Kompozyt włóknisty stał się niezbędnym, kluczowym materiałem w transporcie kolejowym

W ostatnich latach, wraz z szybkim rozwojem branży transportu szynowego, prowadzonych jest coraz więcej badań nad nowymi materiałami do pojazdów szynowych, a udział nowego materiału jest coraz większy. Wśród nich najważniejsze są badania i zastosowanie włóknistych materiałów kompozytowych. Dzieje się tak dlatego, że włókniste materiały kompozytowe mogą opierać się na wymaganiach projektowych, poprzez dobór różnych materiałów osnowy i wzmocnienia, różne proporcje rozmieszczenia i zastosowanie różnych procesów formowania, które można uzyskać przy różnych kompleksowych właściwościach nowych materiałów, takie jak dobra izolacja cieplna, odporność na korozję, odporność na zużycie, wysoki moduł właściwy, wysoka wytrzymałość właściwa i inne właściwości, ta cecha nie jest w stanie spełnić tradycyjnego pojedynczego materiału.

W projektowaniu pojazdów szynowych szeroko stosowane są materiały kompozytowe we wnętrzach pojazdów, a w pewnym stopniu wykorzystuje się także wyposażenie wewnętrzne i inne części konstrukcji ładunkowej. Części konstrukcyjne wykonane z materiałów kompozytowych mają zalety wysokiej wytrzymałości, lekkości i dużej sztywności. W procesie produkcyjnym zwykle wykorzystuje się technologię formowania niemal końcowego, która nie wymaga dalszej obróbki i może znacznie obniżyć koszty produkcji. Zastosowanie materiałów kompozytowych może również skutecznie poprawić komfort i bezpieczeństwo pojazdów szynowych, zmniejszyć wibracje i hałas oraz zmniejszyć masę ciała. Kompozyt włóknisty stał się niezbędnym, kluczowym materiałem w transporcie kolejowym.

Moduł właściwy i wytrzymałość kompozytów z włókna węglowego są najwyższe spośród powszechnie stosowanych materiałów i mają oczywiste zalety w zakresie wytrzymałości, sztywności i toksyczności dymu. Nowy materiał FRP ma dobre właściwości jako środek zmniejszający palność i izolujący akustycznie. A aramidowe materiały kompozytowe mają ognioodporność, wysoką wytrzymałość, odporność na wysoką temperaturę, wysoki stopień izolacji, odporność na wilgoć i odporność na korozję, stabilne właściwości fizyczne i chemiczne. Wszystkie rodzaje materiałów kompozytowych mają różne właściwości i są stosowane w różnych kluczowych częściach pojazdów szynowych.

2.1 Dobre właściwości mechaniczne

Materiał kompozytowy ucieleśnia wszechstronne działanie materiału matrycy i materiału wzmacniającego, o wysokiej wytrzymałości, lekkości, dużej sztywności, redukcji wibracji i hałasu, odporności na zmęczenie, izolacji cieplnej i innych doskonałych parametrach, dla lekkiej konstrukcji pojazdu, poprawiają bezpieczeństwo i komfort pojazdu ma ogromne znaczenie.

2.2 Spełniają wymagania rozwojowe lekkich pojazdów szynowych

W ostatnich latach prędkość eksploatacyjna pojazdów szynowych jest coraz większa, co wymaga od pojazdów szynowych uzyskania lekkiej konstrukcji bez zmniejszania parametrów bezpieczeństwa. Materiał kompozytowy jest najskuteczniejszym rozwiązaniem dla pojazdów szynowych.

2.3 Może obniżyć koszty

Wraz ze wzrostem prędkości funkcjonowania transportu kolejowego ludzie zwracają coraz większą uwagę na koszty utrzymania i koszty eksploatacji, zwracając jednocześnie uwagę na bezpieczeństwo i komfort pojazdów. Chociaż początkowa inwestycja w branżę transportu kolejowego jest duża, całkowity koszt pojazdów wykorzystujących materiały kompozytowe jest znacznie wyższy niż w przypadku zwykłych materiałów, zwłaszcza że badania i rozwój nowych materiałów oraz nowych procesów z pewnością będą wymagały ogromnych inwestycji. Cykl funkcjonowania transportu kolejowego jest jednak długi. Z punktu widzenia całego cyklu życia pojazdów, z jednej strony, pojazdy lekkie mogą skutecznie zmniejszyć energochłonność pojazdów i obniżyć koszty eksploatacji. Z drugiej strony odporność na wibracje, odporność na zmęczenie, odporność na korozję, tolerancja na uszkodzenia i pochłanianie energii zderzenia przez materiały kompozytowe są lepsze niż w przypadku zwykłych materiałów metalowych, dzięki czemu można wydłużyć cykl konserwacji pojazdu, a koszty konserwacji mogą zostać znacznie zmniejszona. Dlatego w dłuższej perspektywie materiały kompozytowe mogą skutecznie obniżyć koszty cyklu życia pojazdów.

2.4 Ma dużą możliwość projektowania

Wysoki moduł właściwy i wysoka wytrzymałość właściwa to najważniejsze cechy materiałów kompozytowych z włókien, a właściwości mechaniczne mogą zmieniać się w szerokim zakresie. Dlatego poprzez dobór osnowy i zbrojenia kompozytu oraz zmianę procesu formowania materiałów można spełnić różne wymagania projektowe. Na przykład wytrzymałość na rozciąganie włókna szklanego może osiągnąć 3500 MPa, a moduł sprężystości wynosi 70 GPa. Wytrzymałość na rozciąganie wysokomodułowego włókna węglowego może osiągnąć 3900 MPa, a moduł sprężystości wynosi 600 GPa. Eksperymenty wykazały, że najlepszą strukturę warstwową można znaleźć zgodnie z wymaganiami projektowymi w procesie formowania części konstrukcyjnych, zmieniając materiały kompozytowe o bardzo różnych właściwościach materiałów osnowy.

2.5 Dobra niezawodność i bezpieczeństwo

Najważniejszymi czynnikami wpływającymi na bezpieczeństwo części konstrukcyjnych są odporność zmęczeniowa i wrażliwość materiałów na karb. Wcześniej kompozyty były szeroko stosowane w dziedzinach narażonych na duże obciążenia, takich jak lotnictwo, właśnie ze względu na ich doskonałą odporność na zmęczenie i wrażliwość na niskie karby.

Chociaż zwykłe materiały metalowe mają wysoką wytrzymałość statyczną, ich wytrzymałość znacznie spada w warunkach silnych wibracji. Na przykład części konstrukcyjne wykonane z metalu mają w pewnym miejscu przerwę. Pod wpływem wibracji i uderzeń (zmienne obciążenie) defekty szybko się rozprzestrzeniają, aż do uszkodzenia części konstrukcyjnych. Jednak różnica między wytrzymałością statyczną a wytrzymałością na wibracje materiałów kompozytowych jest prawie zerowa. Nawet jeśli elementy konstrukcyjne zostaną nacięte, naprężenia w materiale zostaną przeniesione na sąsiednią warstwę i nie ulegną zniszczeniu pod wpływem długotrwałego, zmiennego obciążenia. Jest to jeden z powodów, dla których części kompozytowe mają znacznie dłuższą żywotność niż części metalowe.

3.1 Kompozyty z włókna węglowego

Chociaż badania i zastosowanie materiałów z włókna węglowego rozpoczęły się w Chinach późno, technologia ta szybko się rozwinęła w ostatnich latach, szczególnie w dziedzinie ruchu pojazdów. Na przykład firma CRRC Qingdao Sifang Rolling Stock Co., Ltd. zastosowała materiały z włókna węglowego przy projektowaniu kabiny wyposażenia pociągu pociskowego. Gwarantowana jest odporność na uderzenia, odporność na korozję i właściwości mechaniczne pojazdu, a waga kabiny wyposażenia jest o około 35 procent niższa niż w przypadku materiału ze stopu aluminium.

3.2 Materiały kompozytowe z włókna szklanego

Dzięki doskonałej redukcji hałasu i właściwościom zmniejszającym palność, wytrzymałość mechaniczna i współczynnik sztywności są bardziej wyjątkowe. Dlatego często stosuje się go w siedzeniach pojazdów szynowych, zagłówkach kabiny maszynisty i innych częściach.

3.3 Kompozyty z włókien aramidowych

W porównaniu z tradycyjnymi materiałami metalowymi, kompozyty aramidowe mają doskonałe właściwości, takie jak ognioodporność, wysoka wytrzymałość, wysoki stopień izolacji, odporność na wilgoć i odporność na korozję oraz stabilne właściwości fizyczne i chemiczne. Są w pełni stosowane w silnikach, transformatorach i innych pozycjach i mogą odgrywać dobrą rolę w zmniejszaniu ciężaru izolacji.

Zastosowanie materiałów kompozytowych w pojazdach szynowych będzie coraz szersze, zwłaszcza w konstrukcji nadwozi pojazdów, które mają dobre perspektywy aplikacyjne.