbon Fiber and Its Composite Technology доктарам Цянь Сінь).
Час публікацыі: 7 сакавіка 2023 г