Cercetările străine în domeniul materialelor compozite pentru tranzitul feroviar se desfășoară de aproape jumătate de secol.Deși dezvoltarea rapidă a tranzitului feroviar și a căii ferate de mare viteză în China și aplicarea materialelor compozite autohtone în acest domeniu sunt în plină desfășurare, fibra armată din materiale compozite utilizate pe scară largă în tranzitul feroviar străin este mai multă fibră de sticlă, care este diferită de cea a compozitelor din fibră de carbon din China.După cum se menționează în acest articol, fibra de carbon reprezintă mai puțin de 10% din materialele compozite pentru caroserie dezvoltate de TPI Composites Company, iar restul este fibră de sticlă, astfel încât poate echilibra costul asigurând în același timp greutatea redusă.Utilizarea masivă a fibrei de carbon duce inevitabil la dificultăți de cost, așa că poate fi utilizată în unele componente structurale cheie, cum ar fi boghiurile.
De mai bine de 50 de ani, Norplex-Micarta, un producător de compozite termorigide, are o afacere constantă în fabricarea de materiale pentru aplicații de tranzit feroviar, inclusiv trenuri, sisteme de frânare pentru șine ușoare și izolație electrică pentru șinele electrice înalte.Dar astăzi, piața companiei se extinde dincolo de o nișă relativ îngustă în mai multe aplicații, cum ar fi pereți, acoperișuri și podele.
Dustin Davis, director de dezvoltare a afacerilor pentru Norplex-Micarta, consideră că piețele feroviare și alte piețe de transport în masă vor oferi din ce în ce mai multe oportunități pentru compania sa, precum și pentru alți producători și furnizori de compozite, în următorii ani.Există mai multe motive pentru această creștere așteptată, dintre care unul este adoptarea europeană a standardului de incendiu EN 45545-2, care introduce cerințe mai stricte de protecție împotriva incendiilor, fumului și gazelor (FST) pentru transportul în masă.Prin utilizarea sistemelor de rășini fenolice, producătorii de compozite pot încorpora proprietățile necesare de protecție împotriva incendiului și a fumului în produsele lor.
În plus, operatorii de autobuze, metrouri și trenuri încep să realizeze avantajele materialelor compozite în reducerea vibrațiilor zgomotoase și a cacofoniei.„Dacă ai fost vreodată în metrou și ai auzit o placă de metal zdrăngănind”, a spus Davis.Dacă panoul este realizat din material compozit, va opri sunetul și va face trenul mai silențios.”
Greutatea mai ușoară a compozitului îl face, de asemenea, atractiv pentru operatorii de autobuze interesați să reducă consumul de combustibil și să-și extindă gama.Într-un raport din septembrie 2018, firma de cercetare de piață Lucintel a prezis că piața globală a compozitelor utilizate în transportul în masă și vehiculele de teren va crește cu o rată anuală de 4,6% între 2018 și 2023, cu o valoare potențială de 1 miliard de dolari până în 2023. Oportunitățile vor veni dintr-o varietate de aplicații, inclusiv exterior, interior, capotă și componente ale grupului de propulsie și componente electrice.
Norplex-Micarta produce acum piese noi care sunt în prezent testate pe liniile de metrou ușor în Statele Unite.În plus, compania continuă să se concentreze pe sistemele de electrificare cu materiale cu fibre continue și le combină cu sisteme de rășină cu întărire mai rapidă.„Puteți reduce costurile, crește producția și aduce pe piață întreaga funcționalitate a fenolicului FST”, a explicat Davis.În timp ce materialele compozite pot fi mai scumpe decât piesele metalice similare, Davis spune că costul nu este factorul determinant al aplicației pe care o studiază.
Ușoară și ignifugă
Renovarea flotei de 66 de vagoane ICE-3 Express a operatorului feroviar european Duetsche Bahn este una dintre capacitățile materialelor compozite de a răspunde nevoilor specifice ale clienților.Sistemul de aer condiționat, sistemul de divertisment pentru pasageri și scaunele noi au adăugat greutate inutilă vagoanelor ICE-3.În plus, podeaua originală din placaj nu a respectat noile standarde europene de incendiu.Compania avea nevoie de o soluție de pardoseală pentru a ajuta la reducerea greutății și pentru a îndeplini standardele de protecție împotriva incendiilor.Pardoseala compozită ușoară este răspunsul.
Saertex, un producător de țesături compozite cu sediul în Germania, oferă un sistem de materiale LEO® pentru podelele sale.Daniel Stumpp, șeful global de marketing la Saertex Group, a declarat că LEO este o țesătură stratificată, necrespată, care oferă proprietăți mecanice mai mari și un potențial de ușurință mai mare decât țesăturile țesute.Sistemul compozit cu patru componente include acoperiri speciale rezistente la foc, materiale armate cu fibră de sticlă, SAERfoam® (un material de bază cu punți integrate din fibră de sticlă 3D) și rășini LEO vinilester.
SMT (de asemenea, cu sediul în Germania), un producător de materiale compozite, a creat podeaua printr-un proces de umplere în vid, folosind pungi de vid reutilizabile din silicon fabricate de Alan Harper, o companie britanică.„Am economisit aproximativ 50 la sută din greutatea placajului anterior”, a spus Stumpp.„Sistemul LEO se bazează pe laminate cu fibre continue cu sistem de rășini neumplute cu proprietăți mecanice excelente... . În plus, compozitul nu putrezește, ceea ce reprezintă un mare avantaj, mai ales în zonele în care ninge iarna și podeaua este uda."Podeaua, mocheta superioară și materialul din cauciuc îndeplinesc toate noile standarde ignifuge.
SMT a produs peste 32.000 de metri pătrați de panouri, care au fost instalate în aproximativ o treime din cele opt trenuri ICE-3 până în prezent.În timpul procesului de renovare, dimensiunea fiecărui panou este optimizată pentru a se potrivi unei anumite mașini.OEM-ul sedanului ICE-3 a fost atât de impresionat de noua pardoseală din compozit, încât a comandat un acoperiș din compozit pentru a înlocui parțial vechea structură metalică a acoperișului din vagoane.
Mergi mai departe
Proterra, un designer și producător de autobuze electrice cu emisii zero, din California, folosește materiale compozite în toate corpurile sale din 2009. În 2017, compania a stabilit un record prin parcurgerea a 1.100 de mile într-un singur sens cu Catalyst-ul încărcat cu baterie. Autobuz ®E2.Autobuzul are o caroserie ușoară realizată de producătorul de compozit TPI Composite.
* Recent, TPI a colaborat cu Proterra pentru a produce un autobuz electric compozit all-in-one integrat.„Într-un autobuz sau un camion obișnuit, există un șasiu, iar caroseria se află deasupra acelui șasiu”, explică Todd Altman, director de marketing strategic la TPI.Cu designul carcasei dure al autobuzului, am integrat șasiul și caroseria împreună, similar cu designul mașinii all-in-one.” O singură structură este mai eficientă decât două structuri separate în îndeplinirea cerințelor de performanță.
Caroseria cu o singură carcasă Proterra este construită special, proiectată de la zero pentru a fi un vehicul electric.Aceasta este o distincție importantă, a spus Altman, deoarece experiența multor producători de automobile și de autobuze electrice a fost aceea de a încerca încercări limitate de a-și adapta modelele tradiționale pentru motoarele cu ardere internă la vehiculele electrice."Ei preiau platformele existente și încearcă să împacheteze cât mai multe baterii posibil. Nu oferă cea mai bună soluție din niciun punct de vedere."„, a spus Altman.
Multe autobuze electrice, de exemplu, au baterii în spatele sau deasupra vehiculului.Dar pentru Proterra, TPI este capabil să monteze bateria sub autobuz.„Dacă adăugați multă greutate structurii vehiculului, doriți ca această greutate să fie cât mai ușoară posibil, atât din punct de vedere al performanței, cât și din punct de vedere al siguranței”, a spus Altman.El a menționat că mulți producători de autobuze electrice și de mașini se întorc acum la planșă pentru a dezvolta modele mai eficiente și mai bine direcționate pentru vehiculele lor.
TPI a încheiat un acord de cinci ani cu Proterra pentru a produce până la 3.350 de caroserii compozite de autobuz la unitățile TPI din Iowa și Rhode Island.
Trebuie personalizat
Proiectarea caroseriei autobuzului Catalyst necesită ca TPI și Proterra să echilibreze în mod constant punctele forte și punctele slabe ale tuturor materialelor diferite, astfel încât acestea să poată îndeplini obiectivele de cost, atingând în același timp o performanță optimă.Altman a remarcat că experiența TPI în producerea de pale de vânt mari, care au aproximativ 200 de picioare lungime și cântăresc 25.000 de lire sterline, le face relativ ușor să producă caroserii de autobuz de 40 de picioare care cântăresc între 6.000 și 10.000 de lire sterline.
TPI este capabil să obțină rezistența structurală necesară utilizând selectiv fibra de carbon și reținând-o pentru a consolida zonele care suportă cea mai mare sarcină.„Folosim fibră de carbon de unde, practic, puteți cumpăra o mașină”, a spus Altman.În general, fibra de carbon reprezintă mai puțin de 10% din materialul compozit de armare al corpului, restul fiind fibră de sticlă.
TPI a ales rășina vinilesteră dintr-un motiv similar.„Când ne uităm la epoxizi, sunt grozave, dar când le întăriți, trebuie să ridici temperatura, așa că trebuie să încălziți matrița. Este o cheltuială suplimentară”, a continuat el.
Compania folosește turnarea prin transfer de rășină asistată prin vid (VARTM) pentru a produce structuri sandwich compozite care asigură rigiditatea necesară unei singure carcasi.În timpul procesului de fabricație, unele fitinguri metalice (cum ar fi fitingurile filetate și plăcile de filetare) sunt încorporate în corp.Autobuzul este împărțit în părți superioare și inferioare, care sunt apoi lipite împreună.Mai târziu, lucrătorii trebuie să adauge mici ornamente din compozit, cum ar fi carenele, dar numărul de piese este o fracțiune din autobuzul metalic.
După trimiterea caroseriei finite la uzina de producție de autobuze de la Proterra, linia de producție curge mai rapid, deoarece este mai puțină muncă de făcut.„Nu trebuie să facă toată sudarea, șlefuirea și fabricarea și au o interfață foarte simplă pentru a conecta caroseria la transmisia”, a adăugat Altman.Proterra economisește timp și reduce cheltuielile generale, deoarece este necesar mai puțin spațiu de fabricație pentru învelișul monocotic.
Altman crede că cererea pentru caroserii de autobuz compozite va continua să crească pe măsură ce orașele apelează la autobuze electrice pentru a reduce poluarea și a reduce costurile.Potrivit Proterra, vehiculele electrice cu baterie au cel mai mic cost al ciclului de viață de funcționare (12 ani) în comparație cu autobuzele diesel, pe gaz natural comprimat sau hibride diesel.Acesta poate fi unul dintre motivele pentru care Proterra spune că vânzările de autobuze electrice alimentate cu baterii reprezintă acum 10% din totalul pieței de transport.
Există încă unele obstacole în calea aplicării pe scară largă a materialelor compozite în caroseria autobuzului electric.Una este specializarea nevoilor diferitelor clienți de autobuze.„Fiecărei autorități de tranzit îi place să primească autobuze într-un mod diferit -- configurarea scaunelor, deschiderea trapei. Este o mare provocare pentru producătorii de autobuze și multe dintre aceste elemente de configurare ar putea ajunge la noi."Altman a spus. "Producătorii de caroserie integrate doresc să aibă o construcție standard, dar dacă fiecare client dorește un grad ridicat de personalizare, va fi dificil să facă asta." TPI continuă să lucreze cu Proterra pentru a îmbunătăți designul autobuzului pentru a gestiona mai bine. flexibilitatea cerută de clienții finali.
Explorează posibilitatea
Compozitele continuă să testeze dacă materialele sale sunt potrivite pentru noile aplicații de transport în masă.În Marea Britanie, ELG Carbon Fibre, specializată în tehnologia de reciclare și reutilizare a fibrei de carbon, conduce un consorțiu de companii care dezvoltă materiale compozite ușoare pentru boghiuri în mașinile de pasageri.Boghiul susține caroseria mașinii, ghidează setul de roți și îi menține stabilitatea.Acestea ajută la îmbunătățirea confortului de rulare prin absorbția vibrațiilor șinei și minimizând forța centrifugă pe măsură ce trenul se întoarce.
Unul dintre obiectivele proiectului este de a produce boghiuri care sunt cu 50 la sută mai ușoare decât boghiuri metalice comparabile.„Dacă boghiul este mai ușor, va cauza mai puține avarii șinei, iar pentru că sarcina pe șină va fi mai mică, timpul de întreținere și costurile de întreținere pot fi reduse”, spune Camille Seurat, inginer de dezvoltare de produse ELG.Obiective suplimentare sunt reducerea forțelor roților lateral-șină cu 40% și asigurarea monitorizării stării de viață pe durata de viață.Consiliul pentru standarde și siguranță feroviară (RSSB) non-profit din Marea Britanie finanțează proiectul cu scopul de a produce un produs viabil din punct de vedere comercial.
Au fost efectuate teste ample de fabricație și au fost realizate un număr de panouri de testare folosind preimpregnate din presare cu matriță, strat umed convențional, perfuzie și autoclavă.Deoarece producția de boghiuri ar fi limitată, compania a ales preimpregnat epoxidic întărit în autoclave ca cea mai rentabilă metodă de construcție.
Prototipul boghiului de dimensiune completă are 8,8 picioare lungime, 6,7 picioare lățime și 2,8 picioare înălțime.Este realizat dintr-o combinație de fibră de carbon reciclată (tampoane nețesute furnizate de ELG) și țesătură brută din fibră de carbon.Fibrele unidirecționale vor fi folosite pentru elementul de rezistență principal și vor fi plasate în matriță folosind tehnologia robotică.Va fi selectat un epoxidic cu proprietăți mecanice bune, care va fi un epoxidic ignifug nou formulat, care a fost certificat EN45545-2 pentru utilizare pe căile ferate.
Spre deosebire de boghiurile din oțel, care sunt sudate de la grinzile de direcție la două grinzi laterale, boghiurile compozite vor fi construite cu diferite părți superioare și inferioare care sunt apoi unite împreună.Pentru a înlocui boghiurile metalice existente, versiunea compozită va trebui să combine suporturile de legătură suspensie și frână și alte accesorii în aceeași poziție.„Deocamdată, am ales să păstrăm fitingurile din oțel, dar pentru proiecte ulterioare, ar putea fi interesant să înlocuim fitingurile din oțel cu fitinguri de tip compozit, astfel încât să putem reduce și mai mult greutatea finală”, a spus Seurat.
Un membru al consorțiului al Grupului Senzori și Compozite de la Universitatea din Birmingham supraveghează dezvoltarea senzorului, care va fi integrat în boghiul compozit în etapa de fabricație.„Majoritatea senzorilor se vor concentra pe monitorizarea tensiunii în puncte discrete ale boghiului, în timp ce alții sunt pentru detectarea temperaturii”, a spus Seurat.Senzorii vor permite monitorizarea în timp real a structurii compozite, permițând colectarea datelor de încărcare pe durata de viață.Acest lucru va oferi informații valoroase despre sarcina maximă și oboseala pe termen lung.
Studiile preliminare indică faptul că boghiurile compozite ar trebui să poată atinge reducerea dorită a greutății de 50%.Echipa de proiect speră să aibă un boghiu mare pregătit pentru testare până la jumătatea anului 2019.Dacă prototipul va funcționa conform așteptărilor, vor produce mai multe boghiuri pentru a testa tramvaiele fabricate de Alstom, compania de transport feroviar.
Potrivit Seurat, deși mai este mult de făcut, primele indicații sugerează că este posibil să se construiască un boghiu compozit viabil din punct de vedere comercial, care să poată concura cu boghiurile metalice ca cost și rezistență.„Atunci cred că există o mulțime de opțiuni și aplicații potențiale pentru compozite în industria feroviară”, a adăugat ea.(Articol retipărit din fibra de carbon și tehnologia sa compozită de Dr. Qian Xin).
Ora postării: Mar-07-2023