Penyelidikan asing dalam bidang bahan komposit untuk transit rel telah berjalan selama hampir setengah abad.Walaupun perkembangan pesat transit rel dan rel berkelajuan tinggi di China dan penggunaan bahan komposit domestik dalam bidang ini sedang giat dijalankan, gentian bertetulang bahan komposit yang digunakan secara meluas dalam transit rel asing adalah lebih gentian kaca, yang berbeza daripada iaitu komposit gentian karbon di China.Seperti yang dinyatakan dalam artikel ini, gentian karbon adalah kurang daripada 10% daripada bahan komposit untuk badan yang dibangunkan oleh Syarikat Komposit TPI, dan selebihnya adalah gentian kaca, jadi ia dapat mengimbangi kos sambil memastikan ringan.Penggunaan gentian karbon secara besar-besaran tidak dapat dielakkan membawa kepada kesukaran kos, jadi ia boleh digunakan dalam beberapa komponen struktur utama seperti bogies.
Selama lebih daripada 50 tahun, Norplex-Micarta, pembuat komposit termoset, mempunyai perniagaan yang mantap membuat bahan untuk aplikasi transit rel, termasuk kereta api, sistem brek rel ringan dan penebat elektrik untuk rel elektrik tinggi.Tetapi hari ini, pasaran syarikat berkembang melangkaui ceruk yang agak sempit kepada lebih banyak aplikasi seperti dinding, bumbung dan lantai.
Dustin Davis, pengarah pembangunan perniagaan untuk Norplex-Micarta, percaya bahawa rel dan pasaran pengangkutan massa yang lain akan semakin memberi peluang kepada syarikatnya, serta pengeluar dan pembekal komposit lain, pada tahun-tahun akan datang.Terdapat beberapa sebab untuk pertumbuhan yang dijangkakan ini, salah satunya ialah penggunaan Eropah standard Kebakaran EN 45545-2, yang memperkenalkan keperluan perlindungan kebakaran, asap dan gas (FST) yang lebih ketat untuk pengangkutan massa.Dengan menggunakan sistem resin fenolik, pengeluar komposit boleh memasukkan sifat perlindungan kebakaran dan asap yang diperlukan ke dalam produk mereka.
Selain itu, pengendali bas, kereta api bawah tanah dan kereta api mula menyedari kelebihan bahan komposit dalam mengurangkan getaran bising dan hiruk-pikuk."Jika anda pernah berada di kereta bawah tanah dan mendengar plat logam berderak, " kata Davis.Jika panel diperbuat daripada bahan komposit, ia akan meredam bunyi dan menjadikan kereta api lebih senyap."
Berat komposit yang lebih ringan juga menjadikannya menarik kepada pengendali bas yang berminat untuk mengurangkan penggunaan bahan api dan mengembangkan rangkaiannya.Dalam laporan September 2018, firma penyelidikan pasaran Lucintel meramalkan bahawa pasaran global untuk komposit yang digunakan dalam pengangkutan massa dan kenderaan luar jalan akan berkembang pada kadar tahunan 4.6 peratus antara 2018 dan 2023, dengan potensi nilai $1 bilion menjelang 2023. Peluang akan datang daripada pelbagai aplikasi, termasuk bahagian luaran, dalaman, hud dan powertrain serta komponen elektrik.
Norplex-Micarta kini menghasilkan bahagian baharu yang sedang diuji pada laluan rel ringan di Amerika Syarikat.Di samping itu, syarikat terus memberi tumpuan kepada sistem elektrifikasi dengan bahan gentian berterusan dan menggabungkannya dengan sistem resin pengawetan yang lebih pantas."Anda boleh mengurangkan kos, meningkatkan pengeluaran, dan membawa kefungsian penuh fenolik FST ke pasaran," jelas Davis.Walaupun bahan komposit boleh lebih mahal daripada bahagian logam yang serupa, Davis berkata kos bukanlah faktor penentu aplikasi yang mereka pelajari.
Ringan dan kalis api
Pengubahsuaian armada pengendali kereta api Eropah Duetsche Bahn sebanyak 66 buah kereta ICE-3 Express adalah salah satu daripada keupayaan bahan komposit untuk memenuhi keperluan khusus pelanggan.Sistem penghawa dingin, sistem hiburan penumpang dan tempat duduk baharu menambah berat yang tidak perlu pada kereta rel ICE-3.Di samping itu, lantai papan lapis asal tidak memenuhi piawaian kebakaran Eropah yang baharu.Syarikat itu memerlukan penyelesaian lantai untuk membantu mengurangkan berat badan dan memenuhi piawaian perlindungan kebakaran.Lantai komposit ringan adalah jawapannya.
Saertex, pengeluar fabrik komposit yang berpangkalan di Jerman, menawarkan sistem bahan LEO® untuk lantainya.Daniel Stumpp, ketua pemasaran global di Saertex Group, berkata LEO ialah fabrik berlapis, tidak berkelim yang menawarkan sifat mekanikal yang lebih tinggi dan potensi ringan yang lebih besar daripada fabrik tenunan.Sistem komposit empat komponen termasuk salutan tahan api khas, bahan bertetulang gentian kaca, SAERfoam®(bahan teras dengan Jambatan kaca gentian 3D bersepadu), dan resin ester vinil LEO.
SMT (juga berpangkalan di Jerman), pengeluar bahan komposit, mencipta lantai melalui proses pengisian vakum menggunakan beg vakum silikon boleh guna semula yang dibuat oleh Alan Harper, sebuah syarikat British."Kami menjimatkan kira-kira 50 peratus berat daripada papan lapis sebelumnya, " kata Stumpp."Sistem LEO adalah berasaskan lamina gentian berterusan dengan sistem resin tidak terisi dengan sifat mekanikal yang sangat baik... . Selain itu, komposit tidak reput, yang merupakan kelebihan besar, terutamanya di kawasan di mana salji turun pada musim sejuk dan lantai basah."Lantai, permaidani atas dan bahan getah semuanya memenuhi piawaian kalis api baharu.
SMT telah menghasilkan lebih daripada 32,000 kaki persegi panel, yang telah dipasang pada kira-kira satu pertiga daripada lapan kereta api ICE-3 setakat ini.Semasa proses baik pulih, saiz setiap panel sedang dioptimumkan agar sesuai dengan kereta tertentu.OEM bagi sedan ICE-3 sangat kagum dengan lantai komposit baharu sehinggakan ia telah mengarahkan bumbung komposit untuk menggantikan sebahagian struktur bumbung logam lama dalam kereta rel.
Pergi lebih jauh
Proterra, pereka dan pengeluar bas elektrik sifar pelepasan yang berpangkalan di California, telah menggunakan bahan komposit di semua badannya sejak 2009. Pada 2017, syarikat itu mencipta rekod dengan memandu sejauh 1,100 batu sehala pada Catalyst yang dicas baterinya. ®E2 bas.Bas itu mempunyai badan ringan yang dibuat oleh pengeluar komposit TPI Composite.
* Baru-baru ini, TPI bekerjasama dengan Proterra untuk menghasilkan bas elektrik komposit semua-dalam-satu bersepadu."Dalam bas atau trak biasa, terdapat casis, dan badannya terletak di atas casis itu," jelas Todd Altman, pengarah pemasaran Strategik di TPI.Dengan reka bentuk cangkang keras bas, kami menyepadukan casis dan badan bersama-sama, serupa dengan reka bentuk kereta semua-dalam-satu." Satu struktur adalah lebih berkesan daripada dua struktur berasingan dalam memenuhi keperluan prestasi.
Badan cangkerang tunggal Proterra dibina khas, direka dari awal untuk menjadi kenderaan elektrik.Itulah perbezaan penting, kata Altman, kerana pengalaman kebanyakan pembuat kereta dan pembuat bas elektrik adalah untuk mencuba percubaan terhad untuk menyesuaikan reka bentuk tradisional mereka untuk enjin pembakaran dalaman kepada kenderaan elektrik."Mereka menggunakan platform sedia ada dan cuba membungkus sebanyak mungkin bateri. Ia tidak menawarkan penyelesaian terbaik dari mana-mana sudut pandangan.""kata Altman.
Banyak bas elektrik, contohnya, mempunyai bateri di belakang atau di atas kenderaan.Tetapi untuk Proterra, TPI mampu memasang bateri di bawah bas."Jika anda menambah banyak berat pada struktur kenderaan, anda mahu berat itu seringan mungkin, kedua-duanya dari sudut prestasi dan dari sudut keselamatan," kata Altman.Beliau menyatakan bahawa banyak pengeluar bas dan kereta elektrik kini kembali ke papan lukisan untuk membangunkan reka bentuk yang lebih cekap dan disasarkan untuk kenderaan mereka.
TPI telah memeterai perjanjian lima tahun dengan Proterra untuk menghasilkan sehingga 3,350 badan bas komposit di kemudahan TPI di Iowa dan Rhode Island.
Perlu menyesuaikan
Mereka bentuk badan bas Catalyst memerlukan TPI dan Proterra sentiasa mengimbangi kekuatan dan kelemahan semua bahan yang berbeza supaya mereka dapat memenuhi matlamat kos sambil mencapai prestasi optimum.Altman menyatakan bahawa pengalaman TPI dalam menghasilkan bilah angin besar yang panjangnya kira-kira 200 kaki dan berat 25,000 paun menjadikannya agak mudah bagi mereka untuk menghasilkan badan bas 40 kaki yang beratnya antara 6,000 dan 10,000 paun.
TPI mampu memperoleh kekuatan struktur yang diperlukan dengan menggunakan gentian karbon secara selektif dan mengekalkannya untuk mengukuhkan kawasan yang menanggung beban paling besar."Kami menggunakan gentian karbon di mana anda pada asasnya boleh membeli kereta, " kata Altman.Secara keseluruhan, gentian karbon membentuk kurang daripada 10 peratus daripada bahan penguat komposit badan, dengan selebihnya adalah gentian kaca.
TPI memilih resin vinil ester atas sebab yang sama."Apabila kita melihat epoksi, ia hebat, tetapi apabila anda menyembuhkannya, anda perlu menaikkan suhu, jadi anda perlu memanaskan acuan. Ia adalah perbelanjaan tambahan, "sambungnya.
Syarikat itu menggunakan pengacuan pemindahan resin berbantukan vakum (VARTM) untuk menghasilkan struktur sandwic komposit yang memberikan kekukuhan yang diperlukan kepada satu cangkang.Semasa proses pembuatan, beberapa kelengkapan logam (seperti kelengkapan berulir dan plat penoreh) dimasukkan ke dalam badan.Bas dibahagikan kepada bahagian atas dan bawah, yang kemudiannya dilekatkan bersama.Pekerja kemudiannya mesti menambah hiasan komposit kecil seperti fairing, tetapi bilangan bahagian adalah sebahagian kecil daripada bas logam.
Selepas menghantar badan siap ke kilang pengeluaran bas Proterra, barisan pengeluaran mengalir lebih laju kerana kerja yang perlu dibuat kurang."Mereka tidak perlu melakukan semua kimpalan, pengisaran dan pembuatan, dan mereka mempunyai antara muka yang sangat mudah untuk menyambungkan badan ke pacuan," tambah Altman.Proterra menjimatkan masa dan mengurangkan overhed kerana ruang pembuatan yang kurang diperlukan untuk cengkerang monokotik.
Altman percaya permintaan untuk badan bas komposit akan terus berkembang apabila bandar beralih kepada bas elektrik untuk mengurangkan pencemaran dan mengurangkan kos.Menurut Proterra, kenderaan elektrik bateri mempunyai kos kitaran hayat operasi yang paling rendah (12 tahun) berbanding diesel, gas asli termampat atau bas hibrid diesel.Itu mungkin salah satu sebab mengapa Proterra mengatakan jualan bas elektrik berkuasa bateri kini menyumbang 10% daripada jumlah pasaran pengangkutan.
Masih terdapat beberapa halangan untuk aplikasi meluas bahan komposit dalam badan bas elektrik.Satu ialah pengkhususan keperluan pelanggan bas yang berbeza."Setiap pihak berkuasa transit suka mendapatkan bas dengan cara yang berbeza -- konfigurasi tempat duduk, pembukaan palka. Ini merupakan cabaran besar bagi pengeluar bas, dan banyak daripada item konfigurasi itu boleh diberikan kepada kami.""Altman berkata. "Pengeluar badan bersepadu mahu mempunyai binaan standard, tetapi jika setiap pelanggan mahukan tahap penyesuaian yang tinggi, ia akan menjadi sukar untuk melakukannya." TPI terus bekerjasama dengan Proterra untuk mempertingkatkan reka bentuk bas untuk mengurus dengan lebih baik. fleksibiliti yang diperlukan oleh pelanggan akhir.
Terokai kemungkinan
Komposit terus menguji sama ada bahannya sesuai untuk aplikasi pengangkutan massa baharu.Di UK, ELG Carbon Fibre, yang pakar dalam teknologi untuk mengitar semula dan menggunakan semula gentian karbon, mengetuai konsortium syarikat membangunkan bahan komposit ringan untuk bogie dalam kereta penumpang.Bogie menyokong badan kereta, memandu set roda dan mengekalkan kestabilannya.Ia membantu meningkatkan keselesaan perjalanan dengan menyerap getaran rel dan meminimumkan daya emparan semasa kereta api membelok.
Satu matlamat projek ini adalah untuk menghasilkan bogi yang 50 peratus lebih ringan daripada bogi logam yang setanding."Jika bogie lebih ringan, ia akan menyebabkan lebih sedikit kerosakan pada trek, dan kerana beban pada trek akan lebih rendah, masa penyelenggaraan dan kos penyelenggaraan dapat dikurangkan," kata Camille Seurat, jurutera pembangunan produk ELG.Objektif tambahan adalah untuk mengurangkan daya roda sisi-ke-rel sebanyak 40% dan menyediakan pemantauan keadaan seumur hidup.Lembaga Keselamatan dan Piawaian Rel (RSSB) bukan untung UK sedang membiayai projek itu dengan tujuan untuk menghasilkan produk yang berdaya maju secara komersial.
Percubaan pembuatan yang meluas telah dijalankan dan beberapa panel ujian telah dibuat menggunakan prepregs daripada penekan die, layup basah konvensional, perfusi dan autoklaf.Oleh kerana pengeluaran bogie akan terhad, syarikat memilih prepreg epoksi yang diawet dalam autoklaf sebagai kaedah pembinaan yang paling kos efektif.
Prototaip bogie bersaiz penuh ialah 8.8 kaki panjang, 6.7 kaki lebar dan 2.8 kaki tinggi.Ia diperbuat daripada gabungan gentian karbon kitar semula (pad bukan tenunan yang disediakan oleh ELG) dan fabrik gentian karbon mentah.Gentian sehala akan digunakan untuk elemen kekuatan utama dan akan diletakkan di dalam acuan menggunakan teknologi robotik.Epoksi dengan sifat mekanikal yang baik akan dipilih, yang akan menjadi epoksi kalis api yang baru dirumuskan yang telah diperakui EN45545-2 untuk digunakan pada kereta api.
Tidak seperti bogi keluli, yang dikimpal daripada rasuk stereng kepada dua rasuk sisi, bogi komposit akan dibina dengan bahagian atas dan bawah yang berbeza yang kemudiannya dicantumkan.Untuk menggantikan bogi logam sedia ada, versi komposit perlu menggabungkan penggantungan dan kurungan sambungan brek dan aksesori lain dalam kedudukan yang sama."Buat masa ini, kami telah memilih untuk mengekalkan kelengkapan keluli, tetapi untuk projek selanjutnya, mungkin menarik untuk menggantikan kelengkapan keluli dengan pemasangan jenis komposit supaya kami dapat mengurangkan lagi berat akhir," kata Seurat.
Ahli konsortium Kumpulan Sensor dan Komposit di Universiti Birmingham sedang mengawasi pembangunan sensor, yang akan disepadukan ke dalam bogie komposit pada peringkat pembuatan."Kebanyakan penderia akan memberi tumpuan kepada memantau ketegangan pada titik diskret pada bogie, manakala yang lain adalah untuk penderiaan suhu," kata Seurat.Penderia akan membenarkan pemantauan masa nyata struktur komposit, membolehkan data beban seumur hidup dikumpul.Ini akan memberikan maklumat berharga tentang beban puncak dan keletihan jangka panjang.
Kajian awal menunjukkan bahawa bogi komposit sepatutnya dapat mencapai pengurangan berat yang dikehendaki sebanyak 50%.Pasukan projek berharap dapat menyediakan bogie besar untuk diuji menjelang pertengahan 2019.Jika prototaip itu berfungsi seperti yang diharapkan, mereka akan menghasilkan lebih banyak bogie untuk menguji trem yang dibuat oleh Alstom, syarikat pengangkutan rel.
Menurut Seurat, walaupun masih banyak kerja yang perlu dilakukan, petunjuk awal menunjukkan bahawa adalah mungkin untuk membina bogie komposit berdaya maju secara komersial yang boleh bersaing dengan bogie logam dari segi kos dan kekuatan."Kemudian saya fikir terdapat banyak pilihan dan aplikasi berpotensi untuk komposit dalam industri kereta api," tambahnya.(Artikel dicetak semula daripada Carbon Fiber and Its Composite Technology oleh Dr. Qian Xin).
Masa siaran: Mac-07-2023