Viime vuosina rautatiekuljetusalan nopean kehityksen myötä kiskokulkuneuvojen uusia materiaaleja tutkitaan yhä enemmän ja uuden materiaalin osuus on yhä suurempi. Niistä kuitukomposiittimateriaalien tutkimus ja soveltaminen ovat merkittävimpiä. Tämä johtuu siitä, että kuitukomposiittimateriaalit voivat perustua suunnitteluvaatimuksiin eri matriisi- ja lujitemateriaalien valinnalla, eri mittasuhteilla ja käyttämällä erilaisia muovausprosesseja, jotka voidaan saada uusien materiaalien erilaisilla kokonaisominaisuuksilla, kuten hyvä lämmöneristys, korroosionkestävyys, kulutuskestävyys, korkea ominaismoduuli, korkea ominaislujuus ja muut ominaisuudet, tämä ominaisuus ei pysty täyttämään perinteistä yksittäistä materiaalia.
Kiskokulkuneuvojen suunnittelussa kulkuneuvojen sisätiloissa on käytetty laajalti komposiittimateriaaleja ja jossain määrin myös sisäisiä laitteita ja muita kuormarakenteen osia. Komposiittimateriaaleista valmistettujen rakenneosien etuna on korkea lujuus, keveys ja korkea jäykkyys. Valmistusprosessissa käytetään yleensä lähes lopullista muovaustekniikkaa, joka ei vaadi lisäkäsittelyä ja voi vähentää huomattavasti valmistuskustannuksia. Komposiittimateriaalien käyttö voi myös parantaa tehokkaasti kiskoajoneuvojen mukavuutta ja turvallisuutta, vähentää tärinää ja melua sekä alentaa kehon painoa. Kuitukomposiitista on tullut korvaamaton avainmateriaali rautatieliikenteen alalla.
1
Kuitukomposiittimateriaalien ominaisuudet
Hiilikuitukomposiittien ominaismoduuli ja lujuus ovat korkeimmat yleisesti käytetyistä materiaaleista, ja niillä on ilmeisiä etuja lujuuden, jäykkyyden ja savumyrkyllisyyden suhteen. Uudella FRP-materiaalilla on hyvä suorituskyky palonesto- ja äänieristeenä. Ja aramidikomposiittimateriaaleilla on palonestokyky, korkea lujuus, korkean lämpötilan kestävyys, korkea eristysaste, kosteudenkestävyys ja korroosionkestävyys, vakaat fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet. Kaikenlaisilla komposiittimateriaaleilla on erilaiset ominaisuudet ja niitä käytetään kiskokulkuneuvojen eri keskeisissä osissa.
2
Komposiittimateriaalien sovellusetuanalyysi kiskokulkuneuvoissa
2.1 Hyvät mekaaniset ominaisuudet
Komposiittimateriaali ilmentää matriisimateriaalin ja vahvistusmateriaalin kattavan suorituskyvyn, jolla on korkea lujuus, kevyt, suuri jäykkyys, tärinän ja melun vähentäminen, väsymyksenkestävyys, lämmöneristys ja muut erinomaiset suorituskyvyt ajoneuvon kevyen suunnittelun vuoksi, parantavat turvallisuutta ja auton mukavuudella on suuri merkitys.
2.2 Täyttää kiskoajoneuvojen kevyen painon kehitysvaatimukset
Viime vuosina raideliikenteen kulkuneuvojen ajonopeus on noussut jatkuvasti, mikä edellyttää kiskokulkuneuvojen keveyden saavuttamista turvallisuutta heikentämättä. Komposiittimateriaali on tehokkain järjestelmä kiskokulkuneuvoihin.
2.3 Voi vähentää kustannuksia
Junaliikenteen nopeuden parantuessa ihmiset kiinnittävät yhä enemmän huomiota ylläpitokustannuksiin ja käyttökustannuksiin samalla kun kiinnittävät huomiota ajoneuvojen turvallisuuteen ja mukavuuteen. Vaikka alkuinvestoinnit raideliikenteen kuljetukseen ovat suuria, komposiittimateriaaleja käyttävien ajoneuvojen kokonaiskustannukset ovat huomattavasti tavallisia materiaaleja korkeammat, varsinkin kun uusien materiaalien ja uusien prosessien tutkimus ja kehittäminen vaatii väistämättä suuria investointeja. Junaliikenteen toimintasykli on kuitenkin pitkä. Ajoneuvojen koko elinkaaren näkökulmasta kevyillä ajoneuvoilla voidaan tehokkaasti vähentää ajoneuvojen energiankulutusta ja käyttökustannuksia. Toisaalta komposiittimateriaalien tärinänkestävyys, väsymiskestävyys, korroosionkestävyys, vaurioiden sietokyky ja törmäysenergian absorptio ovat parempia kuin tavallisten metallimateriaalien, joten ajoneuvon huoltojaksoa voidaan pidentää ja ylläpitokustannuksia vähentyä suuresti. Siksi pitkällä aikavälillä komposiittimateriaalit voivat tehokkaasti vähentää ajoneuvojen elinkaarikustannuksia.
2.4 Suunnittelukyky on vahva
Korkea ominaismoduuli ja korkea ominaislujuus ovat kuitukomposiittimateriaalien näkyvimmät ominaisuudet, ja mekaanisia ominaisuuksia voidaan vaihdella laajalla alueella. Siksi komposiittimatriisin ja vahvistuksen valinnalla ja materiaalien muodostusprosessia muuttamalla voidaan täyttää erilaiset suunnitteluvaatimukset. Esimerkiksi lasikuidun vetolujuus voi olla 3500 MPa ja kimmomoduuli on 70 GPa. Korkean moduulin hiilikuidun vetolujuus voi olla 3900 MPa ja kimmomoduuli on 600 GPa. Kokeiden avulla on opittu, että paras kerrosrakenne voidaan löytää suunnitteluvaatimusten mukaan rakenneosien muovausprosessissa vaihtamalla matriisimateriaalien ominaisuuksiltaan hyvin erilaisia komposiittimateriaaleja.
2.5 Hyvä luotettavuus ja turvallisuus
Tärkeimmät rakenneosien turvallisuuteen vaikuttavat tekijät ovat materiaalien väsymiskestävyys ja loviherkkyys. Aiemmin komposiitteja on käytetty laajalti korkean jännityksen aloilla, kuten ilmailualalla, juuri niiden erinomaisen väsymiskestävyyden ja matalan loviherkkyyden vuoksi.
Vaikka tavallisilla metallimateriaaleilla on korkea staattinen lujuus, niiden lujuus heikkenee merkittävästi ankarissa tärinäolosuhteissa. Esimerkiksi metallimateriaalista rakenneosissa on rako jossain kohdassa. Tärinän ja iskujen (muuttuva kuormitus) vaikutuksesta viat leviävät nopeasti, kunnes rakenneosat vaurioituvat. Ero komposiittimateriaalien staattisen lujuuden ja tärinälujuuden välillä on kuitenkin lähes nolla. Vaikka rakenneosat olisivat lovettuina, materiaalissa oleva jännitys siirtyy viereiseen kerrokseen, eikä se tuhoudu pitkäaikaisen muuttuvan kuormituksen vuoksi. Tämä on yksi syy siihen, että komposiittiosilla on paljon pidempi käyttöikä kuin metalliosilla.
3
Kuitukomposiitin käyttö kiskokulkuneuvoissa
3.1 Hiilikuitukomposiitit
Vaikka hiilikuitumateriaalien tutkimus ja soveltaminen alkoi myöhään Kiinassa, teknologia on kehittynyt viime vuosina nopeasti erityisesti ajoneuvoliikenteen alalla. Esimerkiksi CRRC Qingdao Sifang Rolling Stock Co., Ltd. käytti hiilikuitumateriaaleja luotijunan laitehytin suunnittelussa. Ajoneuvon iskunkestävyys, korroosionkestävyys ja mekaaniset ominaisuudet ovat taattuja, ja varusteohjaamon paino on noin 35 prosenttia pienempi kuin alumiiniseosmateriaalin.
3.2 Lasikuitukomposiittimateriaalit
Erinomaisten melunvaimennus- ja palonestoominaisuuksien ansiosta mekaaninen lujuus ja jäykkyyssuhde ovat erinomaiset. Siksi sitä käytetään usein kiskoajoneuvojen istuimissa, ohjaamon päänsuojuksessa ja muissa osissa.
3.3 Aramidikuitukomposiitit
Perinteisiin metallimateriaaleihin verrattuna aramidikomposiiteilla on erinomaiset ominaisuudet, kuten palonestoaine, korkea lujuus, korkea eristysaste, kosteudenkestävyys ja korroosionkestävyys sekä vakaat fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet. Niitä käytetään täysin moottoreissa, muuntajissa ja muissa asennoissa, ja niillä voi olla hyvä rooli eristeen painon vähentämisessä.
4
Loppu
Komposiittimateriaalien käyttö kiskokulkuneuvoissa tulee olemaan entistä laajempaa, erityisesti ajoneuvon korirakenteessa on hyvä sovellusnäkymä.
