碳纤维的轨道交通新应用：低成本+轻量化+可回收的轨道转向架诞生了
为了增加轨道车辆中碳纤维增强复合结构部件的低成本+轻量化的可行性，主要采用可回收碳纤维的一种原型轨道转向架诞生了！
复合材料结构部件的巨大市场可能会在10年内开放，而可回收碳纤维将会是关键。至少，这似乎是英国工业-学术联合会近完成的原型轨道转向架所带来的希望。转向架是支持轨道车辆并提供牵引和制动的四轮或六轮卡车。
通常，每辆轨道车辆都有两个转向架，两端附近各有一个。转向架原型由英国RSSB（铁路安全标准委员会）资助，代表了三年努力的高潮，包括概念和设计工作，材料测试和鉴定，制造工程以及转向架和组件的制造与标准配件。
转向架主要由可回收碳纤维复合材料制成，但在需要额外强度或刚度的地方补充了原始碳纤维复合材料，是在2019年6月举行的“解锁创新计划-轨道复合材料”活动中两次演讲的主题，并在随后的2019年12月“解锁创新”活动中揭幕。
该联盟由英国达德利科斯利市的ELG碳纤维有限公司发起，现在由ELG公司组成，后者提供再生碳纤维并进行了大部分材料测试;岩浆结构(英国朴茨茅斯)，轨道转向架的设计者和制造者;伯明翰大学(英国伯明翰)与Magma合作为转向架开发了嵌入式健康监测系统；哈德斯菲尔德大学(英国哈德斯菲尔德大学)将在该校的动力测试台上进行原型机的初步全面测试。英国阿尔斯通（伦敦）帮助组建了联盟，并通过咨询和现有的转向架设计信息提供了额外的支持。
过去，至少由于碳纤维的高成本，该市场对复合结构部件的需求已暂停。可回收碳纤维的较低成本已经使规模扩大到足以促使该财团筹集资金重新开始需求复合材料转向架，也许足以使该市场终向转向架开放。仅在英国，就可以在未来10年内为旅客铁路车辆制造约36,000个转向架车架，因此，开拓这一市场无疑是一项值得的努力。
良好应用前景
RSSB对这个项目的兴趣来自英国政府每年在轨道维修和保养方面的数百万英镑的支出。铁路服务提供商通过轨道收费来抵消这一成本，后者是根据轨道车的重量和刚度（两者都会影响轨道的磨损）计算的，但是维护成本仍然会增加。这意味着轨道提供商和服务提供商在经济上都有动机减少铁路车厢的重量，同时优化结构强度和灵活性。采用复合转向架的铁路运营商还将能够通过平衡从较轻的转向架获得的节能与增加有效载荷重量并因此增加每辆轨道车的交付量的机会来优化运营成本。
在结构应用中，一公斤碳纤维增强复合材料通常会替代3公斤钢，因此考虑到带有配件的典型钢制转向架重约1500公斤，轻量化有望大大降低轨道车辆的旅行成本。实际上，根据英国火车的年行驶里程和经通货膨胀调整后的RSSB值的电力和维护成本，估计潜在的年度节省范围从内郊区铁路运输中每公斤节省的重量10.16英镑到高速铁路每公斤可节省105.80公斤的重量。
ELG Carbon Fibre董事总经理Frazer Barnes报告说，该联盟选择了阿尔斯通180级转向架框架作为目标应用，因为它代表了许多转向架框架的设计，具有众所周知的性能，并且可以随时提供与之相连的配件。但是，这些优点也限制了原型的设计。特别是，复合材料转向架上的配件连接点的几何形状必须与其钢制对应部分的几何形状一致，以便适当地合并现有配件和设备。因此，原型设计并没有完全优化以利用复合材料的性能，但这为将来的设计带来了更大的收益。
复杂的转向架-轨道相互作用。有限元分析有助于验证在转向架关键区域承受高应变水平的单向原始碳纤维/环氧树脂薄层的需求和充分性。
较轻的转向架可直接为复合材料版本节省预期的使用成本，因此复合材料具有更大的灵活性。Magma Structures工程总监Damon Roberts解释说，当火车绕弯道行驶时，它会在轨道上施加动力，转向架在协商这些转弯时需要在侧向平面上具有灵活性。优化转向架的旋转（偏航）刚度可有助于将滑轨上的侧向载荷降低多达40％。Roberts指出：“许多复合材料设计的目的都是优化刚度而不是强度。”“在转向架设计中，我们引入了更多的灵活性和足够的强度。”
此外，较轻的转向架应降低悬挂系统的维护成本。实际上，Roberts报告说，在概念设计阶段，设计团队考虑将悬架和转向功能集成到转向架中，这将导致更灵活的主悬架，这将进一步减小铁轨上的侧向力。该计划被证明过于复杂，无法纳入原型，但正在考虑未来的努力。
为可回收碳纤维打造成功案例
随着可回收碳纤维降低复合材料转向架的成本溢价，该联盟的早期任务之一是表征可回收碳纤维增强复合材料的特性，以使铁路利益相关者满意。考虑到轨道行业对复合材料是非结构性内部应用的基本材料的认识，这一特性特别重要。“这是一个非常非常保守的行业，”巴恩斯说，“是正确的。考虑到事故或结构故障的影响，他们非常注重安全。”
为了使该行业相信可回收碳纤维增强复合材料适用于主要结构，该联盟报告了许多物理和机械性能比较。ELG碳纤维已证明，对于复合材料的性能和耐久性至关重要的界面剪切强度在环氧树脂的再生碳纤维和原始碳纤维增强材料之间是可比的。选择用于轨道转向架的再生碳纤维/环氧树脂具有与转向架框架钢相当的拉伸强度。（选择环氧树脂是因为它的适应性，耐用性和易于理解的机械性能。）
减轻经济负担。通过回收利用碳纤维，ELG碳纤维为复合材料设计者和制造商提供了一种成本更低的替代品，这可能有助于为复合材料应用打开新的市场，如此处讨论的轨道转向架。
具体来说，联合企业需要证明回收的碳纤维将满足铁路应用的疲劳和防火性能要求。该财团选择了ELG Carbon Fibre的Carbiso M，这是一种非织造毡，它是用标准模量纤维（强度为4至5 GPa）在环氧基质中制成的。他们证明，回收的碳纤维/环氧树脂的疲劳性能与传统的机织碳纤维层压板相似，并且比结构钢更好。Applied FEA Ltd.（英国南安普敦）进行的有限元分析（FEA）验证了疲劳服务载荷以及出色的静态载荷。
为了获得可接受的防火性能，该财团选择了一种阻燃环氧树脂，该环氧树脂的性能与传统环氧树脂相似。确定如何测试复合材料的防火性能为团队克服了另一个障碍。“标准在那里，但是您如何测试这些标准？” Barnes问。“例如，该标准是否适用于复合层压板的表面或整个材料的深度？我们决定采用保守的方法使所有材料通过防火测试标准。” 该复合材料必须达到欧盟EN 45545-2铁路防火标准下的HL2等级，其中包括火焰蔓延，放热，烟雾密度和烟雾毒性的规范。它达到了更严格的HL3等级。
Design particulars设计细节
Carbiso M可回收碳纤维非织造布是轨道转向架“表面”中使用的主要增强材料，并由Gurit（英国怀特岛的纽波特）预选了环氧树脂。该原型机还采用了由原始的单向碳纤维制成的复合层板，原始碳纤维在0和±45度方向上定位，在这些位置需要额外的强度和刚度，主要是沿着转向架外腿的上，下表面。原始碳纤维复合材料占转向架总复合材料的50％。导致这种组合的设计分析考虑了在三个主要平面（x，y，z）和扭转方向上强度，刚度和安全系数计算的每条腿的复杂相互作用。
转向架加固。原型轨道转向架的主要增强材料是ELG Carbon Fibre的Carbiso M可回收碳纤维非织造布。广泛的材料测试表明，这种增强材料与阻燃环氧树脂相结合，可提供界面剪切强度，疲劳性能，防火性能等，类似于使用纯碳纤维非织造材料的复合材料。在需要额外强度和刚度的区域中，单向原始碳纤维/环氧树脂补充了复合材料。
凭借Magma Structures在利用机器人材料沉积技术建造高压海上复合管（请参见“深海上升的热塑性复合管”）方面的经验，该公司能够采用一些机器人沉积技术来铺设预浸料铺层，随后 通过高压灭菌。罗伯茨报道说，该公司打算在转向架开发过程达到大批量生产阶段时提高机器人沉积的水平。他回忆说：“刚开始这样做时，其主要目标之一就是采用具有成本效益的技术来做到这一点。”
与原始的Alstom 180转向架框架和配件相比，原型机减轻了36％。复合框架本身可节省64％的重量，但原型因油漆和连接钢制配件所需的攻丝板而遭受重量损失-在完全优化的设计中，这种损失可能会大大消除。仅考虑框架，就可减轻590公斤的重量，根据列车的服务类型和里程，每年可节省8,000至62,000英镑的运营成本。此外，每个转向架构架在其整个生命周期内均可减少多达68公吨的二氧化碳排放。
创新产品在发展中
计划于本月进行的全面测试将在哈德斯菲尔德大学的哈德斯菲尔德粘合和滚动接触实验室动力学（HAROLD）试验台上进行。在此测试过程中，光纤监控系统将收集要根据设计和FEA模型进行评估的数据，同时测试将验证监控系统本身是否可以承受强度和疲劳负荷。
HAROLD测试即将到来。哈德斯菲尔德大学的哈德斯菲尔德附着力和滚动接触实验室动力学（HAROLD）测试装置将通过原型复合轨道转向架。在此测试过程中，光纤监控系统将收集要根据设计和FEA模型进行评估的数据，同时测试将验证监控系统本身是否可以承受强度和疲劳负荷。
该联盟接下来将进行更优化的转向架原型的开发和跟踪测试。Magma Structures计划为此现场测试建造两个这样的转向架。Barnes指出，将配件集成到复合结构中可以使每个转向架节省100公斤。他说：“这将使结构更优雅，但制造起来不会明显复杂。”
Roberts认为，未来的发展将沿着与其他复合材料市场类似的道路发展：从金属设计开始，用复合材料替代，然后再充分利用复合材料的异质各向异性特性。
Roberts说：“钢结构通常是根据经验采用均质各向同性的材料设计的。” 随着联盟的前进，他们想采取创新的方法。他说：“低成本，还有轻量化，我们实现了。”
