Углеволоконные кузова железнодорожных вагонов: жёсткость кузова, управление энергией удара и снижение веса для поездов нового поколения

Введение: Кузов вагона является основной конструкцией любого пассажирского поезда. Он несёт пассажирскую массу, передаёт конструкционную нагрузку, а при столкновении служит первой линией защиты между пассажирами и ударом. Он также тяжёл: у типичного пригородного или междугороднего поезда кузов соста

Введение:

Кузов вагона является основной конструкцией любого пассажирского поезда. Он несёт пассажирскую массу, передаёт конструкционную нагрузку, а при столкновении служит первой линией защиты между пассажирами и ударом. Он также тяжёл: у типичного пригородного или междугороднего поезда кузов составляет примерно 30-40% от общего веса пустой единицы подвижного состава. Именно эта масса — главная причина, по которой операторы и интеграторы уделяют серьёзное внимание композитам из углеволокна. В 2020-х годах технология перешла от демонстрационных образцов к подтверждённым, ориентированным на серийное производство программам кузовов, и для дорогих парков экономика уже близка к точке перелома.

В этой статье объясняется, как карбокасные оболочки из углеволокна достигают значительной экономии веса, какие критерии жесткости доминируют в их дизайне, и как управление энергией аварии встроено в поезд, который должен быть как легким, так и безопасным от столкновений.Сравнительные данные применяются к транспортным средствам метро, пригородов и межгородов, которые операторы и интеграторы оценивают сегодня.

Вес корпус: что углеродный волокна кузова сберегает

Типичный корпус автомобиля метро из стали весит 10 - 12 тонн.Сварный алюминиевый экструзионный карбозов весит 7 - 9 тонн.Гибридный карбод из углеродного волокна - крыша, боковые и напольные панели из ПФУ, собранные вокруг несущей рамы - весит 5 - 6 тонн, что сокращает приблизительно 40% по сравнению с сталью и 25 - 35% по сравнению с алюминией.Для поезда метро из шести вагонов это означает примерно 10 - 15 тонн уменьшения веса на уровне парка, что снижает пиковую тяговую мощность, уменьшает износ тормозов и колес и снижает повреждение рельсов, что является наиболее дорогостоящим техническим обслуживанием в жизненном цикле железной дороги.

Вес на теле особенно важен, потому что он находится высоко над боги.Масса тела способствует эффективной динамической нагрузке на колеса, и уменьшение массы тела передается непосредственно на более низкие динамические нагрузки на рельсе при рабочей скорости.Более низкая масса тела улучшает устойчивость движения и снижает затраты на энергию для ускорения и остановки поезда.Короче говоря, экономия массы тела сочетается почти в каждой подсистеме, поэтому железнодорожная промышленность рассматривает кузов как наиболее приоритетную цель для облегчения веса.

Жесткость корпуса: руководящий критерий

В отличие от аэрокосмической панели, корпус рельсы должен вести себя как непрерывный изгибающий балк при тяге и торможении.Таким образом, регулирующим требованием к жесткости является жесткость при изгибе: тело пассажира должно удовлетворять естественной частоте первого изгиба примерно 8 - 12 Гц, безопасно выше диапазона возбуждения колеса (2 - 6 Гц), что вызывает резонансы в движении пассажиров.Тело с естественной частотой ниже этой полосы усиливает колебания, вызванные местностью, и делает транспортное средство неудобным или нестабильным на скорости.

Именно здесь превосходит углеволокно, но только с правильным лайком.Однонаправленный высокожесткий углерод в крыше, нижней раме и наклонных боковых зонах обеспечивает жесткость при изгибе с низким весом, в то время как продольные элементы несут нагрузку вдоль поезда.Результат - высокая жесткость при низкой массе - позволяет телу достичь той же цели вибрации при 25 - 35% меньшей массе тела.Крепкость на торсию является вторичным критерием, обычно удовлетворяемым интегральным монокорпусом, где кожу и рамки действуют вместе, а не как отдельные болтовые панели.

Система управления энергетикой в случае аварий

Аварийно-безопасность пассажирского железнодорожного транспорта спроектирована в рамках дифференцированной системы обвала.Руководящим европейским стандартом является EN 15227 (устойчивость к аварии) с требованиями к конструкциям в EN 12663 - 1Конструкция железнодорожной аварии использует последовательность контролируемых зон коллапса, а не единую жесткую оболочку: энергетические поглотители на переднем конце являются сменными, детерминантными и настроенными от приблизительно 15 - 20 км / ч до скорости проектирования сценария, поэтому зона выживания пассажиров - жесткое центральное тело - сохраняется, пока концы дробятся.

Углеволокно способствует тремя способами.Во-первых, его удельное поглощение энергии (SEA) составляет 60 - 120 кДж / кг во время прогрессивного дробивания, что в несколько раз выше, чем сталь или алюминий, поэтому композитный передний конец может поглощать такую же энергию при меньшей массе.Во-вторых, трубчатые композитные зоны краха (цилиндрические, тюльпанообразные или трубки с пчеловым сотовым ущеплением) дробляются в очень предсказуемой структуре силового перемещения, упрощая конструкцию абсорбиторов.В-третьих, поскольку зона выживания представляет собой отдельную жесткую структуру, композитные раздавляемые концы могут быть спроектированы в качестве сменных модулей, которые поглощают и перенаправляют силу до того, как они достигают клетки тела.

Сравнение: Варианты материалов кузова

Критерий	Сталь (Corten / HSLA)	Алюминиевая экструзия	Гибридные углеволокна
Плотность (г / см3)	7.85	2.70	1.55-1.60
Удельная жесткость на изгиб (относительная)	26	26-28	77-97
Масса тела метро (тн)	10-12	7-9	5-6
Первое изгибание естественной частоты	~ 10 Гц	~ 11 - 12 Гц	8-12 Hz разработан
Поглощение удельной энергии при аварии (кДж / кг)	40-80	40-70	80-150
Коррозионная стойкость	Требуется покраска	В целом хорошее	Отличный
Пожарное поведение (автомобиль)	Не горючее	Необходимость покрытия	Требует огнезащитных смол
Индекс стоимости инструментов	1.0x	1.6x	2.0-3.0x

Компенсация очевидна из таблицы: композитные карбоки предлагают 40% уменьшение массы и в несколько раз более высокое поглощение удельной энергии, но при более высоких затратах на инструменты и материалы.Именно поэтому композитные тела впервые появляются в программах высокой стоимости, умеренного объема - метро, пригород, межгородские и специализированные услуги - где вес парка и эксплуатационная экономия окупают премию, а не в больших объемах недорогих запасов, где первоначальные затраты сложнее амортизировать.

Пожарная безопасность и требования пассажиров

Железнодорожные кузова являются одними из наиболее чувствительных к огнестроительству конструкций в транспорте, потому что пассажиры не могут мгновенно покинуть транспортное средство.Европейские железные дороги используют серию EN 45545 и NFPA 130 во Франции для огневого поведения бортовых материалов с уровнями опасности HL1-HL4, более высокими для подземных и длинных участков туннелей.Корпус из углеродного волокна, использующий немодифицированную эпоксидную смолу, не отвечает требованиям, потому что смола горюче и производит дым.Решение железнодорожного строительства заключается в сочетании системы огнестойкой смолы (термопластического материала, такого как PPS или PA6, или фенольного прекурсора) с интумисцентным покрытием внутри и в защите кромков, отвечающим требуемым индексам дыма и пламени при сохранении конструкции закрытой.

Использование огнестойкой высокотемпературной матрицы в наружной части также улучшает долгосрочную прочность - материал сохраняет свою прочность при более высоких температурах и не становится хрупким - и избегает необходимости вторичной защиты металла.Наиболее распространенным подходом в флотах сегодня является гибридная: углеволокна конструкция для внутренней рамы и крыши, с внешними оболочками и огнестойким покрытием или покрытием, размером в соответствии с уровнем опасности, требуемым для линии и ее туннелей.

Пути изготовления железнодорожных корпусов

Корпусы рельсов большие - 20 - 25 м монокок для типичного кузова автомобиля - и это движет производственной моделью.Практичны три маршрута, от наименее интегрированных до наиболее интегрированных:

Гибридная сборка: Панели из ПФУ (крыша, боковые, полные) склеиваются и крепятся на стальную или композитную каркас.Это маршрут с наименьшим риском оснащения и обеспечивает экономию веса на 20 - 25%, при этом рама выполняет основную структурную роль.
Вакуумная инфузия или VAP панелей: Большие крышевые и боковые панели сливаются вместе вокруг каркаса, что дает более легкую интегрированную структуру, с циклами, измеряемыми в часах на панель.
Автоматическое размещение волокон (AFP) плюс автоклав: Однонаправленный слой устанавливается роботом над полноразмерной формой и отверждается совместно скрепленными рамками, что обеспечивает самую высокую удельную жесткость на килограмм и наименьший вес, при наивысшей стоимости инструментария и цикла.

Для программ следующего поколения гибридный маршрут обычно является первым шагом, поскольку он устраняет риск оснащения инструментами, при этом обеспечивая значительную экономию веса; полностью автоматизированный монокорк AFP остается конечной целью для чисто композитных парков, где максимальная жесткость и минимальная масса оправдывают оснащение инструментами.

Часто задаваемые вопросы:

Сколько весов углеволокно железнодорожный кузов автомобиля на самом деле экономит?

По сравнению с 10 - 12 тонн стальным корпусом гибридный корпус из углеволокна экономит примерно 40%; по сравнению с 7 - 9 тонн алюминиевым корпусом около 25 - 35%.Для вагона метро, который приносит кузов примерно до 5 - 6 т.Операторы сообщают об экономии на уровне парка в 10 - 15 тонн, что означает более низкую тяговую мощность, снижение износа колес при торможении и снижение энергии рельсов, что непосредственно снижает расходы на энергию и техническое обслуживание железных дорог.

Являются ли кузова железных дорог углеволокна огнебезопасными для пассажирской эксплуатации?

Немодифицированный аэрокосмический эпоксид не пройдет, но огнезащитный термопласт (PEEK, PPS или PA6) или термозащитная смола с интумесцентной площадью отвечает испытаниям на дымовые и поверхностные пламени EN, обычно достигая уровня опасности HL2-HL3 в подземных конфигурациях.Огнестойкое покрытие сохраняет целостность корпуса в эвакуационное окно, необходимое для безопасного выхода, поэтому пожар является требованием конструкции, а не противоречием.Сертифицированная конструкция учитывает уровень опасности, необходимый для каждой линии.

Почему композитные рельсовые кузова входят в серийное производство только сейчас, а не раньше?

Концепции композитных корпусов были продемонстрированы с 1980-х годов, но три фактора замедляли их: высокая стоимость инструментария для крупномасштабных корпусов, проблемы пожарного соответствия и необходимость сертифицированного испытания на долговечность.В 2020-х годах все три изменились - инструменты стали дешевле, огнестойкие смолы созрели, а операторы, сталкивающиеся с более строгими режимами выбросов и углерода, увеличили ценность, которую они придают массовой экономии.В результате, крупные производители начали заказы на производство композитных карбокасных конструкций, с ожидаемым увеличением количества программ и увеличением объемов по мере того, как опыт сертификации строится на первых пилотных флотах.

Вывод

Корпусы железнодорожных автомобилей из углеродного волокна являются наибольшей возможностью для экономии веса в железнодорожной отрасли, и флоты следующего поколения принимают их, потому что физика и экономика согласовываются.Уменьшение массы снижает тяговую силу, износ тормозов и энергию трассы; жесткость композита при надлежащей ламинировании соответствует целевому показателю естественной частоты при 25 - 35% меньшей массе тела; а система управления энергией столкновения превращает композит в безопасный, аварийно-поглощающий передний конец.Технология огнестойкой смолы теперь удаляет огнезащитный барьер, который когда-то хранил композитные тела.

Для операторов и интеграторов кузова, решение начинается с изучения веса и частоты и бюджета энергии аварии. Исследуйте наши листы, панели и профили из углеволокна пригодные для карбокасных конструкций и зон аварии, или Поговорите с нашей инженерной командой для определения маршрута соединения, инструментария и прототипа для вашей следующей программы.