Vláknový kompozit sa stal nepostrádateľným kľúčovým materiálom v oblasti železničnej dopravy

V posledných rokoch, s rýchlym rozvojom odvetvia železničnej dopravy, sa stále viac skúmajú nové materiály pre koľajové vozidlá a podiel nových materiálov je čoraz väčší. Medzi nimi je najvýznamnejší výskum a aplikácia vláknitých kompozitných materiálov. Je to preto, že vláknité kompozitné materiály môžu byť založené na konštrukčných požiadavkách prostredníctvom výberu rôznych matricových a výstužných materiálov, rôznych pomerov nasadenia a použitia rôznych procesov tvárnenia, ktoré možno získať rôznymi komplexnými vlastnosťami nových materiálov, ako je dobrá tepelná izolácia, odolnosť proti korózii, odolnosť proti opotrebeniu, vysoký špecifický modul, vysoká špecifická pevnosť a ďalšie vlastnosti, táto charakteristika nie je schopná splniť tradičný jediný materiál.

Pri konštrukcii koľajových vozidiel sa v interiéri vozidiel vo veľkej miere uplatnili kompozitné materiály, v určitej miere sa uplatnili aj vnútorné zariadenia a ďalšie časti ložnej konštrukcie. Konštrukčné diely vyrobené z kompozitných materiálov majú výhody vysokej pevnosti, nízkej hmotnosti a vysokej tuhosti. Výrobný proces zvyčajne využíva technológiu takmer konečného tvarovania, ktorá nepotrebuje ďalšie spracovanie a môže výrazne znížiť výrobné náklady. Aplikácia kompozitných materiálov môže tiež efektívne zlepšiť komfort a bezpečnosť koľajových vozidiel, znížiť vibrácie a hluk a znížiť telesnú hmotnosť. Vláknový kompozit sa stal nepostrádateľným kľúčovým materiálom v oblasti železničnej dopravy.

Špecifický modul a pevnosť kompozitov z uhlíkových vlákien sú najvyššie spomedzi bežne používaných materiálov a majú zjavné výhody v sile, tuhosti a toxicite dymu. Nový FRP materiál má dobrý výkon ako spomaľovač horenia a zvukovú izoláciu. A aramidové kompozitné materiály majú spomaľovač horenia, vysokú pevnosť, odolnosť voči vysokej teplote, vysoký stupeň izolácie, odolnosť proti vlhkosti a korózii, stabilné fyzikálne a chemické vlastnosti. Všetky druhy kompozitných materiálov majú rôzne vlastnosti a používajú sa v rôznych kľúčových častiach koľajových vozidiel.

2.1 Dobré mechanické vlastnosti

Kompozitný materiál stelesňuje komplexný výkon matricového materiálu a výstužného materiálu s vysokou pevnosťou, ľahkosťou, veľkou tuhosťou, znížením vibrácií a hluku, odolnosťou proti únave, tepelnou izoláciou a ďalším vynikajúcim výkonom, pre ľahký dizajn vozidla, zlepšenie bezpečnosti a pohodlie vozidla je veľmi dôležité.

2.2 Spĺňať požiadavky na vývoj nízkej hmotnosti koľajových vozidiel

V posledných rokoch je prevádzková rýchlosť koľajových vozidiel stále vyššia a vyššia, čo vyžaduje, aby koľajové vozidlá dosahovali ľahkú konštrukciu bez zníženia bezpečnosti. Kompozitný materiál je najefektívnejšou schémou pre koľajové vozidlá.

2.3 Môže znížiť náklady

So zlepšovaním rýchlosti železničnej dopravy ľudia venujú čoraz väčšiu pozornosť nákladom na údržbu a prevádzkovým nákladom a zároveň venujú pozornosť bezpečnosti a komfortu vozidiel. Hoci počiatočná investícia v odvetví železničnej dopravy je veľká, celkové náklady na vozidlá využívajúce kompozitné materiály sú výrazne vyššie ako náklady na bežné materiály, najmä preto, že výskum a vývoj nových materiálov a nových procesov si nevyhnutne vyžadujú obrovské investície. Prevádzkový cyklus železničnej dopravy je však dlhý. Z pohľadu celého životného cyklu vozidiel môžu ľahké vozidlá na jednej strane efektívne znižovať energetickú náročnosť vozidiel a znižovať prevádzkové náklady. Na druhej strane odolnosť proti vibráciám, odolnosť proti únave, odolnosť proti korózii, tolerancia poškodenia a absorpcia kolíznej energie kompozitných materiálov sú lepšie ako u bežných kovových materiálov, takže cyklus údržby vozidla sa môže predĺžiť a náklady na údržbu môžu byť výrazne znížiť. Preto z dlhodobého hľadiska môžu kompozitné materiály efektívne znižovať náklady na životný cyklus vozidiel.

2.4 Má silnú navrhovateľnosť

Vysoký špecifický modul a vysoká špecifická pevnosť sú najvýznamnejšími charakteristikami vláknitých kompozitných materiálov a mechanické vlastnosti sa môžu meniť v širokom rozsahu. Preto výberom kompozitnej matrice a výstuže a zmenou procesu tvarovania materiálov možno splniť rôzne konštrukčné požiadavky. Napríklad pevnosť v ťahu skleneného vlákna môže dosiahnuť 3500 MPa a modul pružnosti je 70 GPa. Pevnosť v ťahu uhlíkových vlákien s vysokým modulom môže dosiahnuť 3900 MPa a modul pružnosti je 600 GPa. Experimentmi sa zistilo, že najlepšiu štruktúru vrstvenia možno nájsť podľa konštrukčných požiadaviek v procese formovania konštrukčných dielov zmenou kompozitných materiálov s veľmi odlišnými vlastnosťami matricových materiálov.

2.5 Dobrá spoľahlivosť a bezpečnosť

Najdôležitejšími faktormi ovplyvňujúcimi bezpečnosť konštrukčných dielov sú odolnosť materiálov proti únave a vrubová citlivosť. Predtým boli kompozity široko používané vo vysoko namáhaných oblastiach, ako je letecký priemysel, práve kvôli ich vynikajúcej odolnosti proti únave a nízkej citlivosti na vrub.

Hoci bežné kovové materiály majú vysokú statickú pevnosť, ich pevnosť výrazne klesá v podmienkach silných vibrácií. Napríklad konštrukčné diely z kovového materiálu majú v určitom bode medzeru. Pri vibráciách a nárazoch (premenlivé zaťaženie) sa chyby rýchlo rozšíria, až kým sa nepoškodia konštrukčné časti. Rozdiel medzi statickou pevnosťou a vibračnou pevnosťou kompozitných materiálov je však takmer nulový. Aj keď sú konštrukčné diely vrúbkované, napätie v materiáli sa prenesie na susednú vrstvu a nedôjde k jeho zničeniu vplyvom dlhodobého premenlivého zaťaženia. To je jeden z dôvodov, prečo kompozitné diely majú oveľa dlhšiu životnosť ako kovové diely.

3.1 Kompozity z uhlíkových vlákien

Aj keď výskum a aplikácia materiálov z uhlíkových vlákien začala v Číne neskoro, technológia sa v posledných rokoch rýchlo rozvíjala, najmä v oblasti premávky vozidiel. Napríklad spoločnosť CRRC Qingdao Sifang Rolling Stock Co., Ltd. použila materiály z uhlíkových vlákien pri návrhu kabíny vybavenia vlaku s guľkami. Odolnosť voči nárazu, korózii a mechanické vlastnosti vozidla sú zaručené a hmotnosť kabíny zariadenia je približne o 35 percent nižšia ako hmotnosť materiálu z hliníkovej zliatiny.

3.2 Kompozitné materiály zo sklenených vlákien

Vďaka vynikajúcej redukcii hluku a vlastnostiam spomaľujúcim horenie je mechanická pevnosť a pomer tuhosti lepší. Preto sa často používa v sedadlách koľajových vozidiel, kryte hlavy kabíny vodiča a iných častiach.

3.3 Kompozity z aramidových vlákien

V porovnaní s tradičnými kovovými materiálmi majú aramidové kompozity vynikajúce vlastnosti, ako je spomaľovač horenia, vysoká pevnosť, vysoký stupeň izolácie, odolnosť proti vlhkosti a korózii a stabilné fyzikálne a chemické vlastnosti. Plne sa používajú v motoroch, transformátoroch a iných polohách a môžu hrať dobrú úlohu pri znižovaní hmotnosti izolácie.

Aplikácia kompozitných materiálov v koľajových vozidlách bude čoraz rozsiahlejšia, najmä v konštrukcii karosérie vozidiel má dobrú perspektívu uplatnenia.