Erlendar rannsóknir á sviði samsettra efna til flutninga á járnbrautum hafa staðið yfir í tæpa hálfa öld.Þrátt fyrir að hröð þróun flutninga á járnbrautum og háhraða járnbrautum í Kína og notkun innlendra samsettra efna á þessu sviði sé í fullum gangi, eru styrktar trefjar samsettra efna sem eru mikið notaðar í erlendum járnbrautum meira glertrefja, sem er frábrugðið því. samsett efni úr koltrefjum í Kína.Eins og getið er um í þessari grein eru koltrefjar minna en 10% af samsettum efnum fyrir líkama þróað af TPI Composites Company, og restin er glertrefjar, svo það getur jafnað kostnaðinn á meðan það tryggir létt.Mikil notkun koltrefja leiðir óhjákvæmilega til kostnaðarerfiðleika, svo það er hægt að nota það í sumum lykilbyggingarhlutum eins og bogíum.
Í meira en 50 ár hefur Norplex-Micarta, framleiðandi hitastillandi samsettra efna, verið með stöðuga starfsemi í framleiðslu á efni fyrir flutninga á járnbrautum, þar á meðal lestum, léttlestahemlakerfi og rafeinangrun fyrir upphækkaðar rafmagnsbrautir.En í dag er markaður fyrirtækisins að stækka út fyrir tiltölulega þröngan sess í fleiri forrit eins og veggi, þök og gólf.
Dustin Davis, forstöðumaður viðskiptaþróunar hjá Norplex-Micarta, telur að járnbrautar- og aðrir fjöldaflutningamarkaðir muni í auknum mæli veita fyrirtæki hans, sem og öðrum samsettum framleiðendum og birgjum, tækifæri á næstu árum.Það eru nokkrar ástæður fyrir þessum vænta vexti, ein þeirra er evrópsk upptaka á brunastaðlinum EN 45545-2, sem innleiðir strangari kröfur um bruna, reyk og gasvörn (FST) fyrir fjöldaflutninga.Með því að nota fenól plastefniskerfi geta samsett framleiðendur innlimað nauðsynlega eld- og reykvarnareiginleika í vörur sínar.
Að auki eru rútu-, neðanjarðarlestar- og lestaraðilar farnir að átta sig á kostum samsettra efna við að draga úr hávaðasömum titringi og kakófóníu.„Ef þú hefur einhvern tíma verið í neðanjarðarlestinni og heyrt málmplötu skrölta,“ sagði Davis.Ef spjaldið er úr samsettu efni mun það slökkva á hljóðinu og gera lestina hljóðlátari.“
Léttari þyngd samsettsins gerir það einnig aðlaðandi fyrir rútufyrirtæki sem hafa áhuga á að draga úr eldsneytisnotkun og stækka úrvalið.Í september 2018 skýrslu spáði markaðsrannsóknarfyrirtækinu Lucintel því að alþjóðlegur markaður fyrir samsett efni sem notuð er í fjöldaflutninga og torfærutæki myndi vaxa um 4,6 prósent á ári á milli 2018 og 2023, með hugsanlegt verðmæti upp á 1 milljarð Bandaríkjadala árið 2023. Tækifærin munu koma frá ýmsum forritum, þar á meðal ytri, innri, húdd og aflrásarhlutum og rafmagnsíhlutum.
Norplex-Micarta framleiðir nú nýja hluta sem nú er verið að prófa á léttlestarlínum í Bandaríkjunum.Að auki heldur fyrirtækið áfram að einbeita sér að rafvæðingarkerfum með samfelldum trefjaefnum og sameinar þau hraðari harðnandi plastefniskerfi.„Þú getur dregið úr kostnaði, aukið framleiðslu og komið fullri virkni FST fenóls á markað,“ útskýrði Davis.Þó að samsett efni geti verið dýrari en svipaðir málmhlutar, segir Davis að kostnaður sé ekki sá þáttur sem ákvarðar notkunina sem þeir eru að rannsaka.
Létt og logavarnarefni
Endurnýjun á flota evrópska járnbrautarfyrirtækisins Duetsche Bahn af 66 ICE-3 Express bíla er ein af möguleikum samsettra efna til að mæta sérstökum þörfum viðskiptavina.Loftræstikerfið, afþreyingarkerfið fyrir farþega og ný sæti bættu óþarfa þunga við ICE-3 járnbrautarvagnana.Þar að auki uppfyllti upprunalega krossviðargólfið ekki nýja evrópska brunastaðla.Fyrirtækið þurfti gólflausn til að draga úr þyngd og uppfylla brunavarnarstaðla.Létt samsett gólfefni er svarið.
Saertex, framleiðandi samsettra efna með aðsetur í Þýskalandi, býður upp á LEO® efniskerfi fyrir gólfefni sitt.Daniel Stumpp, alþjóðlegur markaðsstjóri hjá Saertex Group, sagði að LEO sé lagskipt, ókrumpað efni sem bjóði upp á meiri vélrænni eiginleika og meiri léttan möguleika en ofinn dúkur.Fjögurra þátta samsetta kerfið inniheldur sérstaka eldþolna húðun, trefjaglerstyrkt efni, SAERfoam® (kjarnaefni með innbyggðum 3D-trefjaglerbrúum) og LEO vinyl ester kvoða.
SMT (einnig með aðsetur í Þýskalandi), framleiðandi samsettra efna, bjó til gólfið í gegnum lofttæmisfyllingarferli með því að nota endurnýtanlegar sílikon lofttæmipokar framleiddir af Alan Harper, bresku fyrirtæki.„Við björguðum um 50 prósent af þyngdinni frá fyrri krossviði,“ sagði Stumpp."LEO kerfið er byggt á samfelldu trefjalagskiptum með ófylltu plastefniskerfi með framúrskarandi vélrænni eiginleika... Að auki rotnar samsetningin ekki, sem er stór kostur, sérstaklega á svæðum þar sem snjóar á veturna og gólfið er blautt."Gólfið, efsta teppið og gúmmíefnið uppfylla öll nýju logavarnarstaðlana.
SMT hefur framleitt meira en 32.000 ferfeta spjöld, sem hafa verið sett upp í um þriðjungi af átta ICE-3 lestum til þessa.Í endurnýjunarferlinu er verið að fínstilla stærð hvers spjalds til að passa við tiltekinn bíl.OEM ICE-3 fólksbílsins var svo hrifinn af nýju samsettu gólfefninu að það hefur pantað samsett þak til að skipta að hluta af gömlu málmþakbyggingunni í járnbrautarvögnunum.
Fara lengra
Proterra, hönnuður í Kaliforníu og framleiðandi rafmagnsrúta með núlllosun, hefur notað samsett efni í allar yfirbyggingar sínar síðan 2009. Árið 2017 setti fyrirtækið met með því að aka 1.100 mílur aðra leið á rafhlaða Catalyst. ®E2 strætó.Þessi rúta er með léttan yfirbyggingu sem framleidd er af samsettum framleiðanda TPI Composite.
* Nýlega var TPI í samstarfi við Proterra til að framleiða samþættan allt-í-einn samsettan rafmagnsrútu.„Í dæmigerðum rútu eða vörubíl er undirvagn og yfirbyggingin situr ofan á þeim undirvagni,“ útskýrir Todd Altman, forstöðumaður Strategic Marketing hjá TPI.Með harðri skelhönnun rútunnar samþættum við undirvagn og yfirbyggingu saman, svipað og hönnunin á allt-í-einum bílnum.“ Ein bygging er skilvirkari en tvö aðskilin mannvirki til að uppfylla kröfur um frammistöðu.
Proterra einskelja yfirbyggingin er sérsmíðað, hönnuð frá grunni til að vera rafknúin farartæki.Þetta er mikilvægur greinarmunur, sagði Altman, vegna þess að reynsla margra bílaframleiðenda og rafbílaframleiðenda hefur verið sú að reyna takmarkaðar tilraunir til að laga hefðbundna hönnun þeirra fyrir brunahreyfla að rafknúnum farartækjum."Þeir eru að taka núverandi palla og reyna að pakka eins mörgum rafhlöðum og hægt er. Það býður ekki upp á bestu lausnina frá hvaða sjónarhorni sem er."“ sagði Altman.
Margir rafbílar eru til dæmis með rafhlöður aftan á eða ofan á farartækinu.En fyrir Proterra er TPI fær um að festa rafhlöðuna undir rútunni."Ef þú ert að bæta miklu við uppbyggingu ökutækisins, vilt þú að þyngdin sé eins létt og mögulegt er, bæði frá frammistöðusjónarmiði og frá öryggissjónarmiði," sagði Altman.Hann benti á að margir rafbílaframleiðendur fara nú aftur á teikniborðið til að þróa skilvirkari og markvissari hönnun fyrir farartæki sín.
TPI hefur gert fimm ára samning við Proterra um að framleiða allt að 3.350 samsetta rútu yfirbyggingar í verksmiðjum TPI í Iowa og Rhode Island.
Þarf að sérsníða
Að hanna Catalyst strætóbygginguna krefst þess að TPI og Proterra jafnvægi stöðugt styrkleika og veikleika allra mismunandi efna þannig að þau geti náð kostnaðarmarkmiðum á sama tíma og þau ná hámarksframmistöðu.Altman benti á að reynsla TPI í að framleiða stór vindblöð sem eru um 200 fet að lengd og vega 25.000 pund geri það tiltölulega auðvelt fyrir þá að framleiða 40 feta rútu yfirbyggingar sem vega á milli 6.000 og 10.000 pund.
TPI er fær um að fá nauðsynlegan burðarstyrk með því að velja sértækt að nota koltrefjar og halda þeim til að styrkja svæðin sem bera mesta álagið."Við notum koltrefjar þar sem þú getur í grundvallaratriðum keypt bíl," sagði Altman.Á heildina litið eru koltrefjar minna en 10 prósent af samsettu styrkingarefni líkamans, en restin er trefjagler.
TPI valdi vinyl ester plastefni af svipaðri ástæðu."Þegar við skoðum epoxý þá eru þeir frábærir, en þegar þú læknar þá þarftu að hækka hitastigið, svo þú verður að hita mótið. Það er aukakostnaður," hélt hann áfram.
Fyrirtækið notar lofttæmandi plastefnisflutningsmótun (VARTM) til að framleiða samsett samlokumannvirki sem veita nauðsynlega stífleika í einni skel.Í framleiðsluferlinu eru nokkrar málmfestingar (eins og snittari festingar og tappaplötur) felldar inn í líkamann.Rútunni er skipt í efri og neðri hluta sem síðan eru límdir saman.Starfsmenn verða síðar að bæta við litlum samsettum skreytingum eins og klæðningum, en fjöldi hluta er brot af málmrútunni.
Eftir að búið er að senda fullbúna líkamann til Proterra rútuframleiðsluverksmiðjunnar flæðir framleiðslulínan hraðar vegna þess að það er minna verk fyrir höndum."Þeir þurfa ekki að sinna allri suðu, slípun og framleiðslu, og þeir hafa mjög einfalt viðmót til að tengja yfirbygginguna við drifrásina," bætti Altman við.Proterra sparar tíma og dregur úr kostnaði vegna þess að minna framleiðslupláss er krafist fyrir einhnetu skelina.
Altman telur að eftirspurn eftir samsettum strætisvögnum muni halda áfram að vaxa þar sem borgir snúa sér að rafknúnum strætisvögnum til að draga úr mengun og draga úr kostnaði.Samkvæmt Proterra hafa rafgeymir rafbílar lægsta rekstrarlíftímakostnaðinn (12 ár) samanborið við dísel, þjappað jarðgas eða dísel tvinnbíla.Það gæti verið ein ástæðan fyrir því að Proterra segir að sala á rafhlöðuknúnum rafbílum nemi nú 10% af heildarflutningamarkaðinum.
Það eru enn nokkrar hindranir fyrir víðtækri notkun samsettra efna í rafbílahúsi.Eitt er sérhæfing mismunandi þarfa strætóviðskiptavina."Sérhverjum flutningayfirvöldum finnst gaman að fá strætisvagna á annan hátt - sætisuppsetningu, opnun lúgu. Þetta er mikil áskorun fyrir strætóframleiðendur og margir af þessum stillingarhlutum gætu farið til okkar.""Altman sagði. "Innþættir framleiðendur yfirbygginga vilja hafa staðlaða byggingu, en ef hver viðskiptavinur vill mikla sérsníða, þá verður erfitt að gera það. þann sveigjanleika sem endanlegir viðskiptavinir krefjast.
Kannaðu möguleikann
Composites heldur áfram að prófa hvort efni þess henti fyrir nýja fjöldaflutninga.Í Bretlandi leiðir ELG Carbon Fibre, sem sérhæfir sig í tækni til endurvinnslu og endurnýtingar á koltrefjum, hópi fyrirtækja sem þróa létt samsett efni fyrir bogýa í fólksbílum.Bogie styður yfirbyggingu bílsins, stýrir hjólasettinu og heldur stöðugleika þess.Þeir hjálpa til við að bæta akstursþægindi með því að gleypa járnbrautartitring og lágmarka miðflóttakraft þegar lestin snýr.
Eitt markmið verkefnisins er að framleiða bogíur sem eru 50 prósent léttari en sambærilegir málmbogar.„Ef boginn er léttari mun það valda minni skemmdum á brautinni og vegna þess að álagið á brautina verður minna getur viðhaldstími og viðhaldskostnaður minnkað,“ segir Camille Seurat, vöruþróunarverkfræðingur ELG.Viðbótarmarkmið eru að draga úr krafti hjóla frá hlið til járnbrautar um 40% og veita líftíma ástandseftirlit.Breska járnbrautaöryggis- og staðlaráðið (RSSB), sem ekki er rekið í hagnaðarskyni, fjármagnar verkefnið með það að markmiði að framleiða viðskiptalega hagkvæma vöru.
Umfangsmiklar framleiðslutilraunir hafa verið gerðar og fjöldi prófunarplötur hafa verið gerðar með því að nota prepregs úr mótunarpressu, hefðbundinni blautuppsetningu, gegnflæði og autoclave.Vegna þess að framleiðsla á bogíunum yrði takmörkuð, valdi fyrirtækið epoxý prepreg hert í autoclave sem hagkvæmustu byggingaraðferðina.
Frumgerðin í fullri stærð er 8,8 fet á lengd, 6,7 fet á breidd og 2,8 fet á hæð.Hann er gerður úr blöndu af endurunnum koltrefjum (óofnum púðum frá ELG) og hráu koltrefjaefni.Einstefnutrefjarnar verða notaðar fyrir aðalstyrkleikaþáttinn og verða settar í mótið með vélfæratækni.Valið verður epoxý með góða vélræna eiginleika sem verður nýsamsett logavarnarefni epoxý sem hefur verið vottað EN45545-2 til notkunar á járnbrautum.
Ólíkt stálbogum, sem eru soðnar úr stýrisbitum í tvo hliðarbita, verða samsettir bogar byggðir með mismunandi toppum og botnum sem síðan eru tengdir saman.Til að skipta um núverandi málmboga þarf samsetta útgáfan að sameina fjöðrunar- og bremsutengingarfestingar og annan aukabúnað í sömu stöðu.„Í bili höfum við valið að halda stálfestingunum, en fyrir frekari verkefni gæti verið áhugavert að skipta út stálfestingunum fyrir samsettar festingar svo við getum dregið enn frekar úr lokaþyngdinni,“ sagði Seurat.
Félagsaðili í Sensors and Composites Group við háskólann í Birmingham hefur umsjón með þróun skynjarans, sem verður samþættur í samsetta bogíuna á framleiðslustigi."Flestir skynjarar munu einbeita sér að því að fylgjast með álagi á aðskildum stöðum á boganum, á meðan aðrir eru til að skynja hitastig," sagði Seurat.Skynjararnir munu leyfa rauntíma eftirlit með samsettu uppbyggingunni, sem gerir kleift að safna líftímahleðslugögnum.Þetta mun veita dýrmætar upplýsingar um hámarksálag og langvarandi þreytu.
Bráðabirgðarannsóknir benda til þess að samsettar bogíar ættu að geta náð æskilegri þyngdarminnkun um 50%.Verkefnisteymið vonast til að vera með stóran boggi tilbúinn til prófunar um mitt ár 2019.Ef frumgerðin virkar eins og búist var við, munu þeir framleiða fleiri bogýa til að prófa sporvagna sem Alstom, járnbrautarflutningafyrirtækið, gerir.
Að sögn Seurat, þótt enn sé mikið verk óunnið, benda fyrstu vísbendingar til þess að hægt sé að smíða viðskiptalega hagkvæman samsettan boga sem geti keppt við málmhraða í kostnaði og styrkleika.„Þá held ég að það séu fullt af valkostum og hugsanlegum umsóknum fyrir samsett efni í járnbrautariðnaðinum,“ bætti hún við.(Grein endurprentuð úr Carbon Fiber and Its Composite Technology eftir Dr. Qian Xin).
Pósttími: Mar-07-2023