POLITECHNIKA GDAŃSKA
WYDZIAŁ CHEMICZNY
Katedra Technologii Polimerów
PROJEKT DYPLOMOWY
Zastosowanie kompozytów w pojazdach
szynowych
Gdańsk, 2009
POLITECHNIKA GDAŃSKA
WYDZIAŁ CHEMICZNY
Katedra Technologii Polimerów
PROJEKT DYPLOMOWY
Zastosowanie kompozytów w pojazdach
szynowych
Gdańsk, 2009
Spis tre
ści
Cel pracy ................................................................................................................................... 3
Wst
ęp ......................................................................................................................................... 4
1. Kompozyty ............................................................................................................................ 6
1.1 Materiały osnowy ............................................................................................................. 7
1.1.1 Osnowa ceramiczna ................................................................................................... 7
1.1.2 Osnowa metalowa ..................................................................................................... 8
1.1.3 Osnowa polimerowa .................................................................................................. 8
1.2 Materiały zbrojenia .......................................................................................................... 9
1.2.1 Cząstki zbrojące ........................................................................................................ 9
1.2.2 Włókna zbrojące ........................................................................................................ 9
2. Cel wzmacniania materiałów polimerowych ................................................................... 13
3. Wła
ściwości wytrzymałościowe kompozytów a ich struktura ....................................... 14
3.1 Wytrzymałość materiału ................................................................................................ 14
3.1.1 Wytrzymałość kompozytów na rozciąganie ........................................................... 15
3.1.2 Wytrzymałość kompozytów na ściskanie ............................................................... 20
3.1.3 Wytrzymałość kompozytów na zginanie ................................................................ 23
4. Wła
ściwości kompozytów pod kątem zastosowania w kolejnictwie .............................. 25
5. Obecno
ść materiałów kompozytowych w taborze kolejowym ....................................... 28
5.1. Miejsca zastosowania kompozytów .............................................................................. 28
5.1.1 Wyposażenie układów jezdnych ............................................................................. 28
5.1.2 Wyposażenie wewnętrzne ....................................................................................... 30
5.1.3 Koreański przechylający się ekspres kolejowy (TTX) ........................................... 31
6. Formowanie kolejowych elementów konstrukcyjnych ................................................... 34
6.1 Formowanie pudła wagonu w autoklawie ...................................................................... 34
6.2 Metoda VARTM ............................................................................................................ 35
7. Przykłady poci
ągów z zastosowaniem kompozytów ....................................................... 36
7.1 Pociąg Shinkansen .......................................................................................................... 36
7.2 Pociąg TGV .................................................................................................................... 37
7.2.1 Pociąg AGV ............................................................................................................ 38
7.3 Pociąg ICE ...................................................................................................................... 38
Podsumowanie ........................................................................................................................ 39
Literatura ................................................................................................................................ 40
3
Cel pracy
Celem pracy było przedstawienie zastosowania kompozytów w kolejowych pojazdach
szynowych, z wyszczególnieniem pociągów wysokiej prędkości. W pracy skupiono się
na układach jezdnych i wnętrzu taboru kolejowego.
Dla zrealizowania przyjętego celu w pierwszej części pracy przedstawiono ogólne
zagadnienia związane z materiałami kompozytowymi : definicja, struktura, właściwości.
Druga część zrealizowanej pracy zawiera wykaz konstrukcji, których budowa opiera się
na kompozytach i ich krótki opis. Cały projekt zakończono przykładami pociągów wysokiej
prędkości opartych na nowoczesnych materiałach i technologiach.
4
Wst
ęp
Dzisiejszy świat pełen jest podróżowania, przemieszczania i wędrówek zarówno
na małe jaki i duże odległości. Współczesnemu człowiekowi ciężko jest sobie wyobrazić
ż
ycie bez samochodu, samolotu, metra i wygód jakie oferują. Pierwszym efektywnym
ś
rodkiem masowego transportu lądowego było kolejnictwo. Oficjalnie za datę rozpoczęcia
ery kolejnictwa uznaje się rok 1804 w którym Anglik Richard Trevithick poprowadził parową
lokomotywę po szynach, jednak koleje sięgają czasów babilońskich, kiedy to pchano wózki
po żłobionych kamieniach [1]. W latach dwudziestych XX wieku transport kolejowy stracił
na znaczeniu w wyniku upowszechnienia się transportu samochodowego.
Postęp cywilizacji, rozbudowa miast, zwiększające się tempo życia spowodowało, że
transport samochodowy przestał zaspokajać potrzeby podróżujących. Rozwój środków
transportu szynowego, ukierunkowany na zwiększenie ich prędkości, rokował nadzieje
na znaczne przyspieszenie podróży i zwiększenie znaczenia tego typu transportu .
Pierwsza szybka kolej powstała w Japonii; pociąg klasy Shinkansen serii 0 osiągał
prędkość rzędu 200 km/h. Japońskie doświadczenia stanowiły inspirację dla kolei francuskiej.
W 1981 roku wyruszył w trasę pociąg TGV (Train Grand Vitesse) [2]. Od tego czasu kolejne
kraje wdrażały systemy szybkiej kolei. W chwili obecnej szybka kolej funkcjonuje w wielu
krajach Europy i Azji.
Od czasu kiedy człowiek po raz pierwszy podjął działalność techniczną, starał się
ulepszyć stosowane materiały, ponieważ wymagania techniki przekraczały często możliwości
materiałów występujących w przyrodzie [3]. Poszukiwano materiały o lepszych wskaźnikach
konstrukcyjnych i eksploatacyjnych. Starano się połączyć w jednym materiale takie
właściwości jak: mały ciężar cząsteczkowy, zwiększona sztywność lub/i wytrzymałość,
łatwość formowania, stabilność wymiarów itp. Odpowiedź na tego rodzaju materiał stanowiły
kompozyty. Materiały kompozytowe decydują obecnie o nowoczesności wielu konstrukcji,
maszyn i urządzeń. Zastosowanie kompozytów w życiu codziennym i technice jest ogromne
i wciąż jest poszerzane.
Kompozyty polimerowe są to lekkie i wytrzymałe materiały konstrukcyjne, w których
spoiwem są polimery. Powszechnie stosowanymi napełniaczami są różnorodne związki
chemiczne (talk, kreda, minerały wulkaniczne, proszki metali), włókna węglowe, szklane,
polimerowe oraz włókna naturalne (celuloza, mączka drzewna itp.). Poliolefiny (szczególnie
polipropylen), poliamidy, poliacetale, polichlorek winylu i poliwęglan są najczęściej
napełnianymi polimerami termoplastycznymi [4].
5
O atrakcyjności kompozytów jako materiału konstrukcyjnego decyduje różnorodność
materiałów, które mogą być ze sobą łączone i sposobów w jaki mogą być one połączone.
Wszystko to przekłada się na strukturę, a w rezultacie na właściwości kompozytów [5].
6
1. Kompozyty
Terminologia związana z tworzywami kompozytowymi pochodzi z różnych obszarów
nauki i techniki, jak technologia polimerów, metaloznawstwo, inżynieria materiałowa i inne.
Stąd występuje wiele synonimów, pojęć nieprecyzyjnych oraz terminów wieloznacznych [6].
Pojęcie kompozyty dotyczy zróżnicowanej i licznej grupy materiałów. Do grupy
tej można zaliczyć, materiały bardzo różniące się budową i właściwościami w zależności
od przyjętego kryterium.
Za materiały kompozytowe przyjęto traktować tworzywo spełniające następujące warunki:
- zostało wytworzone sztucznie
- składa się co najmniej z dwóch różnych chemicznie komponentów o wyraźnej
granicy rozdziału między nimi
- komponenty te makroskopowo rozmieszczone są równomiernie w całej objętości
tworzywa
- jego właściwości różnią się od właściwości komponentów.
Powyższe wytyczne nie obejmują jednak szeregu materiałów złożonych pochodzenia
naturalnego oraz materiałów warstwowych, które budową i właściwościami mechanicznymi
zbliżone są do kompozytów [7].
W tej pracy przyjęto następującą definicję:
Kompozyty są materiałami utworzonymi z co najmniej dwóch składników o różnych
właściwościach, w taki sposób, że uzyskują nowe właściwości w porównaniu
z właściwościami materiałów wyjściowych. Są one zewnętrznie monolityczne, jednakże
z makroskopowo widocznymi granicami między składnikami[8].
Kompozyty składają się z osnowy i „zatopionymi” w niej włóknami wzmacniającymi.
Osnowę można zdefiniować jako ciągły składnik struktury kompozytu, w którym
rozmieszczone są elementy zbrojenia. Jej udział w kompozycie wynosi średnio od 20 do 80%.
[3]. Wzmocnienie stanowią w zależności od potrzeb bardzo zróżnicowane materiały, mające
za zadanie zwiększenie sztywności i wytrzymałości kompozytu [3].
Przy wyborze materiału osnowy i włókien dla konkretnego kompozytu należy wziąć pod
uwagę : współczynnik rozszerzalności cieplnej osnowy i włókien ( muszą być zbliżone), siłę
7
wiązań miedzy włóknami i osnową (osnowa musi wypełniać przestrzeń między włóknami
i być z nimi mocno związana) oraz moduł Younga osnowy i włókna (osnowa musi mieć
mniejszy).
1.1 Materiały osnowy
Osnowa pełni rolę spoiwa dla włókien, umożliwiając powiązanie włókien
w
elementy
powierzchniowe,
stanowiące
podstawę
do
wytwarzania
elementów
konstrukcyjnych.
Osnowa kompozytu spełnia następujące funkcje:
1)
nadaje wyrobom żądany kształt
2)
spaja zbrojenie
3)
przekazuje obciążenie zewnętrzne włóknom
4)
służy jak bariera zapobiegająca rozprzestrzenianiu się pęknięć
5)
chroni włókna przed uszkodzeniem powierzchniowym a skutek tarcia
mechanicznego lub reakcji chemicznej z otoczeniem
6)
zabezpiecza włókno przed mechanicznym uszkodzeniem
7)
kształtuje właściwości cieplne i chemiczne kompozytu.
Osnową materiałów kompozytowych mogą być zarówno materiały metaliczne, ceramika jak
i tworzywa sztuczne.
1.1.1 Osnowa ceramiczna
Materiały ceramiczne stosowane do wytwarzania kompozytów można podzielić na
trzy grupy: materiały budowlane, materiały hutnicze i materiały stosowane w elektronice.
W przypadku materiałów budowlanych jako osnowa stosowane są klasyczne materiały
wiążące, jak np. cement, gips.
Materiały hutnicze to materiały oparte na grupie materiałów ogniotrwałych stosowanych
na wykładziny pieców, takich jak materiały mulitowe, szamotowe, grafitowe.
Ceramika elektroniczna to materiały, z których produkuje się różnego rodzaju elementy
elektroniczne, przed wszystkim oparte na ceramice tlenkowej.
8
1.1.2 Osnowa metalowa
Jako osnowy metaliczne stosuje się stopy: aluminium, magnezu, tytanu, ołowiu,
cynku, srebra, niklu i miedzi.
1) stopy aluminium i magnezu przeznaczone są do wytwarzania kompozytów
stosowanych w lotnictwie i przemyśle samochodowym.
2) stopy srebra i miedzi to osnowy kompozytów wykazujących dobre właściwości
cieplne i elektryczne.
3) stopy niklu to stopy kompozytów żarowytrzymałych.
4) stopy ołowiu i cynku to osnowy kompozytów o dobrych właściwościach
ś
lizgowych.
Osnowa metaliczna w technologii wytwarzania kompozytów występuje jako: ciekły stop,
proszek, blachy i taśmy [9].
1.1.3 Osnowa polimerowa
Funkcję osnowy w kompozytach polimerowych spełniają żywice chemoutwardzalne,
termoutwardzalne a także tworzywa termoplastyczne.
Zdecydowana większość kompozytów polimerowych bazuje na osnowie żywic
poliestrowych, a tylko nieznaczny ich procent na żywicach epoksydowych.
Ż
ywice poliestrowe charakteryzują się doskonałymi własnościami przetwórczym,
możliwością stosowania we wszystkich technikach wytwarzania kompozytów i niską ceną
[8] . Cechę ujemną żywic poliestrowych jest duży skurcz polimeryzacyjny .
Ż
ywice epoksydowe są droższe i nieco trudniejsze w przetwórstwie od poliestrowych,
ale za to wyróżniają się małym skurczem polimeryzacyjnym [8] .
Pozostałe żywice, jak: fenolowe, melaminowe, silikonowe i inne wykorzystywane
są w kompozytach polimerowych w zastosowaniach specjalnych.
Współczesna technika korzysta w bardzo dużym stopniu z kompozytów
polimerowych, natomiast kompozyty metalowe są nadal przedmiotem badań i sprawdzania
eksploatacyjnego, jednak stanowią już rodzaj materiału, który konstruktor musi brać
pod uwagę przy racjonalizacji wyboru. Niektóre szczególne właściwości kompozytów
9
metalowych są lepsze od właściwości kompozytów polimerowych m.in. większa odporność
na ściskanie, brak pochłaniania wilgoci, niepalność, dobra przewodność elektryczna i cieplna,
odporność na większość rodzajów promieniowania [10] .
1.2 Materiały zbrojenia
Zbrojenie w kompozytach występuje w postaci cząstek lub/bądź włókien. Postać
zbrojenia decyduje o właściwościach wytrzymałościowych i technologicznych kompozytu
(gęstość usieciowania, twardość, udarność, wytrzymałość na rozciąganie, odporności
chemicznej i termicznej). Zastosowanie odpowiedniego typu zbrojenia uzależnione jest
od technologii wytwarzania kompozytu.
1.2.1 Cz
ąstki zbrojące
Wielkość stosowanych cząstek jest różna i wynosi od kilku mikrometrów do kilkuset
mikrometrów. Stosuje się proszki Al, Ni, Ti, Fe, cząstki ceramiczne SiO
2
, Sic, TiC, Al
2
O
3
,
grafitu, miki, TiO
2,
, ZrO
2
, ZrSiO
4
.
Stosowane w celu poprawienia właściwości mechanicznych, dielektrycznych, cieplnych,
chemicznych lub przetwórczych.
1.2.2 Włókna zbroj
ące
Najważniejszą grupę materiałów zbrojących stanowią włókna. Od rodzaju, ilości
i orientacji zastosowanego włókna zależą mechaniczne właściwości materiału, takie jak
wytrzymałość na rozciąganie, zginanie oraz sztywność. Podstawowymi cechami
wymaganymi od włókien stosowanych w produkcji kompozytów są : wytrzymałość
na rozciąganie i ściskanie, wysoki moduł sprężystości w próbach rozciągania, odporność
na działanie wysokiej i niskiej temperatury, odporność na działanie środowisk agresywnych,
niski koszt wytwarzania. Rodzaj włókien stosowanych do produkcji włókien kompozytowych
przedstawiono w tabeli 1.
10
Tabela 1 Rodzaje włókien stosowanych do produkcji kompozytów [9].
Struktura
Materiał
Przykład włókien
Amorficzne
szkło, krzemionka, bor
włókna szklane typu E lub S
włókna kwarcowe, włókna
borowe
Monokrystaliczne
ceramiczny, metaliczny
włókna Al
2
O
3
, włókna SiC,
wiskery metali
Polikrystaliczne
ceramiczne, metaliczny, węgiel
Al
2
O
3
,SiC, Al
2
O
3
·
SiO
2
Wielofazowe
borsic, bor osadzony na włóknie
wolframowym lub włóknie
węglowym, węgliki
Wielocząsteczkowe
polimer
Kevlar, polietylen, poliamid
1. Włókna metalowe
Do zbrojenia materiałów kompozytowych najczęściej stosowane są włókna ze stali
chromowo-niklowej, włókna wolframowe, włókna molibdenowe, berylowe, tytanowe.
Włókna te są głównie stosowane do zbrojenia materiałów przeznaczonych do pracy
w przedziale temperatur 196-350°C. Średnic włókien stalowych zamyka się w przedziale
0,1-0,18 mm. Włókna metalowe charakteryzują się dużym ciężarem cząsteczkowym
co eliminuje je z grupy włókien powszechnie stosowanych.
2. Włókna ceramiczne
Podstawą produkcji nowoczesnych kompozytów na osnowie polimerowej i metalowe
są włókna ceramiczne. Zalicza się do nich włókna szklane, włókna węglowe, włókna borowe,
włókna z węglika krzemu i włókna z tlenku glinu.
Włókna szklane - wytwarzane metodą przeciągania szkła przez oczka prze filiery
w środowisku powietrze. Do produkcji włókien szklanych najczęściej stosuje się szkło
o symbolu E ( bezalkaliczne szkło glinowo-borowo-krzemowego) i szkło o symbolu S (szkło
o dużej wytrzymałości). Oprócz tych szkieł do produkcji włókien stosuje się szkła typu A
(szkło berylowe, zwane również szkłem wysokomodułowym).
Zalety włókien szklanych:
1) niska cena; za kilogram dobrych włókien szklanych trzeba zapłacić 10 złotych
2) nie przewodzenie prądu
3) łatwość formowania.
11
Włókna węglowe (włókna karbonizowane) – otrzymuje się przez pirolizę związków
organicznych oraz także z asfaltu, smoły, paki, żywic fenolowych [9].
Włókna węglowe produkowane są najczęściej w postaci rovingu. Stosowane
są do wytwarzania materiałów kompozytowych o wysokiej wytrzymałości i sztywności
oraz dużej odporności termicznej i chemicznej. Wykorzystuje się je również do wytwarzania
tkanin niepalnych, odpornych termicznie, przewodzących prąd elektryczny oraz filtracyjnych.
Włókna borowe – uzyskuje się w wyniku osadzania boru z fazy gazowej na podłożu z włókna
metalowego lub na włóknach węglowych [9]. Należą do najbardziej wytrzymałych
i wysokomodułowych materiałów. Włókno boru zachowuje swoje właściwości mechaniczne
do wysokich temperatur. Po długo trwałym wygrzewaniu do temperatury 990°C włókna boru
zachowują ok. 40% swojej pierwotnej wytrzymałości a wygrzewanie w temperaturze 315°C
przez 1000 godzin powoduje spadek wytrzymałości włókna o 20-30% [7].
Pomimo tego, że włókna boru zaliczane są do jednych z najlepszych materiałów
zbrojeniowych, ich udział w produkcji wyrobów kompozytowych jest mniejszy
niż kompozytów z włóknami szklanymi lub węglowymi. W zasadzie włókna boru służą
do wzmacniania aluminium lub stopów aluminium w produkcji lotniczej [12].
3. Włókna polimerowe
Włókna poliaramidowe produkowane są z poliamidów aromatycznych. Obecnie
produkowane są dwa typy włókien poliaramidowych : włókna nomexowe i włókna kevlarowa
[9].
Nomex charakteryzuje znakomita odporność cieplna, mała palność i duża odporność
chemiczna oraz bardzo dobre własności elektryczne. Stosowane są głównie do wytwarzania
tkanin specjalnych, filtracyjnych, do izolacji cieplnych oraz do wytwarzania struktur
o charakterze plastra miodu do konstrukcji przekładowych [13] .
Włókna kevlarowe cechują się znacznie większą wytrzymałością i wysokim modułem
sprężystości. Stosowane jako wzmocnienia wielu plastomerów i elastomerów [13] .
Włókna polietylenowe- najnowsze osiągnięcie przemysłu chemicznego. Wytwarza
się je metodą wytłaczania lub przędzenia z roztworu. Charakteryzują się : małą gęstością,
małą nasiąkliwością wody, dużą odpornością na ścieranie. Dodatkowo wykazują dobre
własności dielektryczne, całkowitą przepuszczalność fal radiowych, dobrą udarność
i odporność chemiczną [9].
12
4. Włókna naturalne
Włókna naturalne są nowym typem wzmocnienia w kompozytach polimerowych,
ich znaczenie jako napełniaczy wzmacniających stale się zwiększa.
Włókna naturalne dzielą się na:
- włókna pochodzenia roślinnego ( bawełna, juta, abaka, drewno, konopia, len)
- włókna pochodzenia zwierzęcego ( jedwab, wełna ).
Głównymi zaletami włókien naturalnych są : mała gęstość, niski koszt wytwarzania,
dostępność, odnawialność, ponadto są lżejsze i tańsze od włókien szklanych, aramidowych
i węglowych. Natomiast wadą jest mała stabilność właściwa, mała stabilność wymiarów pod
wpływem wilgoci oraz konieczność intensywnego suszenia przed przetwórstwem [14].
Obecnie rozwojem technologii wytwarzania kompozytów polimerowych wzmacnianych
włóknami naturalnymi zainteresowane są takie koncerny jak: Ford Motor Company, Daimler
oraz Toyota. Według przewidywań specjalistów tego rodzaju kompozyty w obecnej dekadzie
będą konkurencyjne w stosunku do konwencjonalnych materiałów stosowanych
w motoryzacji ze względu na możliwość ograniczenia kosztów produkcji oraz możliwość
recyklingu [15].
13
2. Cel wzmacniania materiałów polimerowych
Większość polimerów krystalicznych lub szklistych pod wpływem naprężenia
wykazuje kruche pękanie w temperaturach pokojowych, co znacznie ogranicza ich
zastosowanie. Właściwości polimerów można zmodyfikować dwiema metodami: chemiczną
lub fizyczną.
Metoda modyfikacji chemicznej obejmuje kopolimeryzację statystyczną, blokową
i szczepioną, zmianę rozkładu ciężarów cząsteczkowych, średniego ciężaru cząsteczkowego
oraz budowy makrocząsteczek [16] .
Metoda modyfikacji fizycznej polega na zmieszaniu polimeru w stanie plastycznym
(stopionym) z :
- innymi polimerami lub kopolimerami, w wyniku, czego otrzymuje się mieszaniny
lub stopy polimerów
-
substancjami proszkowymi lub włóknistymi, w wyniku, czego otrzymuje się
tworzywo napełnione, warstwowe, laminat, kompozyt.
Celem wzmacniania polimerów jest przede wszystkim polepszenie:
- udarności
- sztywności i stabilności wymiarów
- zdolności tłumienia drgań mechanicznych
- odporności cieplnej poprzez podwyższenie temperatury odkształcenia czy
wyboczenia
- przenikalności gazów i cieczy
- chemoodporności
- właściwości przetwórczych
- wskaźników ekonomicznych.
W wyniku modyfikacji nie otrzymuje się poprawy wszystkich powyższych właściwości,
zazwyczaj jedne właściwości ulegają poprawie kosztem pogorszenia innych [14].
14
3. Wła
ściwości wytrzymałościowe kompozytów a ich struktura
Kierunkiem zainteresowania konstruktora jest kształt i własności przedmiotu
umożliwiające spełnianie przez niego założonej funkcji w określonym okresie. Do osiągnięcia
tego celu wykorzystuje się zależności występujące między właściwościami materiału a jego
strukturą wewnętrzną. Zmiana jednego czynnika prowadzi do zmiany drugiego.
Dobierając materiał do konkretnego zastosowania należy dokonać jego pełnej analizy biorąc
pod uwagę wytrzymałość, trwałość zmęczeniową, technologiczność, właściwości cieple
i elektryczne.
3.1 Wytrzymało
ść materiału
Przy rozwiązywaniu konkretnych zadań dla określenia wytrzymałości materiałów
wykorzystuje się uogólnienia i uproszczenia. Uproszczenia dotyczą opisu właściwości i
kształtu materiału. Dzięki uproszczeniom rzeczywisty obiekt zostaje przekształcony w model,
który daje możliwość rozwiązania problemu przy użyciu określonego schematu
obliczeniowego. Model musi zachowywać istotne dla danego problemu cechy i właściwości
rzeczywistego obiektu [17].
Wytrzymałość materiałów posługuje się modelem ciała jednorodnego, izotropowego idealnie
sprężystego.
Przy rozważaniu wpływu parametrów kompozytu na własności wytrzymałościowe rozpatruje
się trzy wyidealizowane przypadki:
1. kompozyt wzmocniony równoległymi włóknami ciągłymi, obciążony do osi
włókien
2. ten sam kompozyt obciążony prostopadle do osi włókien
3. kompozyt agregatowy z uszeregowanym rozmieszczeniem cząstek [18].
15
Powyższe przypadki przedstawia rys.1.
Rys.1 Schematy obciążeń kompozytów: a) obciążenie siłą równoległą do osi włókien b)
obciążenie siła prostopadłą c) kompozytu agregatowego [ według 18].
Niezależnie
od
typu
kompozytu
jednokierunkowego
jego
wytrzymałości
poprzeczne (w kierunku poprzecznym do włókien) są wielokrotnie mniejsze od
wytrzymałości podłużnych (w kierunku włókien). Wynika to z charakterystyk
wytrzymałościowych składników kompozytu, tzn. włókien i matrycy oraz ich
roli
w
kompozycie.
W
przenoszeniu
obciążenia
podłużnego
podstawową
rolę
pełnią włókna, mające w porównaniu z matrycą wytrzymałość na rozciąganie o
2 rzędy wielkości większą. W kierunku poprzecznym podstawowe znaczenie dla
zachowania
się
kompozytu
ma
matryca,
charakteryzująca
się
niską
wytrzymałością [19].
3.1.1 Wytrzymało
ść kompozytów na rozciąganie
Wytrzymałość na rozciąganie jest to opór, jaki stawia materiał poddany działaniu sił
rozciągających, dążących do jego odkształcenia lub zerwania. Miarą wytrzymałości
σ
σ
σ
σ
σ
σ
a )
b )
c )
16
na rozciąganie jest naprężenie w MPa, przy którym następuje zniszczenie badanej próbki.
Wyraża się ją następującym wzorem:
R
m
=
A
F
m
[MPa]
gdzie: F
m
– siła niszcząca próbkę, [N],
A – przekrój poprzeczny próbki , prostopadły do kierunku działania siły, [mm
2
].
Badane próbki mają różny kształt, zależny od rodzaju materiału, określony w normach.
Wytrzymałość kompozytów na rozciąganie uzależnione jest od rodzaju zastosowanego
napełniacza i kierunku działania siły rozciągającej. Jak wspomniano w rozdziale 2.2 zbrojenia
występują w postaci cząstek lub włókien.
Umocnienie cz
ąstkami
Wprowadzanie do plastycznej osnowy twardych cząstek jest łatwiejsze i tańsze w
porównaniu z podobnym zabiegiem z udziałem włókien. Pod względem właściwości
wytrzymałościowych ustępują jednak kompozytom z włóknami ciągłymi. Niemniej jednak
wpływ cząsteczek na umocnienie uwidacznia się poprzez wzrost granicy plastyczności.
O efektywności umacniania plastycznej osnowy decyduje wielkość cząstek i ich udział
objętościowy. Korzystnie jest stosować cząstki małe, a ich udział objętościowy nie powinien
przekraczać 20-30%. Dalszy wzrost udziału objętościowego znacznie pogarsza właściwości
technologiczne kompozytów [9].
W przypadku kompozytu o osnowie plastycznej umacnianej twardymi cząstkami nie
obserwuje się podwyższenia wytrzymałości na rozciąganie. Z kolei wprowadzanie kruchego
zbrojenia w postaci cząstek do kruchej osnowy powoduje obniżenie wytrzymałości
na rozciąganie (rys.2).
17
Rys.2 Wpływ udziału objętościowego cząstek ceramicznych na wytrzymałość stopów
aluminium [według 9]
Umocnienie włóknami
Zależność naprężenia od odkształcenia kompozytu składającego się z mocnych
i kruchych włókien rozmieszczonych w bardziej ciągliwej osnowie polimeru przedstawia
ilustracja rys.3.
Rys. 3 Krzywa naprężenie-odkształcenie dla kompozytu z włóknami ciągłymi i krzywe dla
włókien i osnowy. Obciążenie równoległe do osi włókien [według 18].
W początkowym zakresie zależność ma charakter liniowy. Liniowa zależność utrzymuje się
aż do wystąpienia odkształcenia, przy którym rozpoczyna się odkształcenie plastyczne
18
osnowy. Od tego momentu, aż do wystąpienia obciążenia, przy którym włókna zaczynają
pękać, przyrost obciążenia przenoszony jest przez włókna doznające odkształceń sprężystych.
Po zerwaniu włókien przenoszone obciążenie zmniejsza się do wartości określonej
naprężeniami, przy których osnowa się odkształca [18].
Czynniki decyduj
ące o wytrzymałości kompozytów włóknistych na rozciąganie.
Istotny wpływ na wytrzymałość na rozciąganie ma udział objętościowy włókien
zbrojących. Powyższą zależność przedstawia rys.4.
Rys. 4 Zależność wytrzymałości kompozytu od udziału włókien zbrojących [według 7].
Z rysunku 4 wynika, że przy małych udziałach włókien zbrojących wytrzymałość kompozytu
zmniejsza się ze wzrostem udziału objętościowego włókien V
f
aż do osiągnięcia wartości
minimalnej V
min
. Dalszy wzrost V
f
powoduje zwiększenie się wytrzymałości [7].
19
Ważnym
zagadnieniem
w
opisie
wytrzymałości
kompozytów
zbrojonych
jednokierunkowo jest także zgodność orientacji zbrojenia z kierunkiem obciążenia.
Wytrzymałość na rozciąganie kompozytu jednokierunkowo zbrojonego w zależności od kąta
orientacji zbrojenia w stosunku do kierunku obciążenia związana jest z mechanizmami
przenoszenia obciążenia. Przy niewielkim odchyleniu od kierunku rozciągania wytrzymałość
praktycznie nie ulega zmianie. Wzrost kąta orientacji powoduje niszczenie kompozytu
w wyniku procesu ścinania wzdłuż granicy rozdziału osnowa- zbrojenie. Dalszy wzrost kąta
orientacji skutkuje rozciąganiem kompozytu w poprzek zbrojenia. Zagadnienie to przybliżają
wyniki rozciągania kompozytów przedstawione na rys. 5.
Rys. 5 Wpływ kierunku działania siły na wytrzymałość na rozciąganie [według 12] .
Dodatkowo, na wytrzymałość każdego kompozytu zbrojonego włóknem ciągłym
wpływa występujący rozrzut wytrzymałości włókien. Związany jest on ze zróżnicowanymi
wymiarami średnicy i obecnością defektów. Wytrzymałość włókien, szczególnie o małych
ś
rednicach, zależy od ich średnicy. Najczęściej stosowane są włókna nieprzekraczające 0,015
mm. Tak cienkie włókna odznaczają się wysoką wytrzymałości. Ze wzrostem średnicy
zmniejsza się wytrzymałość włókien (rys. 6), co jest efektem wzrostu prawdopodobieństwa
powstania na powierzchni włókna mikropęknięć i zarysowań. Tego typu defekty inicjują
proces pękania pod obciążeniem [7].
20
Rys. 6 Zależność wytrzymałości R
m
włókna od jego średnicy ( d
w
) [według 7].
3.1.2 Wytrzymało
ść kompozytów na ściskanie
Wytrzymałość na ściskanie jest to największy opór, jaki stawia materiał poddawany
działaniu sił ściskających, dążących do jego zniszczenia lub odkształcenia. Badanie
wytrzymałości na ściskanie polega na przyłożeniu obciążenia, którego konsekwencją
jest przybliżenie cząstek ciała do siebie. Miarą wytrzymałości na ściskanie jest naprężenie
w MPa, przy którym następuje zniszczenie badanej próbki. Określa się je wzorem:
R
c
=
A
F
n
[MPa]
gdzie:
F
n
– siła ściskająca (niszcząca) próbkę, [N],
A – przekrój poprzeczny próbki, prostopadły do kierunku działania siły, [mm
2
].
Próbki do badania wytrzymałości na ściskanie mają kształt sześcianów, prostopadłościanów
lub walców, które poddawane są działaniu sił w kierunku prostopadłym do przekroju
poprzecznego.
O wytrzymałości na ściskanie decyduje kierunek działania siły w stosunku do włókien
lub warstw materiału.
Złożona budowa kompozytów wzmacnianych włóknami utrudnia lub uniemożliwia
obliczenie i przewidzenie wytrzymałości na ściskanie mimo że znana jest wytrzymałość
składowych tj. włókien i osnowy. W efekcie, główna charakterystyka wytrzymałości
kompozytu na ściskanie opiera się na wartościach teoretycznych [12].
21
Tabela 2 Wytrzymałość na ściskanie osiowe kompozytów z osnową epoksydową [MPa] [12]
Włókna
Wyniki pomiarów
Wyniki teoretyczne w zakresie
spr
ęż
ystym
plastycznym
W
ę
glowe
700
2330
3336
Borowe
2340
1900
2960
Tabela 3 Wytrzymałość na ściskanie osiowe kompozytów z osnową aluminiową [MPa] [12]
Włókna
Wyniki pomiarów
Wyniki teoretyczne w zakresie
spr
ęż
ystym
plastycznym
W
ę
glowe
330
3800
4600
Borowe
1730
5300
2800
Część wyników jest zawyżona, co świadczy o celowości tworzenia dla poszczególnych
kompozytów odrębnych modeli i o trudnościach w tworzeniu modelu uniwersalnego.
Czynniki decyduj
ące o wytrzymałości kompozytów włóknistych na ściskanie.
Podobnie jak w przypadku wytrzymałości na rozciąganie również na wytrzymałość
na ściskanie wpływa udział objętościowy włókien. Zależność wytrzymałości na ściskanie
od objętości włókien przedstawia rys.7 .
Rys.7 Teoretyczna wytrzymałość na ściskanie kompozytów w zależności od udziału włókien
[według 12]
Ważną rolę odgrywa również sposób preparowania powierzchni włókien zbrojących[12].
Różnice pomiędzy właściwościami kompozytów z włóknami o powłokach z silanami
i kompozytów z włóknami pozbawionymi silanów dochodzi do 100%.
22
Rys. 8 Wpływ udziału włókien szklanych oraz stanu powierzchni włókien na wytrzymałość
na ściskanie osiowe kompozytów z osnową epoksydową; 1) włókna z silanami 2) włókna
pozbawione silanów metodą chemiczną 3) włókna z silanami usuniętymi termicznie [według
12]
Z przedstawione ilustracji (rys.8) wynika konieczność stosowania modyfikacji włókien
szklanych dla kompozytów ściskanych.
W przypadku zastosowania żywicy epoksydowej jako osnowy, wytrzymałość
kompozytu na ściskanie zależy od udziału porów (rys.9). Już względnie mały udział porów
0,05- 0,07 prowadzi do obniżenia wytrzymałości w próbie ściskania [12].
Rys. 9 Wpływ udziału porów i włókien na względną wytrzymałość na ściskanie kompozytu
szkło-żywica epoksydowa [według 12]
Ogólne czynniki sprzyjające uzyskiwaniu wysokich wartości wytrzymałości kompozytu
na ściskanie:
23
- stosowanie prostych włókien
- stosowanie pasm z jak najmniejszą liczbą pojedynczych włókien
- stosowanie osnowy wysoko wytrzymałej na ściskanie i ciągliwej
- zapewnienie silnych połączeń pomiędzy włóknem i osnową [12].
3.1.3 Wytrzymało
ść kompozytów na zginanie
Zginanie występuje w kompozycie podczas wzrastającego powoli obciążenia
zginającego, działającego bez zmiany kierunku. Próba zginania polega na zmianie pierwotnej
krzywizny osi podłużnej próbki pod wpływem układu sił prostopadłych do tej osi. Próbę
zginania przeprowadza się do określania własności mechanicznych materiałów
konstrukcyjnych kruchych, których własności nie zostały ukazane podczas próby rozciągania.
W wyniku obciążenia górna płaszczyzna próbki jest rozciągana, a dolna ściskana [20].
Badanie przeprowadza się metodą 3-punktową lub 4- punktową.
Wytrzymałość na zginanie jest wielkością umowną. Można ją traktować jako wielkość
porównawczą dla oceny różnych materiałów.
W próbie zginania w niszczeniu próbki biorą udział naprężenia rozciągające,
ś
ciskające i ścinające. Rola naprężeń ściskających i rozciągających zależy od zastosowanych
włókien oraz żywicy. Próbka z osnową plastyczną ( żywice termoplastyczne) ulegają
zniszczeniu w wyniku działania naprężeń ściskających, z kolei próbka z osnowa
termoutwardzalną ( żywice epoksydowe lub poliestrowe) ulegają niszczeniu pod działaniem
naprężeń rozciągającej.
Udział ścinania i rozciągania ( ściskania) zależy także od relacji między rozstawem podpór
a wysokością próbki l/h. Przy l/h= 4-5 próbki zginane są ścinane, natomiast przy l/h= 30
są zginane. Udział ścinania maleje w sposób ciągły od l/h 4 do 30 i powyżej. Przy malejącym
udziale ścinania rosną wartości wytrzymałości na zginanie [12].
Czynniki decyduj
ące o wytrzymałości kompozytów włóknistych na zginanie.
Podstawowe znaczenia w kształtowaniu się wytrzymałości na zginanie
ma zastosowanie włókien jako dodatku, wprowadzanego w fazie mieszania składników.
Po pęknięciu osnowy, część obciążeń jest przenoszona przez włókna, zależnie od ich udziału
24
oraz rodzaju. Przy wystarczająco dużej zawartości włókien, następuje efekt wzmocnienia
kompozytu, wytrzymałość po pęknięciu kruchej matrycy przewyższa wytrzymałość matrycy.
Zmieniając rodzaj, ilość i sposób wprowadzenia włókien do struktury kompozytu można
również w znaczący sposób modyfikować jego właściwości sprężyste.
Poniższa ilustracja rys.10 przedstawia zależność wytrzymałości na zginanie kompozytu
od udziału objętościowego włókien.
Rys. 10 Wpływ udziału objętościowego włókien węglowych na wytrzymałość na zginanie
kompozytów z osnową poliestrową [12].
Rozrzut wyników tego samego udziału objętościowego włókien nie jest przypadkowy.
Wpływ udziału objętościowego włókien na wytrzymałość na zginanie związany
jest z wysokością próbki. Próbki cienkie są bardziej wytrzymałe od próbek grubszych
o podobnych udziałach objętościowych włókien. Zależność ta została przedstawiona
na rys. 11, na którym zestawiono wytrzymałość na zginanie w zależności od wysokości
próbki. Uwzględniono wyniki dla próbek z udziałem włókien 40-60%.
25
Rys. 11 Wpływ wysokości próbki na wytrzymałość na zginanie kompozytów z osnową
poliestrową [12].
4. Wła
ściwości kompozytów pod kątem zastosowania w
kolejnictwie
Specyfika konstrukcji kolejowych sprawia, że kolejnictwo jest konserwatywne, jeżeli
chodzi o wykorzystywanie nowoczesnych, zaawansowanych technologicznie materiałów.
Wymieniona specyfika dotyczy takich czynników jak: możliwie najniższe koszty produkcji,
prostota procesu wytwarzania i łączenia gotowych elementów. Wszystkie wymienione
wymagania z powodzeniem spełniane są przez klasyczne materiały konstrukcyjne takie
jak stal czy aluminium. Nie występuje, zatem naturalna, niewymuszona potrzeba stosowania
materiałów zaawansowanych technologicznie, np. kompozytów. Nie oznacza to jednak,
ż
e materiały kompozytowe są nieobecne w transporcie kolejowym.
Właściwości kompozytów pod kątem przydatności w kolejnictwie.
Wytrzymałość na rozciąganie
Główną
charakterystykę
przydatności
wyrobu
stanowią
jego
właściwości
wytrzymałościowe. Wytrzymałość na rozciąganie jest jedną z najważniejszych właściwości
elementów szynowych decydujących o trwałości i niezawodności całego urządzenia. Pojazdy
szynowe przy każdym hamowaniu i rozpoczynaniu biegu narażone są na działanie wysokich
26
naprężeń rozciągających. W związku z powyższym kompozyty przeznaczone na elementy
pracujące w warunkach obciążenia rozciągającego muszą charakteryzować się wysoką
wytrzymałością na rozciąganie.
Wytrzymałość zmęczeniowa
Z powodu natury obciążeń dla pociągów wymagana jest duża odporność
zmęczeniowa. Kompozyty polimerowe wzmacniane włóknami mają wyższą wytrzymałość
zmęczeniową w porównaniu z materiałami tradycyjnymi [8].
Odporność na korozję
Korozja jest podstawowym czynnikiem wpływającym na trwałość elementów
konstrukcyjnych taboru kolejowego. Zarówno całe konstrukcje pociągów jak i ich elementy
narażone są na działanie zmiennej temperatury i wilgotności. W przypadku przedmiotów
metalowych, dłuższa praca w takich warunkach prowadzi do rozwoju korozji. Następuje
spadek właściwości wytrzymałościowych zarówno materiału, jak i konstrukcji. Kompozyty
polimerowe nie ulegają korozji.
Palność
Bezpieczeństwo przeciwpożarowe w pojazdach transportu masowego podlega
rygorystycznym wymogom. Obecnie stosuje się dodatki hamujące rozwój płomieni
i powodujące samogaszenie, ograniczając w ten sposób wydzielanie szkodliwych substancji
przy spalaniu. Flurowcowane żywice ograniczają rozprzestrzenianie się płomieni,
ale uwalniany dym w trakcie palenia się tego typu żywić charakteryzują się wysoką
toksycznością. Z kolei fenoplasty wyróżniają się wysoką odporność na palenie, jednak
prowadzą do zwiększenia kosztów produkcji [21]. Typowe kompozyty w próbach
pożarowych wypadają dużo gorzej niż metale. W porównaniu ze stalą spadek wytrzymałości
kompozytu rozpoczyna się dużo wcześniej, np. w kompozycie ze spoiwem poliestrowym
już przy temperaturze 80°C. Jednak ze względu na małe przewodnictwo cieplne tego
materiału rozgrzanie następuje około 200 razy wolniej niż stali [8].
Ciężar jednostkowy
Odciążenie konstrukcji skutkuje możliwością stosowania elementów o mniejszych
wymiarach. Prowadzi to nie tylko do zmniejszenie zużycia energii ale także obniżenia
kosztów montażu i utrzymania. Do tej pory głównym materiałem konstrukcyjnym była stal,
27
która dzięki swoim dobrym właściwościom jest nadal powszechnie stosowanym materiałem
w taborze kolejowym. Charakteryzuje się dobrą spawalnością i odkształcalnością, ponadto
posiada
wystarczającą
wytrzymałość
do
tworzenia
cienkościennych
struktur
i co najważniejsze jest tania. Mankamentem stali jest jej podatność na korozje z czego wynika
konieczność pokrywania stali specjalnymi powłokami antykorozyjnymi. Problem ten można
jednak rozwiązać przez zastosowanie stali nierdzewnej, która charakteryzuję się wysoką
odpornością na korozję, dodatkowo posiada wysoką wytrzymałość. Jednak głównym
zamierzeniem dzisiejszych konstruktorów taboru kolejowego jest zwiększanie prędkości
pociągów, co jest związane z obniżaniem wagi poszczególnych elementów [22]. Z tego
względu materiały kompozytowe stają się dużą konkurencją dla stali.
Stabilność wymiarowa przy dużych prędkościach
Współczesny system kolejowego transportu publicznego pozwala na wykonywanie
przewozów pasażerskich z prędkościami przekraczającymi 300 km/h. Do właściwego
funkcjonowania szybkiej kolei niezbędne są szybkie pociągi charakteryzujące się wysoką
stabilnością wymiarów przy dużych prędkościach.
Wpływ na środowisko naturalne
Obecnie dużą uwagę przywiązuje się do kwestii ochrony środowiska naturalnego.
Elementy konstrukcyjne taboru kolejowego muszą spełniać wysokie wymogi bezpieczeństwa
i być przyjazne dla środowiska. Istotne jest, aby większość z zastosowanych materiałów
kompozytowych podlegała recyklingowi.
Kompozyty stanowią odpowiedź na trzy problemy związane z ochroną środowiska:
oszczędnością energii, obniżenie poziomu emisji gazów cieplarnianych oraz przetwarzanie
odpadów.
Pod
względem
zapotrzebowania
na
energię
wyprodukowania
profili
kompozytowych z włóknem szklanym ze spoiwem polimerowym metodą pultruzji wynosi 1/4
energii potrzebnej na wyprodukowanie profilu stalowego i 1/6 profilu aluminiowego [8] .
Zachowanie w trakcie wypadku
Istotnym zagadnieniem przy zastosowaniu kompozytów w pociągach jest ich
zachowanie w czasie wypadku pojazdu. W odróżnieniu od metalu, który jest plastyczny
i pochłania energię przez odkształcanie, kruche kompozyty ulegają pęknięciom
28
i odłamywaniu. Zachodzą także zmiany strukturalne, które są trudne do przewidzenia.
Dokładne określenia zachowania się kompozytu w trakcie wypadku jest utrudnione
przez dużą różnorodność permutacji matrycy, wzmocnienia, metod i warunków
przetwarzania. Projektanci twierdzą, że dane dla poszczególnych połączeń materiałów są
nieosiągalne albo nieskończone. W przypadku nosów pociągów, które w największym
stopniu narażone są na uszkodzenia w przypadku kolizji, analiza mechanizmu niszczenia
kompozytów jest niekompletna w przeciwieństwie do elementów metalowych [22].
5. Obecno
ść materiałów kompozytowych w taborze kolejowym
Operatorzy kolejowi usiłują zredukować zużycie paliwa i poprawić bezpieczeństwo
pasażerów, co sprawia że materiały kompozytowe stanowią rozwiązanie alternatywne
dla stali. Podczas gdy konwencjonalne metalowe szkielety wagonu zapewniają wysoką
wytrzymałość na obciążenia statyczne i dynamiczne, nie dają możliwości obniżenia wagi
i swobody projektowej, a produkcja i naprawa mogą okazywać się kosztowne. Używanie
kompozytowych konstrukcji nie tylko redukuje wagę, tym samym poprawiając zużycie
paliwa i podnosząc pojemności ładunku handlowego, lecz także umożliwia projektowanie
aerodynamicznych, stabilnych pojazdów z nisko położonymi środkami ciężkości [23] .
5.1. Miejsca zastosowania kompozytów
5.1.1 Wyposa
żenie układów jezdnych
Zastosowanie kompozytów w układach jezdnych pojazdów szynowych:
1. Klocki hamulcowe
2. Wykładzina gniazda skrętu i ślizgu bocznego
3. Tarcze i bębny hamulcowe
4. Tłoki hamulcowe
5. Zaciski
29
6. Wstawki hamulcowe
7. Tarczowe okładziny hamulcowe
Tarcze i b
ębny hamulcowe
W odróżnieniu od tradycyjnych, powszechnie stosowanych żeliwnych tarcz i bębnów
hamulcowych kompozyt stop aluminium- węglik krzemu SiC zapewnia zmniejszenie masy,
zmniejszenie poziomu hałasu, wyższą odporność na korozję i szoki cieplne oraz wydłużenie
czasu eksploatacji. Ponadto do zalet stosowania tego typu kompozytów jako materiału
na tarcze i bębny hamulcowe należy zmniejszenie sił bezwładności, pozwalające zwiększyć
przyśpieszenie i skrócić drogę hamowania, zwiększyć odporność na zużycie i dodatkowo
ujednorodnić mechanizm tarcia. Dodatkowym atutem kompozytów Al/SiC jest możliwość
sterowania przewodnością cieplną przez dobór udziału objętościowego i rozmieszczenia
zbrojenia. W ten sposób można uzyskać 50%-owe zmniejszenie masy w porównaniu
z żeliwnymi tarczami hamulcowymi w połączeniu z 3-krotnym wzrostem efektywności
wymiany cieplnej. Rozwiązanie z kompozytami Al/SiC znalazło zastosowanie na tarcze
hamulcowe wagonów kolejowych niemieckich pociągów ekspresowych ICE-2. Tradycyjne
tarcze żeliwne miały masę 120 kg każda, zastosowanie Al/SiC pozwoliło na redukcję masy
do 76 kg [24] .
Kompozytowe wstawki hamulcowe i tarczowe okładziny hamulcowe
Wykonywane są z kompozytu żywica termoutwardzalna-włókno mineralne,
dodatkowo wprowadza się modyfikatory tarcia . Charakteryzują się niższym zużyciem w
porównaniu ze wstawkami z żeliwa i stabilnym poziomem współczynnika tarcia w różnych
warunkach atmosferycznych. Dodatkowo zmniejszają hałas toczenia wagonu i eliminują
iskrzenie przy hamowaniu. Podobną budowę i właściwości mają tarczowe okładziny
hamulcowe [25].
Klocki hamulcowe
Zastosowanie zaawansowanej technologii kompozytowej do produkcji tarcz i klocków
hamulcowych pozwala na odebranie znacznie większej ilości energii kinetycznej
poruszającego się pociągu niż ma to miejsce przy zastosowaniu zwykłych tarcz stalowych.
Inną, bardzo ważną cechą kompozytowych hamulców jest redukcja ich wagi. Najnowsze
rozwiązania technologiczne pozwalają pracować hamulcom wykonanym z kompozytów przy
temperaturach dochodzących do 1300 stopni Celsjusza.
30
5.1.2 Wyposa
żenie wewnętrzne
Zastosowanie kompozytów wewnątrz pojazdów szynowych:
1. Profile okienne i drzwiowe
2. Wykończenia dachów, wewnętrzne ściany boczne (boazeria)
3. Poduszki i oparcia miejsc siedzących
4. Uszczelki:
- wypełniacze luk
- plomby drzwi automatycznie rozsuwanych
- uszczelnienia dachów
- uszczelnienia związane z oświetleniem i systemem HVAC ( ogrzewanie, wentylacja
i klimatyzacja)
5. Izolatory akustyczne i wibracyjne w podłogach
6. Kabiny sterownicze:
- panele sterownicze
- fotele maszynistów
Zastosowanie kompozytów wewnątrz pociągu zilustrowano na rys. 12.
Występują dwa rodzaje miejsc w kolejowych środkach transportu, gdzie zastosowane
są kompozyty, mianowicie kabiny sterownicze i wnętrza wagonów pasażerskich. W obu tych
przypadkach kompozyty umożliwiają produkcje tanich i lekkich elementów o stosunkowo
skomplikowanej geometrii. Wagony pociągów wąskotorowych w Las Vegas wykonuje
się z polimerów wzmacnianych włóknem szklanym (GRP) o budowie wielowarstwowej.
Elementy z GRP stosowane są tam gdzie wymagana jest wyższa wytrzymałość
na rozciąganie, wyższa wytrzymałość zmęczeniowa i uderzeniowa. Natomiast w podłodze
i miejsca narażanych na działanie wysokich naprężeń stosuje się polimery wzmacniane
włóknem węglowym.
Floryda AAR Composites formuje gotowe szkielety kompozytowe : podłogi, dachy, ściany
boczne , profile okienne i drzwiowe. Profile okienne i drzwiowe wykonane są z żywicy
poliestrowej wzmocnionej włóknem szklanym, natomiast wewnętrzne ściany boczne
i wykończenia dachów z folii poliwinylowego, plastrowego Nomexu i włókna szklanego.
Szkielety zaopatrzone są w kable, framugi i węzły mocujące. Tego typu szkielety zapewniają
wysoką stabilność wymiarową przy wysokich prędkościach.
31
W Europie obudowy wagonów kolejowych wykonuje się z poliestru wzmacnianego włóknem
szklanym lub węglowym metodą VARTM [opis metody w rozdziale 6.2]. Wszystkie
elementy typu otwory na drzwi i okna, izolacje cieplne i akustyczne, węzły mocujące a także
różnego typu powłoki w prosty i szybki sposób montowane są w obudowę. Czołowe części
pociągów wykonuje się z pian PVC wzmacnianych włóknem szklanymi o budowie
wielowarstwowej [21] .
5.1.3 Korea
ński przechylający się ekspres kolejowy (TTX)
Głównym przykładem zastosowań kompozytów w pojazdach
kolejowych
jest koreański przechylający się ekspres kolejowy TTX. Koreański TTX zaprojektowany
jest dla prędkości 200 km/h. Pociąg wyposażony jest w czynny system przechylający, który
umożliwia utrzymanie dużej prędkości na zakrzywieniach torów bez uszczerbku dla wygody
pasażerów. Minimalny „czas życia” takiego pociągu to ok. 30 lat [26] .
Strukturę TTX stanowi połączenie kompozytowego szkieletu pudła wagonu ze stalową ramą
i ostoją ze stali nierdzewnej (rys.12). Szkielet wykonany jest z plastrowego aluminium
pokrytego obustronnie kompozytem żywica epoksydowa-włókna węglowe.
32
Rys. 13 Struktura pudła wagonu pociągu TTX [27]
Materiału kompozytowego użyto na obudowy (wewnętrzne i zewnętrzne) ze względu
na doskonałą odporność na uderzenia oraz w celu zminimalizowania wagi podczas gdy ostoja
stalowa umożliwia łatwą instalację sprzętu elektrycznego [27] . W utkanym kompozycie
włókna ułożone są jednocześnie w dwóch kierunkach. Gdy taki materiał poddaje
się obciążeniu o dużej energii, pęknięcia zapoczątkowane są wewnątrz materiału. Aby takie
pęknięcia mogły się rozprzestrzeniać musi nastąpić rozerwanie odpowiedniej ilości włókien,
co wymaga bardzo dużej energii, dzięki temu dalsze pękanie jest zatrzymane. To pomaga
w redukcji uszkodzeń i rozwarstwień [26] . Tego typu struktury gwarantują pasażerom
wysokie bezpieczeństwo.
33
Rys. 12 Zastosowanie kompozytów wewnątrz pociągu [28]
34
6. Formowanie kolejowych elementów konstrukcyjnych
6.1 Formowanie pudła wagonu w autoklawie
Proces formowanie pudła wagonu kolejowego prowadzi się autoklawie o długości 30
metrów i średnicy 5 metrów. Temperatura panująca w urządzeniu jest zbliżona do
temperatury ok. 180°C, uzyskiwane ciśnienie maksymalne jest na poziomie 7 barów. Proces
produkcyjny składa się z pięciu etapów.
Etap I (wytwarzanie formy) w pierwszej kolejności niezbędne jest wyprodukowanie
specjalnych form: formy drewnianej i formy kompozytowej. Forma drewniana wykonana
jest z trzech elementów o długości 8,4 m, 6,6 m i 8,0m. Forma kompozytowa stanowi
półfabrykat laminatu zbrojonego włóknem szklanym. W procesie formowania kontaktowego
następuje połączenie obu form. Po zakończeniu formowania kontaktowego całość
przetrzymywana jest przez okres 5 dniu w temperaturze pokojowej następnie przez 4 godziny
w temperaturze 80°C. Grubość uformowanego elementu wynosi 20 mm. Stalowa rama
wzmacniająca jest instalowana na powierzchni zewnętrznej formy.
Etap II (formowanie kontaktowe i suszenie powłoki zewnętrznej) gdy forma jest już gotowa
nanoszona
jest
powłoka
zewnętrzna
o
grubości
3,5
mm.
Proces
odbywa
się początkowo w niskociśnieniowym worku, następnie całość trafia do autoklawu.
Etap III (umieszczanie aluminiowego wkładu wzmacniającego o strukturze plastra miodu
i wewnętrzne wzmacnianie powłoki zewnętrznej) po zakończeniu formowania w autoklawie
następuje nanoszenie wkładu wzmacniającego o strukturze plastra miodu i wewnętrzne
wzmacnianie powłoki zewnętrznej.
Etap IV (formowanie warstwy wewnętrznej) gdy etap III zostanie przeprowadzony
z sukcesem przystępuje się do formowania warstwy wewnętrznej.
Etap V (utwardzanie w autoklawie i demontaż) etap nadający ostateczną strukturę
i właściwości formowanemu elementowi. Pudło wagonu kolejowego umieszcza
się w autoklawie. Po utwardzeniu następuje demontaż formy drewnianej.
Kolejne etapy to testy wytrzymałościowe [27].
35
6.2 Metoda VARTM
Metoda VARTM jest idealnym rozwiązaniem dla produkcji struktur złożonych.
Przeszkodą w stosowaniu techniki VARTM na wysoką skalę jest wpływ grawitacji
na przepływ żywicy, który jest znaczący przy coraz bardziej złożonych strukturach.
Metoda VARTM opiera się na formowaniu niskociśnieniowym w worku. Wstępnie
przygotowaną preforme umieszcza się w worku ciśnieniowym. Uruchomienie pompy
próżniowej prowadzi do zassania powietrza i jednoczesnego przeciągnięcia ciekłej żywicy
przez worek ciśnieniowy. Następuje nasiąkanie preformy ciekłą żywicą. Ilość przepływów
wywołanych przez próżnię uzależniona jest od oczekiwanej grubości gotowego
do użytkowania wyrobu [29].
Schemat techniki VARTM przedstawia poniższa ilustracja (rys.13).
Rys.13 Metoda VARTM [30]
Technika VARTM znalazła zastosowanie w produkcji poliestru wzmacnianego
włóknem szklanym lub węglowym, który następnie wykorzystywany jest przez europejskich
konstruktorów taboru kolejowego na obudowy wagonów [29] .
36
7. Przykłady poci
ągów z zastosowaniem kompozytów
Po 40 latach od uruchomienia pierwszej linii dużej prędkości Tokio-Osaka konstrukcje
pociągów dużej prędkości uległym znaczącym zmianom, jednak zasadnicze założenia
na których się opierały nie uległy zmianie. Pociągi wysokich prędkości, których
wyprodukowano już ponad 2000, przejęły w Europie ponad 20% pracy przewozowej kolei.
Ich duża niezawodność i komfort podróżowania jaki zapewniają sprawia, że stały się one
synonimem nowoczesnej kolei. Kilka z zastosowanych w nich rozwiązań technologicznych
znalazło zastosowanie w pociągach klasycznych[31].
7.1 Poci
ąg Shinkansen
Pierwszym superszybkim pociągiem był japoński Shinkansen, który zaczął kursować
w latach 60. Jego idea wzięła się z konieczności rozładowania zatorów na głównej japońskiej
linii kolejowej pomiędzy Tokio i Osaką. W ramach projektu Shinkansen zbudowano
od podstaw nową linię kolejową pomiędzy dwiema głównymi aglomeracjami Japonii.
Superekspres ten odniósł wielki sukces, w rezultacie czego Japończycy stworzyli całą sieć
linii super szybkich pociągów [32] . Każda linia ma swoje własne imię (Tokaido, Tohoku
etc.) również każdy typ pociągu jest określony przez imię (Nozomi, Hikari etc.). W ciągu 40
lat od otwarcia sieci pociągów Shinkansen podróż odbyło 6 miliard pasażerów. Sieć
Shinkansen szczyci się nie tylko wysoka prędkość, sięgającą do 300 km/h, ale także wysoką
częstotliwością [33].
Przed konstruktorami pierwszego pociągu Shinkansen stanęło wiele wyzwań technicznych.
Najważniejsze z nich obejmowały:
•
uzyskanie bardzo wysokiej prędkości maksymalnej,
•
uzyskanie jak najniższej masy składu w celu ograniczenia zużycia szyn,
•
zapewnienie najwyższego komfortu jazdy,
•
zapewnienie pasażerom wysokiego bezpieczeństwa .
Największym problem związanym z pociągiem Shinkansen okazał się hałas wytwarzany
w trakcie ruchu pociągu. Z otwarciem pierwszej linii dużej prędkości pojawiły się liczne
37
protesty społeczeństwa, apelowano o zaniechanie korzystania z pociągów Shinkansen.
Zagadnienie to rozwiązano przez zastosowanie podwójnej obudowy pudła wagonu. Obudowa
składa się ze stalowej ramy dwustronnie pokrytej panelami kompozytowymi, wewnętrzna
przestrzeń pomiędzy elementami wypełniona jest materiałem spienionym. W efekcie
uzyskano obniżenie emisji hałasu przydrożnego z jednoczesnym obniżeniem ciężaru całego
składu pociągu i podniesieniem jakości podróży [34] .
Obecnie koleje japońskie eksploatują pociągi Shinkansen na długości ponad 1840 km. Ruch
pociągów Shinkansen jest monitorowany w centrum komputerowym na centralnym dworcu
Tokio, posiada specjalny system zabezpieczeń, zatrzymujący automatycznie pociągi w
sytuacji niebezpiecznych wstrząsów sejsmicznych, uszkodzeń mostów, tuneli [35].
7.2 Poci
ąg TGV
TGV to skrót od francuskiej nazwy Train a Grande Vitesse oznaczającego pociąg
dużej prędkości. Pociąg TGV to jednostka, który zawiera w sobie dwie lokomotywy - zwane
głowicami napędowymi i wagony w systemie wspólnych wózków. Wysokie prędkości
maksymalne i specyfika francuskich linii dużych prędkości polegają na specjalnym
wydzielaniu linii biegnących poza wielkimi aglomeracjami miejskimi, które pozwalają
na uzyskiwanie bardzo wysokich prędkości handlowych, przekraczających 200 km/h
i dochodzących nawet do 280 km/h [36] .
Konstrukcja pociągów TGV zawiera wiele usprawnień i innowacji, w stosunku
do tradycyjnych pociągów, które pozwoliły zmniejszyć jego masę i umożliwiły
mu pokonywanie zakrętów przy pełnej prędkości.
Budowa pociągów TGV różni się od typowej dla innych zespołów trakcyjnych. Wózki
są umieszczone między wagonami w taki sposób, że każdy z nich przenosi ciężar dwóch
sąsiednich wagonów. Wózek jest zbudowany z przegubów, dzięki czemu oba wagony mogą
na zakręcie poruszać się niezależnie. Dodatkowo wózek posiada lekki system zawieszenia
pneumatycznego. Pozwoliło to obniżyć masę każdego wagonu o 5 ton, a zastosowanie
specjalnych materiałów kompozytowych do konstrukcji wagonu umożliwiło jej dalszą
redukcję [32]. Głowice napędowe spoczywają na własnych wózkach. Zaletą takiej konstrukcji
jest zwiększone bezpieczeństwo w trakcie wykolejenia. Wykolejony skład pozostaje sztywny,
38
a połączenia międzywagonowe nie zrywają się, przez co pociąg nie zbacza gwałtownie z toru
jazdy. Dodatkową zaletą, w porównaniu z tradycyjnymi konstrukcjami, jest spokojniejszy
bieg pociągu, zmniejszony hałas i zużycie szyn [37] .
7.2.1 Poci
ąg AGV
AGV (Automotrice a Grande Vitesse), Zespół Trakcyjny o Wielkiej Prędkości,
jest rozwinięciem produkowanego dotąd przez Alstom modelu TGV (Train a Grande Vitesse,
Pociąg o Wielkiej Prędkości),zdolny do pokonania dystansu 1000 km w ciągu trzech godzin.
Od poprzednika odróżnia go brak wyodrębnionej lokomotywy, elektryczne silniki napędowe
umieszczone są na osiach poszczególnych wagonów. Dzięki zwiększonemu wykorzystaniu
aluminium i materiałów kompozytowych do budowy AGV, masa typowego składu wynosi
395 ton - o 35 ton mniej niż pociągu TGV identycznej wielkości. Odciążenie konstrukcji wraz
z jej aerodynamicznym dopracowaniem umożliwiło zwiększenie prędkości maksymalnej
z 320 do 360 kilometrów na godzinę, choć jednocześnie moc napędu zmniejszono o 15 %
[36].
7.3 Poci
ąg ICE
ICE jest to najszybszy pociąg Deutsche Bahn. Pociąg ten jeździ z prędkością powyżej
280 km/h, co sprawia że można podróżować szybko i punktualnie. Pierwszy seryjnej
produkcji pociąg typu ICE został oddany do eksploatacji w 1991, kolejna modernizacja
powstała w 1996 (ICE2), najnowszą generacją jest ICE3 mogący jechać z prędkością
330 km/h. Pociąg ICE jest pierwszym w Europie hermetycznie szczelnie zbudowanym
pociągiem. Wyposażony jest w dwie zintegrowane z nim lokomotywy umieszczone
na obu jego końcach oraz w 14 wagonów. Drogę z Frankfurtu do Hanoweru pokonuje w 142
minuty, a 750 pasażerów podróżuje w pełnym luksusie [32].
Problemem w przypadku pociągów ICE było występowanie w wagonach wibracji. Okazało
się, że sprężyny w wózkach nie były w stanie tłumić drgań powodowanych przez owalizacje
kół. Problem został rozwiązany poprzez zastosowanie elementów gumowych w kołach.
Jednak w 1998 r. jedno z takich kół pękło powodując wykolejenie pociągu. Po wypadku koła
we wszystkich pociągach ICE zostały wymienione na typu monoblokowego [31].
Marka ICE należy do cieszących się największą rozpoznawalnością i najbardziej poważanych
w Niemczech. Wedle danych Deutsche Bahn rozpoznawalność marki dochodzi do 100% [38].
39
Podsumowanie
Materiały kompozyty zajmują coraz wyższą pozycję we współczesnych pociągach
wysokich prędkości. Znajdują zastosowanie zarówno w wewnętrznych jak i zewnętrznych
częściach taboru kolejowego. Pomimo korzyści uzyskiwanych przez szybką kolej
z zastosowania kompozytów, wykorzystanie tego typu materiałów w tradycyjnych pociągach
jest niewielkie. Wynika to głównie z polityki państwowej, która w większości krajach dąży
do obniżenia dotacji na rzecz transportu kolejowego. W konsekwencji zarządy transportu
kolejowego zmuszone są do oszczędności i stosowania tanich rozwiązań materiałowych.
40
Literatura
1. Farndon J., „Szkolna encyklopedia- Technologie, pomysły, odkrycia” , Warszawa ,1995,
Wydawnictwo RTW
2. http://pl.wikipedia.org/wiki/szybka_kolej
3. Wilczyński A., „Polimerowe kompozyty włókniste : własności, struktura i projektowanie”
Warszawa, 1996, WNT
4. http://www.tworzywa.com.pl/artykuly_naukowe/artykuly_naukowe.asp?ID=3205
5.http://www.inmat.pw.edu.pl/studium/index.php?option=com_content&task=view&id=50&I
temid=29
6. Szweycer M., „Problemy terminologii w kompozytach i wyrobach kompozytowych”,
Kompozyty, 2005, 5, 19
7. Nowacki J., „Materiały kompozytowe”, Łódź, 1993, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej
8. Zobel H., Karwowski W., „Kompozyty polimerowe w mostownictwie-pomosty
wielowarstwowe”, Geoinżynieria drogi mosty tunele 02/2006(09), 42-46
9. Śleziona J., „Podstawy technologii kompozytów”, Gliwice, 1998, Wydawnictwo
Politechniki Śląskiej
10. Sobczak J., Wojciechowski S., „ Współczesne tendencje zastosowania kompozytów
metalowych”, Kompozyty 2 (2002) 3, 24
11. Leda H., „ Szklane czy węglowe włókna w kompozytach polimerowych”, Kompozyty 3,
2003, 7, 211
12. Leda H., „Kompozyty polimerowe z włóknami ciągłymi”, Poznań, 2000, Wydawnictwo
Politechniki Poznańskiej
13. Królikowski W., „ Tworzywa wzmocnione i włókna wzmacniające”, Warszawa 1988,
WNT
14. Żuchowska D. „ Polimery konstrukcyjne : przetwórstwo i własności”, Wrocław 1993,
Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej
15. Kaczmar J.W, Pach j., „Kompozyty polimerowe wzmacniane włóknami naturalnymi”,
Tworzywa Sztuczne i Chemia, Lipiec/Sierpień 2007 4 16
16. Jurkowski B. , „ Sporządzanie kompozycji polimerowych- elementy teorii i praktyki”,
Warszawa,1995, WNT
17.http://deuter.am.put.poznan.pl/zwm/eskrypty_pliki/podstawymechaniki/wytrzymaloscmate
rialow.pdf
18. Blicharski M., „Wstęp do inżynierii materiałowej „ , Warszawa, 2003, WNT
41
19.
http://limba.wil.pk.edu.pl/~jg/publikacje/wisla/Wisla_1999.pdf
20.
http://zwm.pb.bialystok.pl/instrukcje/wm/cw4.pdf
21. Marsh G., „Can composites get firmy on the rails?”, Reinforced Plastics,2004,
July/August
22. Seo S.I., Kim J.S., Cho S.H., “Development of a hybrid composite bodyshell for tilting
trains”, Journal of rail and rapid transit,2008, March, 1-2
23. Prince K., „ Composites track down rail opportunities”, Reinforced plastics, June 2001
24. Wojciechowski A., Sobczak J., “Alternatywne kompozytowe rozwiązania materiałowe w
skojarzeniach ciernych”, Journal of KONES Internal Combustion Engines 2003 10, 3-4
25. http://www.frenoplast.com/pl/index.php?idd=produkty&id=131
26. Kim J.S, Chung S.K., “A study on the low-velocity impact response laminates for
composite railway bodyshell”, 2007, Composite Structure, 484-492
27. Kim J.S., Lee S.J, Shin K.B., “ Manufacturing and structural safety evaluation of a
composite train carbody”, 2007, 468-476
28. http://www.railway-technology.com/contractors/noise/rogers
29. www.engr.ku.edu/~rhale/ae510/websites_f03/VARTM.ppt
30.http://www.usouthal.edu/engineering/mechanical/faculty/hsiao/hsiao_intel-comp-manu.pdf
31. Raczyński J., „ Pociągi dużych prędkości-kierunki rozwoju”, TTS 5-6/2005, 61
32. http://www.pkpiz.siedlce.pl/sw.htm
33. http://www.japanrail.com/JR_shinkansen.html
34. Matsumoto M., Masai K., Wajima T., „New Technologies for Railway Trans”, 48(1999),
Hitach Review , 135
35. http://encyklopedia.pwn.pl/haslo.php?id=3974620
36. http://www.tgv.pl/tgv/index.html
37. http://pl.wikipedia.org/wiki/TGV
38. http://pl.wikipedia.org/wiki/InterCityExpress