Переработанное углеродное волокно на железных дорогах

Прототип вагонной тележки из переработанного углеродного волокна был создан с целью получения более легких и экономически эффективных элементов конструкции железнодорожного транспорта из композиционных материалов, армированных углеродным волокном.

В ближайшее десятилетие строительные компоненты из композиционных материалов захватят рынок, и переработанное углеродное волокно может оказаться ключевым звеном. По крайней мере, оно кажется многообещающим в связи с недавним завершением работы над вагонной тележкой промышленным исследовательским консорциумом Великобритании.

Вагонные тележки – это четырех- или шестиколесные элементы опоры железнодорожных составов, обеспечивающие сцепление и торможение. Как правило, у каждого вагона есть две тележки, по одной с каждого конца. Финансированный Британским комитетом по стандартизации норм безопасности на железнодорожном транспорте прототип вагонной тележки из композиционных материалов представляет собой кульминацию трехлетней работы, включающей разработку концепции и проектирование, испытание материалов и квалификационные испытания, планирование производства, создание вагонной тележки и сборку со стандартной арматурой. Тележка, изготовленная преимущественно из композиционного материала на основе переработанного углеродного волокна, но усиленная первичным углеволокном в местах, требующих дополнительной прочности или жесткости, была представлена на двух презентациях на конференции “Unlocking Innovation SchemeComposites in Rail” в июне 2019 года, а на этот месяц назначены ее полномасштабные испытания.

Грядущие испытания на установке HAROLD

Испытательная установка HAROLD в университете Хаддерсфилда будет использоваться для испытаний прототипа вагонной тележки (здесь не показанной) из композиционных материалов. В ходе испытаний волоконно-оптическая система контроля будет собирать данные, которые затем проанализируют относительно конструкции и конечно-элементных моделей; в то же время будет проверена способность самой системы контроля выдерживать усталостные нагрузки.

В основанный по инициативе компании ELG Carbon Fibre Ltd. (Косли, Дадли, Великобритания) консорциум сейчас входит компания ELG, занимающаяся поставками переработанного углеродного волокна и выполнившая большую часть испытаний материалов; компания Magma Structures (Портсмут, Великобритания), разработчик и изготовитель вагонной тележки; компания Sensors and Composites Group при Бирмингемском университете (Бирмингем, Великобритания), работавшая в сотрудничестве с Magma над разработкой встроенной системы контроля состояния вагонной тележки; и университет Хаддерсфилда (Хаддерсфилд, Великобритания), на испытательной установке которого проводились полномасштабные испытания прототипа. Компания Alstom U.K. (Лондон) помогла собрать консорциум и обеспечила дополнительную поддержку, предоставляя консультации и информацию по существующим конструкциям вагонных тележек.

В прошлом использование элементов конструкций из композиционных материалов останавливала высокая стоимость углеродного волокна. Более низкая стоимость переработанного углеродного волокна стала важнейшим фактором для принятия решения по финансированию и текущим работам консорциума, а в конечном итоге это может открыть двери для крупномасштабного производства. С учетом того, что в ближайшие 10 лет в одной только Великобритании будет построено около 36 000 рам тележек для пассажирского железнодорожного транспорта, развитие этого рынка, безусловно, заслуживает внимания.

ПЕРСПЕКТИВНОЕ РЕШЕНИЕ

Интерес комитета по стандартизации норм безопасности на железнодорожном транспорте к данному проекту вызван тем, что британское правительство ежегодно тратит миллионы фунтов на ремонт и техническое обслуживание железнодорожных путей. Железнодорожные компании частично компенсируют эти затраты, взимая плату за предоставление доступа к железным дорогам, которая рассчитывается, исходя из веса и жесткости вагонов (что также сказывается на износе путей), однако траты на обслуживание остаются большими. Это означает, что как владельцы железных дорог, так и поставщики услуг, финансово заинтересованы в снижении веса вагонов при одновременной оптимизации прочности и гибкости конструкций.

Железнодорожные операторы, использующие тележки из композиционных материалов, также смогут оптимизировать эксплуатационные расходы благодаря экономии энергии, полученной от более легкого веса тележек и возможности повысить вес полезного груза, тем самым увеличив объем грузоперевозок каждого вагона.

Один килограмм композиционного материала, армированного углеродным волокном, как правило, заменяет 3 кг. стали в конструкциях, поэтому, учитывая, что стандартная вагонная тележка из стали с креплениями весит около 1500 килограмм, снижение веса может значительно сократить расходы на железнодорожные перевозки. Фактически, если взять расстояния, которые ежегодно проходят поезда в Великобритании, и данные комитета по стандартизации норм безопасности на железнодорожном транспорте о затратах на электропитание и обслуживания с учетом инфляции, консорциум оценивает потенциальную экономию в 10,16 фунтов на килограмм веса, сэкономленного при пригородном сообщении, и 105,80 фунтов на килограмм веса, сэкономленного при высокоскоростном железнодорожном сообщении.

Консорциум выбрал раму вагонной тележки от компании Alstom (серия 180) в качестве образца, – сообщает Фрейзер Барнс, руководитель компании ELG Carbon Fibre, – поскольку эта конструкция типична для многих рам вагонных тележек, ее характеристики хорошо изучены, а крепежные детали широко представлены на рынке. Однако эти преимущества также установили определенные ограничения для конструкции прототипа. В частности, геометрия точек крепления на вагонной тележке из композиционных материалов должна была повторять геометрию ее аналога из стали, чтобы обеспечить совместимость с существующими креплениями и оборудованием. Таким образом, конструкция прототипа не полностью оптимизирована с точки зрения реализации потенциала композиционных материалов, однако возможности для получения еще больших преимуществ в будущих проектах остаются открытыми.

Более легкая вагонная тележка обеспечит экономию эксплуатационных расходов и повышение гибкости благодаря использованию композиционных материалов. Когда поезд двигается по кривым, на рельсы воздействуют динамические силы, – поясняет Дэймон Робертс, технический директор компании Magma Structures, – и вагонная тележка должна обладать гибкостью в боковой плоскости, чтобы осуществлять повороты. Оптимизация жесткости при повороте (путевой устойчивости) может обеспечить снижение боковых нагрузок на пути до 40%.

"Многие конструкции из композиционных материалов больше направлены на оптимизацию жесткости, чем прочности", – отмечает Робертс. "В конструкции данной вагонной тележки мы совместили большую гибкость и достаточную прочность".  К тому же, более легкая тележка потребует меньших расходов на обслуживание подвески.

Робертс рассказывает, что на стадии разработки команда проектировщиков рассматривала возможность объединения в тележке функций подвески и рулевого управления, что повысило бы гибкость буксового подвешивания и дополнительно уменьшило боковые нагрузки на пути.

Этот план оказался слишком сложным для прототипа, но его рассматривают на будущее.

ДОВОДЫ В ПОЛЬЗУ ПЕРЕРАБОТАННОГО УГЛЕРОДНОГО ВОЛОКНА

Поскольку переработанное углеродное волокно снижает надбавку к цене вагонной тележки, одной из первых задач консорциума было представить характеристики композиционных материалов, армированных переработанным углеродным волокном, на одобрение владельцев железных дорог. Это было особенно важно, поскольку в железнодорожной отрасли принято использовать композиционные материалы для внутренней отделки, а не для элементов конструкций. "Это крайне консервативная отрасль", – говорит Барнс, – "и это понятно. С особым вниманием там относятся к безопасности, учитывая, какие последствия может иметь авария или поломка конструкционных элементов".

В попытках убедить представителей отрасли, что композиционные материалы, армированные углеродным волокном, пригодны для силовых конструкций, консорциум представил многочисленные данные сравнительного анализа физических и механических свойств. Компания ELG Carbon Fibre продемонстрировала, что прочность межповерхностных сопряжений при сдвиге, критически важная для поддержания рабочих характеристик и долговечности композиционного материала, у переработанного и первичного углеродного волокна в эпоксидной смоле аналогична. Переработанное углеродное волокно/эпоксидная смола, выбранные для вагонной тележки, обладают прочностью на растяжение, сопоставимой с прочностью стальной рамы тележки. (Консорциум выбрал эпоксидную смолу из-за ее адаптивности, долговечности и хорошо изученных механических свойств.)

Консорциуму предстояло доказать, что переработанное углеродное волокно отвечает требованиям к усталостным характеристикам и пожарной безопасности при использовании на железной дороге. Консорциум выбрал нетканый мат Carbiso M от компании ELG Carbon Fibre, изготовленный из стандартного волокна (прочностью от 4 до 5 ГПа) в эпоксидной матрице.

Было доказано, что усталостные характеристики переработанного углеродного волокна/эпоксидной смолы аналогичны характеристикам традиционных многослойных тканей из углеродного волокна и превосходят характеристики конструкционной стали. Анализ методом конечных элементов, выполненный компанией Applied FEA Ltd. (Саутгемптон, Великобритания), показал выносливость к эксплуатационным и повышенным статичным нагрузкам.

Уменьшение экономической нагрузки

Восстанавливая углеродное волокно путем переработки, компания ELG Carbon Fibre обеспечивает более дешевую альтернативу для проектировщиков и производителей композиционных материалов, которая может способствовать созданию новых рынков для их применения, примером чего является, рассматриваемая в данной статье вагонная тележка. Источник: компания ELG Carbon Fibre

Что касается огнезащитных характеристик, консорциум выбрал огнестойкий эпоксидный состав, обладающий свойствами традиционной эпоксидной смолы. Однако определение метода испытания композиционного материала на огнезащитные характеристики оказалось еще одной трудностью, которую команде предстояло преодолеть. "Стандарты есть, но как их применять?", – задается вопросом Барнс. "К примеру, относится ли стандарт к поверхности многослойного композиционного материала или распространяется на всю его глубину? Мы приняли решение подвергнуть все материалы стандартному испытанию на огнестойкость, выбрав консервативный подход". Композиционный материал должен был соответствовать уровню пожарной безопасности HL2 согласно стандарту Евросоюза EN 45545-2 о противопожарной защите на железнодорожных транспортных средствах, где представлены требования к характеру распространения пожара, выделению тепла, плотности и токсичности дыма. Оказалось, что материал соответствует более жесткому уровню – HL3.

ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ

Основным армирующим материалом был нетканый мат Carbiso M из переработанного углеродного волокна, предварительно пропитанный выбранной эпоксидной смолой в компании Gurit (Ньюпорт, остров Уайт, Великобритания).

В прототипе также используются слои композиционного материала из однонаправленного углеродного волокна, ориентированные под углом 0 и ±45 градусов, в местах, где требуется дополнительная прочность и жесткость, особенно на верхних и нижних поверхностях опор вагонной тележки. Композиционные материалы из первичного углеродного волокна составляют примерно 50% общего количества композиционных материалов в тележке. Анализ конструкции, в результате которого появилось такое соотношение, выполнялся с учетом сложного взаимодействия характеристик прочности, жесткости и безопасности каждой опоры в трех главных плоскостях (x, y, z) и при кручении.

Армирование вагонной тележки

Первичное армирование прототипа вагонной тележки выполнено нетканым переработанным углеродным волокном Carbiso M от компании ELG Carbon Fibre. Первичное углеродное волокно/эпоксидную смолу добавляют в композиционный материал, если требуется дополнительная прочность и жесткость. Источник: компания ELG Carbon

Благодаря опыту компании Magma Structures в строительстве композиционных труб высокого давления для морских водопроводов с использованием роботизированного процесса осаждения материала, компания могла применить такой метод для выкладки слоев препрега с последующим автоклавным формованием. Робертс рассказывает, что компания собирается повысить уровень роботизированного осаждения, когда проект разработки вагонной тележки достигнет стадии крупносерийного производства. "Когда все только начиналось, одной из основных задач было использование наиболее экономически эффективного метода", – вспоминает он.

Консорциум также использовал опыт компании Magma Structures в области встроенных волоконно-оптических систем контроля и управления напряжениями в конструкциях из композиционных материалов, например, в больших мачтах, которыми славится компания. Помимо этих мачт, компания Magma построила самые большие в мире высоконагруженные сооружения из композиционных материалов, армированных углеродным волокном. "Мы в значительной степени полагаемся на технологию контроля состояния наших композитных конструкций", – говорит Робертс. “Данные о нагрузках поступают ко мне ежедневно”. Компания тесно сотрудничала с Бирмингемским университетом для внедрения волоконно-оптической системы контроля напряжений в вагонной тележке.

По сравнению с оригинальной рамой и креплениями тележки из стали Alstom 180, прототип оказался на 36% легче. Одна только рама из композиционных материалов снижает вес на 64%, однако лишний вес прототипу добавляет краска и накладки для присоединения стальных креплений, впрочем, от этого веса можно будет избавиться после окончательной оптимизации конструкции. Если взять только раму, вес которой снизился на 590 кг, ежегодная экономия эксплуатационных расходов оценивается в 8000-62000 фунтов, в зависимости от типа и дальности следования поезда. К тому же, каждая рама тележки в течение срока службы сокращает выбросы CO2 на 68 тонн.

В ДВИЖЕНИИ

Полномасштабные испытания, назначенные на этот месяц, пройдут в университете Хаддерсфилда на испытательной установке HAROLD. В ходе испытаний волоконно-оптическая система контроля будет собирать данные, которые затем проанализируют относительно конструкции и конечно-элементных моделей; в то же время будет проверена способность самой системы контроля выдерживать усталостные нагрузки.

Разработка и испытания более оптимизированного прототипа вагонной тележки на путях - это следующая задача консорциума. Компания Magma Structures планирует построить две такие тележки для испытаний на железной дороге.

Сложное взаимодействие тележки и рельсов

Анализ методом конечных элементов помог установить необходимость и пригодность использования однонаправленных первичных углеродных волокон/эпоксидной смолы на тех участках вагонной тележки, которые будут испытывать наиболее сильные нагрузки. Источник: материалы конференции AMI Composites in Rail

Барнс отмечает, что внедрение новых креплений в конструкцию из композиционных материалов может снизить вес тележки еще на 100 килограммов. "Это сделает конструкцию более элегантной, но ненамного более сложной для производства", – говорит он.

Робертс предполагает, что будущие разработки будут проходить аналогично другим изделиям из композиционных материалов на рынке: сначала берут существующую металлическую конструкцию, заменяют материалы на композиционные и пользуются преимуществами гетерогенных, анизотропных свойств композиционных материалов.

"Стальные конструкции зачастую проектируются на основе эмпирических данных с использованием однородного изотропного материала", – говорит Робертс. Двигаясь дальше, консорциум хочет применить другой подход. "Мы ходим вернуться на шаг назад и спросить себя, чего мы хотим достичь и можно ли представить нашу цель в количественном выражении. Нужно понимать, к чему стремишься. Это кажется очевидным, но четко определить свои цели сложно, а добиться неизвестно чего еще сложнее".