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