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又一藍海!碳纖維復合材料在軌道交通應用中大顯身手
發布時間:2019-07-09
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軌道交通車輛工業領域可能是繼風電葉片之后,大量使用碳纖維復合材料的又一工業領域。隨著原材料的不斷發展和工藝的改進創新,碳纖維復合材料在軌道交通應用中正在逐步降低生產成本。

 

又一藍海!碳纖維復合材料在軌道交通應用中大顯身手

  

由于采用??榛杓萍罷宄尚圖際?,大大降低了結構的復雜性,并減少了生產和總裝所需要的工作量,降低了生產成本;由于復合材料的耐疲勞、耐腐蝕等特性,降低了維護、修理成本;由于減重,提高了運營能力,減少了能耗,壽命周期成本(LCC)得到了降低。

 

重量輕、阻燃的復合材料車廂地板

 

歐洲鐵路運營商Duetsche Bahn的ICE-3快速列車的翻新,是復合材料滿足客戶特殊需求能力的一個例子??盞饗低?、乘客娛樂系統和新座位的安裝給ICE-3軌道車增加了不必要的重量。此外,原有的膠合板地板不符合新的歐洲防火標準。該公司需要一種地板解決方案,可以幫助它減輕額外的重量,并符合防火標準——輕質復合地板正好符合這些要求。

 

總部位于德國的復合材料面料生產商Saertex為地板提供了LEO®材料系統。Saertex Group全球營銷主管丹尼爾•斯頓普(Daniel Stumpp)表示,LEO是一種分層的非卷曲面料,比梭織面料具有更高的機械性能和更輕的重量潛力。該四組分復合體系包括一種特殊的防火涂料、一種玻璃纖維增強材料、SAERfoam®(一種集成3d玻璃纖維橋梁的核心材料)和LEO乙烯基酯樹脂。

 

同樣位于德國的復合材料制造商SMT使用由英國公司Alan Harper制造的可重復使用的硅膠真空袋,在真空灌注工藝中制造地板。

 

LEO系統采用無填充樹脂的連續纖維層壓板,具有優異的機械性能。此外,復合材料不會腐爛,這是一個很大的優勢,特別是在冬天下雪和地板非常潮濕的地區。地板、地毯和頂部的橡膠材料都符合新的防火標準。

 

ICE-3列車的OEM沒有參與地面翻新過程,但其對新的復合地板印象深刻,因此訂購了復合材料車頂部分來替換軌道車輛上舊的金屬車頂結構。

 

再生碳纖維軌道車輛轉向架

 

再生碳纖維在軌道車輛方面的研究項目源于英國鐵路安全與標準委員會(RSSB)發起的一項車輛動力學競賽,由于最終是ELG公司主導的輕型碳纖維軌道車輛轉向架框架項目勝出,因此RSSB向ELG公司資助125萬英鎊,用于設計和制造軌道客運車輛再生碳纖維材料轉向架原型。ELG碳纖維公司引領的一個公司聯盟開發一種用于客車的輕型復合材料軌道轉向架框架。軌道轉向架支撐車身,引導輪對并保持其穩定性。它們通過吸收軌道的振動來幫助提高乘坐舒適性,并在列車彎曲時最小化離心力的影響。

 

ELG公司是再生碳纖維產品專家,該公司擁有從制造廢料和終端零部件中回收碳纖維的一整套高效開發方法。其在再生碳纖維軌道車輛轉向架項目中的研究團隊包括英國Huddersfield大學鐵路研究中心、阿爾斯通公司以及伯明翰大學傳感器與符合材料研究中心在內的聯合機構。

 

該項目的一個目標是生產比同類金屬轉向架輕50%的轉向架。ELG的產品開發工程師Camille Seurat說:“如果轉向架更輕,它對軌道的損壞會減少,這將減少維護的時間和成本,因為軌道上的負載會降低。將為運營商節省大量成本開支。”其他目標是將橫向輪軌力減少40%,并提供終生狀態監測。英國非營利性鐵路安全和標準委員會(RSSB)正在資助該項目,目標是生產商業上可行的產品。

 

Magma Structures負責轉向架的設計和制造,并進行了大量的制造試驗,使用壓制成型,傳統的濕法成型,浸漬和高壓釜固化預浸料制造了許多測試板。由于轉向架將是限量生產,該公司選擇在高壓釜中固化的環氧預浸料作為最具成本效益的構建方法。

 

全尺寸轉向架原型機長8.8英尺,寬6.7英尺,高2.8英尺。它將由再生碳纖維(由ELG提供的非織造墊)和原始碳纖維織物的組合制成。單向纖維將用于主要強度元件,并將使用機器人技術將其放置在模具中。選擇具有良好機械性能的環氧樹脂將是一種新配方的阻燃環氧樹脂,已通過EN45545-2認證,可用于鐵路。

 

與鋼制轉向架不同,鋼制轉向架由焊接到兩個側梁的橫梁梁制成,復合轉向架將被制造為獨特的頂部和底部部分,然后粘合在一起。為了更換現有的金屬轉向架,復合型必須在同一位置安裝懸架和制動器連接支架和其他配件。

 

Seurat說:“目前,我們選擇保留鋼配件,但在未來的項目中,用復合配件替換鋼配件可能會很有趣,這樣我們就可以進一步減輕最終的重量。”

 

初步研究表明,復合轉向架應該能夠達到預期的重量減少50%。該項目團隊希望在2019年年中有一個全尺寸轉向架準備測試。如果原型車的性能符合預期,他們將生產更多轉向架,用于測試由鐵路運輸公司阿爾斯通(Alstom)生產的鐵路車輛。

 

我國新一代復合材料地鐵車輛和輕軌車

 

去年,在德國舉行的柏林國際軌道交通技術展上,中車四方股份公司發布了新一代碳纖維地鐵車輛“CETROVO”。該車采用大量新材料、新技術研制,在節能環保、舒適、智能等方面對傳統地鐵車輛作了全面升級。

 

中車四方股份公司副總工程師丁叁叁介紹,新一代地鐵車輛實現了碳纖維復合材料在車體、轉向架構架、司機室等車輛主承載結構上的全面應用,特別是成功突破了碳纖維大型復雜件結構設計、制造成型等關鍵技術,使車輛大幅“瘦身”。與采用鋼、鋁合金等傳統金屬材料相比,新一代碳纖維地鐵車輛的車體、司機室、設備艙分別減重30%以上,轉向架構架減重40%,整車減重13%。

 

“雖然制造成本高于傳統金屬材料,但碳纖維復合材料更加輕量化,節能優勢明顯,可有效保證列車在30年服役期內不發生疲勞、腐蝕等問題,減少了維護量,因此能夠降低全壽命周期成本。”丁叁叁說。

 

據測算,新一代地鐵車輛可綜合節能15%以上;同時,能夠在高溫高濕、零下40℃高寒、2500米高海拔等復雜環境下運行。

 

幾乎與此同時,由中車長春軌道客車股份有限公司研制的復合材料輕軌車——武漢東湖“光谷量子號”,在長春軌道交通展上首次面向公眾展出。

 

該車車體采用了復合材料車體技術,不僅給整車帶來輕量化、安全性、舒適性、使用壽命等方面的提高,還完善了涵蓋設計、制造、試驗和驗證全過程的地鐵復合材料車體技術平臺,更驗證了復合材料在軌道交通工業化生產應用的方向和實施路徑。

 

該列車充分發揮了碳纖維復合材料的優越特點,用更輕的材料完成與金屬材料同等的結構設計,使整車較同類不銹鋼車體減重約30%,從而對提高車體的運載能力、降低能源消耗、降低全壽命周期成本、減少線路損害等具有重大意義。

 

車體使用的復合材料隔熱性能強,能夠與防寒材相媲美,保證車體內部始終保持舒適的溫度;復合材料車體的隔聲性能和減振性能同樣優于金屬車體,大大降低列車運行過程中產生的內部噪聲和振動,有效提高乘坐的舒適性。

 

據悉,中車長客本次展出的碳纖維復合材料輕軌車,將最終交付給武漢,屆時將作為世界首輛用于運營的全復合材料軌道列車。它的研制成功進一步推動了碳纖維復合材料在軌道交通的大批量工業化生產應用,拓展了碳纖維復合材料產業的應用市場。(文章來源:榮格塑料工業)

 

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