تجد المزيد والمزيد من المواد المركبة طريقها إلى أنظمة السكك الحديدية والنقل الجماعي

بالإضافة إلى ذلك، بدأ مشغلو الحافلات ومترو الأنفاق والقطارات في إدراك مزايا المواد المركبة في تقليل الاهتزازات المزعجة والنشاز.قال ديفيس: "إذا كنت في مترو الأنفاق وسمعت صفيحة معدنية تهتز".إذا كانت اللوحة مصنوعة من مادة مركبة، فسوف تعمل على كتم الصوت وجعل القطار أكثر هدوءًا."

كما أن الوزن الخفيف للمركب يجعله جذابًا لمشغلي الحافلات المهتمين بتقليل استخدام الوقود وتوسيع نطاقه.وفي تقرير صدر في سبتمبر 2018، توقعت شركة أبحاث السوق لوسينتل أن السوق العالمية للمواد المركبة المستخدمة في وسائل النقل الجماعي والمركبات على الطرق الوعرة ستنمو بمعدل سنوي قدره 4.6 في المائة بين عامي 2018 و2023، بقيمة محتملة تبلغ مليار دولار بحلول عام 2023. ستأتي الفرص من مجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك الأجزاء الخارجية والداخلية وغطاء المحرك ومجموعة نقل الحركة والمكونات الكهربائية.

تنتج شركة Norplex-Micarta الآن أجزاء جديدة يتم اختبارها حاليًا على خطوط السكك الحديدية الخفيفة في الولايات المتحدة.بالإضافة إلى ذلك، تواصل الشركة التركيز على أنظمة الكهربة باستخدام مواد الألياف المستمرة ودمجها مع أنظمة راتينج أسرع معالجة.وأوضح ديفيس: "يمكنك خفض التكاليف، وزيادة الإنتاج، وتقديم الوظائف الكاملة للفينول FST إلى السوق".في حين أن المواد المركبة يمكن أن تكون أكثر تكلفة من الأجزاء المعدنية المماثلة، يقول ديفيس إن التكلفة ليست العامل المحدد للتطبيق الذي يدرسونه.

ضوء ومثبطات اللهب
يعد تجديد أسطول شركة السكك الحديدية الأوروبية Duetsche Bahn المكون من 66 سيارة ICE-3 Express إحدى قدرات المواد المركبة لتلبية الاحتياجات المحددة للعملاء.أضاف نظام تكييف الهواء ونظام ترفيه الركاب والمقاعد الجديدة وزنًا غير ضروري لعربات السكك الحديدية ICE-3.وبالإضافة إلى ذلك، فإن الأرضيات المصنوعة من الخشب الرقائقي الأصلي لم تستوف معايير مكافحة الحرائق الأوروبية الجديدة.كانت الشركة بحاجة إلى حل للأرضيات للمساعدة في تقليل الوزن وتلبية معايير الحماية من الحرائق.الأرضيات المركبة خفيفة الوزن هي الحل.

تقدم شركة Saertex، وهي شركة مصنعة للأقمشة المركبة ومقرها في ألمانيا، نظام المواد LEO® لأرضياتها.وقال دانييل ستومب، الرئيس العالمي للتسويق في مجموعة Saertex Group، إن LEO عبارة عن قماش ذو طبقات غير مجعد يوفر خصائص ميكانيكية أعلى وإمكانات أكبر في الوزن الخفيف من الأقمشة المنسوجة.يتضمن النظام المركب المكون من أربعة مكونات طلاءات خاصة مقاومة للحريق، ومواد معززة بالألياف الزجاجية، وSAERfoam® (مادة أساسية مع جسور مدمجة من الألياف الزجاجية ثلاثية الأبعاد)، وراتنجات فينيل إستر LEO.

قامت شركة SMT (مقرها أيضًا في ألمانيا)، وهي شركة تصنيع المواد المركبة، بتصنيع الأرضية من خلال عملية ملء الفراغ باستخدام أكياس فراغ السيليكون القابلة لإعادة الاستخدام التي صنعتها شركة Alan Harper البريطانية.وقال ستامب: "لقد وفرنا حوالي 50 بالمائة من وزن الخشب الرقائقي السابق"."يعتمد نظام LEO على صفائح ألياف مستمرة مع نظام راتينج غير مملوء بخصائص ميكانيكية ممتازة... بالإضافة إلى أن المركب لا يتعفن، وهي ميزة كبيرة، خاصة في المناطق التي تتساقط فيها الثلوج في الشتاء و الأرضية مبللة."تتوافق الأرضية والسجاد العلوي والمواد المطاطية مع المعايير الجديدة لمثبطات اللهب.

أنتجت شركة SMT أكثر من 32000 قدم مربع من الألواح، والتي تم تركيبها في حوالي ثلث قطارات ICE-3 الثمانية حتى الآن.أثناء عملية التجديد، يتم تحسين حجم كل لوحة لتناسب سيارة معينة.أعجبت الشركة المصنعة الأصلية لسيارة السيدان ICE-3 بالأرضيات المركبة الجديدة لدرجة أنها طلبت سقفًا مركبًا ليحل محل هيكل السقف المعدني القديم جزئيًا في عربات السكك الحديدية.

واصل
تستخدم شركة بروتيرا، وهي شركة تصميم وتصنيع للحافلات الكهربائية عديمة الانبعاثات، ومقرها كاليفورنيا، مواد مركبة في جميع هياكلها منذ عام 2009. وفي عام 2017، سجلت الشركة رقما قياسيا من خلال القيادة لمسافة 1100 ميل في اتجاه واحد باستخدام محفزها المشحون بالبطارية. ®E2 الحافلة.تتميز هذه الحافلة بجسم خفيف الوزن مصنوع من قبل الشركة المصنعة للمركبات TPI Composite.

* في الآونة الأخيرة، تعاونت TPI مع Proterra لإنتاج حافلة كهربائية مركبة متكاملة ومتكاملة."في الحافلة أو الشاحنة النموذجية، يوجد هيكل، ويوضع الجسم فوق هذا الهيكل،" يوضح تود ألتمان، مدير التسويق الاستراتيجي في TPI.من خلال تصميم الهيكل الصلب للحافلة، قمنا بدمج الهيكل والجسم معًا، على غرار تصميم السيارة المتكاملة." الهيكل الواحد أكثر فعالية من الهيكلين المنفصلين في تلبية متطلبات الأداء.
تم تصميم هيكل Proterra ذو الغلاف الواحد لهذا الغرض، ومصمم من الصفر ليكون سيارة كهربائية.وقال ألتمان إن هذا تمييز مهم، لأن تجربة العديد من شركات صناعة السيارات وصانعي الحافلات الكهربائية كانت عبارة عن محاولات محدودة لتكييف تصميماتهم التقليدية لمحركات الاحتراق الداخلي مع السيارات الكهربائية."إنهم يأخذون المنصات الحالية ويحاولون تعبئة أكبر عدد ممكن من البطاريات. إنها لا تقدم الحل الأفضل من أي وجهة نظر."" قال ألتمان.
على سبيل المثال، تحتوي العديد من الحافلات الكهربائية على بطاريات في الخلف أو أعلى السيارة.لكن بالنسبة لـ Proterra، فإن TPI قادر على تركيب البطارية أسفل الحافلة.وقال ألتمان: "إذا كنت تضيف الكثير من الوزن إلى هيكل السيارة، فأنت تريد أن يكون هذا الوزن خفيفًا قدر الإمكان، سواء من وجهة نظر الأداء أو من وجهة نظر السلامة".وأشار إلى أن العديد من الشركات المصنعة للحافلات والسيارات الكهربائية تعود الآن إلى لوحة الرسم لتطوير تصميمات أكثر كفاءة واستهدافًا لمركباتها.

أبرمت TPI اتفاقية مدتها خمس سنوات مع Proterra لإنتاج ما يصل إلى 3350 هيكل حافلة مركب في منشآت TPI في ولايتي أيوا ورود آيلاند.

تحتاج إلى تخصيص
يتطلب تصميم هيكل ناقل Catalyst أن تعمل TPI وProterra على الموازنة باستمرار بين نقاط القوة والضعف في جميع المواد المختلفة حتى يتمكنوا من تحقيق أهداف التكلفة مع تحقيق الأداء الأمثل.وأشار ألتمان إلى أن خبرة TPI في إنتاج شفرات الرياح الكبيرة التي يبلغ طولها حوالي 200 قدم وتزن 25000 رطل تجعل من السهل نسبيًا عليهم إنتاج هياكل الحافلات بطول 40 قدمًا والتي تزن ما بين 6000 و10000 رطل.

TPI قادر على الحصول على القوة الهيكلية المطلوبة عن طريق استخدام ألياف الكربون بشكل انتقائي والاحتفاظ بها لتعزيز المناطق التي تتحمل أكبر حمولة.وقال ألتمان: "نحن نستخدم ألياف الكربون حيث يمكنك شراء سيارة بشكل أساسي".بشكل عام، تشكل ألياف الكربون أقل من 10 بالمائة من مادة التعزيز المركبة في الجسم، والباقي عبارة عن ألياف زجاجية.

اختارت TPI راتنجات الفينيل استر لسبب مماثل.وتابع: "عندما ننظر إلى الإيبوكسي، فهو رائع، ولكن عندما تعالجه، عليك رفع درجة الحرارة، لذلك عليك تسخين القالب. إنها تكلفة إضافية".

تستخدم الشركة قالب نقل الراتينج بمساعدة الفراغ (VARTM) لإنتاج هياكل ساندويتش مركبة توفر الصلابة اللازمة لقذيفة واحدة.أثناء عملية التصنيع، يتم دمج بعض التركيبات المعدنية (مثل التركيبات الملولبة وألواح التنصت) في الجسم.يتم تقسيم الحافلة إلى الأجزاء العلوية والسفلية، والتي يتم بعد ذلك لصقها معًا.يجب على العمال لاحقًا إضافة زخارف مركبة صغيرة مثل الهدايا، ولكن عدد الأجزاء يمثل جزءًا صغيرًا من الحافلة المعدنية.

بعد إرسال الجسم النهائي إلى مصنع إنتاج الحافلات Proterra، يتدفق خط الإنتاج بشكل أسرع نظرًا لقلة العمل الذي يتعين القيام به.وأضاف ألتمان: "ليس عليهم القيام بكل أعمال اللحام والطحن والتصنيع، ولديهم واجهة بسيطة للغاية لتوصيل الجسم بمجموعة نقل الحركة".توفر Proterra الوقت وتقلل من النفقات العامة لأن مساحة التصنيع أقل مطلوبة للقشرة الأحادية.

يعتقد ألتمان أن الطلب على هياكل الحافلات المركبة سيستمر في النمو مع تحول المدن إلى الحافلات الكهربائية لتقليل التلوث وخفض التكاليف.وفقًا لشركة Proterra، تتمتع المركبات الكهربائية التي تعمل بالبطارية بأقل تكلفة لدورة حياة التشغيل (12 عامًا) مقارنة بالديزل أو الغاز الطبيعي المضغوط أو الحافلات الهجينة التي تعمل بالديزل.قد يكون هذا أحد الأسباب وراء قول شركة بروتيرا إن مبيعات الحافلات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات تمثل الآن 10% من إجمالي سوق النقل.

لا تزال هناك بعض العوائق أمام التطبيق الواسع للمواد المركبة في جسم الحافلة الكهربائية.الأول هو التخصص في احتياجات عملاء الحافلات المختلفة."ترغب كل هيئة نقل في الحصول على الحافلات بطريقة مختلفة - تكوين المقاعد، وفتحة الباب. إنه تحدٍ كبير لمصنعي الحافلات، ويمكن أن تصل إلينا العديد من عناصر التكوين هذه.""قال ألتمان. "يريد مصنعو الهياكل المتكاملة الحصول على تصميم قياسي، ولكن إذا أراد كل عميل درجة عالية من التخصيص، فسيكون من الصعب القيام بذلك." تواصل TPI العمل مع Proterra لتحسين تصميم الحافلة لإدارة أفضل المرونة المطلوبة من قبل العملاء النهائيين.

استكشاف الاحتمال
تواصل المركبات اختبار ما إذا كانت موادها مناسبة لتطبيقات النقل الجماعي الجديدة.في المملكة المتحدة، تقود شركة ELG Carbon Fibre، المتخصصة في تكنولوجيا إعادة تدوير وإعادة استخدام ألياف الكربون، اتحادًا من الشركات التي تعمل على تطوير مواد مركبة خفيفة الوزن للعربات في سيارات الركاب.تدعم العربة جسم السيارة، وتوجه العجلات وتحافظ على ثباتها.إنها تساعد على تحسين راحة الركوب من خلال امتصاص اهتزازات السكك الحديدية وتقليل قوة الطرد المركزي أثناء دوران القطار.

أحد أهداف المشروع هو إنتاج عربات أخف بنسبة 50 بالمائة من العربات المعدنية المماثلة.يقول كاميل سورا، مهندس تطوير منتجات ELG: "إذا كانت العربة أخف وزنًا، فسوف تسبب ضررًا أقل للمسار، ولأن الحمل على المسار سيكون أقل، يمكن تقليل وقت الصيانة وتكاليف الصيانة".وتتمثل الأهداف الإضافية في تقليل قوى العجلة من الجانب إلى السكة بنسبة 40% وتوفير مراقبة الحالة مدى الحياة.يقوم مجلس معايير ومعايير سلامة السكك الحديدية (RSSB) في المملكة المتحدة بتمويل المشروع بهدف إنتاج منتج قابل للتطبيق تجاريًا.

تم إجراء تجارب تصنيع واسعة النطاق وتم تصنيع عدد من لوحات الاختبار باستخدام مواد التقوية المسبقة من ضغط القالب، والوضع الرطب التقليدي، والتروية، والأوتوكلاف.نظرًا لأن إنتاج العربات سيكون محدودًا، فقد اختارت الشركة مادة الإيبوكسي المعالجة مسبقًا في الأوتوكلاف باعتبارها طريقة البناء الأكثر فعالية من حيث التكلفة.

يبلغ طول النموذج الأولي للعربة بالحجم الكامل 8.8 قدم، وعرضه 6.7 قدم، وارتفاعه 2.8 قدم.إنه مصنوع من مزيج من ألياف الكربون المعاد تدويرها (الوسادات غير المنسوجة المقدمة من ELG) ونسيج ألياف الكربون الخام.سيتم استخدام الألياف أحادية الاتجاه لعنصر القوة الرئيسي وسيتم وضعها في القالب باستخدام التكنولوجيا الروبوتية.سيتم اختيار إيبوكسي ذو خصائص ميكانيكية جيدة، والذي سيكون عبارة عن إيبوكسي مثبط للهب تم تركيبه حديثًا وتم اعتماده EN45545-2 للاستخدام على السكك الحديدية.
على عكس العربات الفولاذية، التي يتم لحامها من عوارض التوجيه إلى عوارض جانبية، سيتم بناء العربات المركبة ذات قمم وقيعان مختلفة يتم ربطها معًا بعد ذلك.لاستبدال العربات المعدنية الموجودة، سيتعين على النسخة المركبة أن تجمع بين أقواس توصيل التعليق والفرامل والملحقات الأخرى في نفس الموضع.وقال سورات: "في الوقت الحالي، اخترنا الاحتفاظ بالتركيبات الفولاذية، ولكن بالنسبة لمزيد من المشاريع، قد يكون من المثير للاهتمام استبدال التركيبات الفولاذية بتركيبات من النوع المركب حتى نتمكن من تقليل الوزن النهائي بشكل أكبر".

يشرف أحد أعضاء اتحاد مجموعة أجهزة الاستشعار والمركبات في جامعة برمنغهام على تطوير المستشعر، والذي سيتم دمجه في العربة المركبة في مرحلة التصنيع.وقال سورا: "ستركز معظم أجهزة الاستشعار على مراقبة الضغط في نقاط منفصلة على العربة، في حين أن أجهزة الاستشعار الأخرى مخصصة لاستشعار درجة الحرارة".ستسمح أجهزة الاستشعار بمراقبة الهيكل المركب في الوقت الفعلي، مما يسمح بجمع بيانات الحمل مدى الحياة.سيوفر هذا معلومات قيمة حول الحمل الأقصى والتعب على المدى الطويل.

تشير الدراسات الأولية إلى أن العربات المركبة يجب أن تكون قادرة على تحقيق التخفيض المطلوب في الوزن بنسبة 50%.ويأمل فريق المشروع أن يكون لديه عربة كبيرة جاهزة للاختبار بحلول منتصف عام 2019.إذا كان أداء النموذج الأولي كما هو متوقع، فسوف ينتجون المزيد من العربات لاختبار الترام الذي تصنعه شركة النقل بالسكك الحديدية ألستوم.

وفقًا لسورات، على الرغم من أنه لا يزال هناك الكثير من العمل الذي يتعين القيام به، تشير المؤشرات المبكرة إلى أنه من الممكن بناء عربة مركبة قابلة للاستخدام تجاريًا يمكنها التنافس مع العربات المعدنية من حيث التكلفة والقوة.وأضافت: "ثم أعتقد أن هناك الكثير من الخيارات والتطبيقات المحتملة للمواد المركبة في صناعة السكك الحديدية".(أعيد طبع المقال من ألياف الكربون وتقنياتها المركبة للدكتور تشيان شين).