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越来越轻的轻轨设计

来源:国际复材技术商情 发布时间:2020-05-31 755
塑料橡胶材料处理、计量与检测模具及零件原料及混合物其他其他添加剂及母粒塑料加工设备 技术前沿
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超轻量复合管是一种新颖的轻轨车结构设计,可以降低投资和制造成本,同时减少碳排放。
比同类金属轻得多;在全面生产中具有与金属相当的成本竞争力;模块化设计有助于维修;并且在使用寿命到期时全部可回收利用;减少碳排放和基础设施磨损。英国BRAINSTORM联盟创造了一种非常轻的轻轨车辆框架新型设计,这种框架可以被编织,或者编织成一系列的管道来创建一个原型演示框架。
 
在行业和学术界所提出挑战的推动下——即4C,降低成本、碳排放,提高生产能力和客户满意度——BRAINSTORM合作项目旨在开发并展示编织复合结构在新颖、轻便的模块化轨道车辆解决方案中的适用性。
 
BRAINSTORM项目从2018年初开始持续到2019年年中,由FAR复合材料公司、复合材料编织有限公司(CBL)、运输设计国际公司(TDI)和华威制造集团(WMG)等英国领先创新者提供的专业知识和合作支持。
 
项目合作伙伴TDI、FarUK、CBL和WMG在铁路、汽车、公共汽车和航空航天领域拥有丰富的专业知识和知识,为铁路车辆轻量化提供了一种先进的方法,同时也为开发和创建该行业在英国的供应链提供了重大机遇。这个跨部门项目团队设计、开发和制造了一个原型空间框架,作为超轻轨(VLR)应用的轻量级结构解决方案。
 
该联盟率先采用了新技术,以新技术来部署技术、材料和工艺,并使用由碳纤维复合材料编织而成的连接管来生产车架。该解决方案成功地证明了在保持结构完整性和经济性的同时减轻了重量。
 
BRAINSTORM编织新型梁结构,为轨道车辆制造领域带来了机遇,由英国交通运输部(DfT)支持,并由英国创新局(IUK)资助,作为其“铁路4创新”计划的一部分。
 
 
车架的设计显示了真实尺寸,旁边是一辆非常轻的轨道车辆
 
迎接挑战
 
轻轨制造商努力减轻重量,寻找更轻的材料来替代钢或铝部件,以便使VLR库存更经济地运行,并减少碳排放、钢轨磨损和维护停机时间。先进的复合材料,虽然更轻且应用广泛,但历来被认为是一个昂贵的解决方案,且产能低,只能达到中等产量。此外,铁路部件所需的强度和必须符合相关安全规定,也意味着它们在传统铁路建设中使用有限。
 
随着超轻型铁路运输网络的发展,新的机遇正在涌现,但是解决方案需要具有弹性,以延长使用寿命,易于维修,并提供足够的强度以在发生事故时保护车辆上乘客。
 
考文垂轻轨项目(CoventryVeryLightRail)希望探索先进复合材料技术的开发和应用,以降低生产成本。有轨车辆每公里的成本通常超过8000万英镑,该公司的目标是将成本降低到每公里不到1000万英镑。
 
凭借共同的愿景以及BRAINSTORM项目联盟的综合能力、知识和专长,团队着手确定是否以及如何能够实现以下两点:1)设计和制造轻轨相关结构部件;2)展示复合部件对轻轨和城市轨道部门的潜在效益。
 
共同的创新愿景
 
由于较轻的材料往往不如钢或铝那样坚韧,因此它们不能在轻轨制造中简单地用作这些金属的直接替代品。因此,BRAINSTORM联盟必须考虑基础架构的哪些组件是合适的,哪些组件是安全的,可以用以减轻重量;以及在哪里可以提出一个复合解决方案作为可行的替代方案。讨论和想法范围从基本的功能的解决方案,如扶手,到更复杂的结构和VLR车厢组件。
 
该团队有一个共同的愿景,即利用铁路支持和英国运输部资助的创新来展示独特的创新,并提供切实可行的开发和具有潜力的解决方案。
 
他们决定设计和制造一个管状的“空间框架”底盘——为VLR车厢提供车身外壳和所需的机械性能——并一致认为,这在可用的时间范围内是可能的。
 
由于联盟已经在金属等价物及其应用方面具有相当丰富的集体经验,因此该团队能够很好地理解商业客户的要求、保证和结果,包括适当遵守行业法规。
 
联盟当中的合作伙伴,FAR复合材料公司、复合材料编织有限公司(CBL)能够设计、开发和生产基于编织热塑性塑料技术的体积更大、成本更低的复合材料组件。
 
 
这种编织工艺使用高度自动化的制造技术制造出“袜子状”预制件。所采用的生产方法大大降低了劳动力成本和浪费,并可实现每天1英里以上编织材料的出料率。
 
编织工艺已经被开发出来,以满足汽车工业的成本和规格需求。根据这一经验,该团队估计,在VLR的全面生产中,整个成型周期可以减少到不到5分钟,这表明了这种低成本的工艺在大批量应用中的潜力。这种预测的效率有可能消除未来生产VLR组件和结构的巨大成本。
 
该联盟确定碳纤维结合热塑性基体作为适当的材料解决方案,因为这种合成提供了所需的强度,材料和复合组件都可以非常迅速地加工。
 
空间框架的连接梁被设计成具有一致的外径,但是具有定制的壁厚,以提供最佳的成本/重量和结构性能平衡,这取决于它们在空间框架内的使用位置。这也有助于降低加工成本,并允许所有的连接(通过焊接和粘接组装)标准化。
 
原型空间框架比传统的金属框架轻很多。因此,作为VLR装配过程的一部分,它可以很容易地用手提起。生产过程的效率保证了制造成本是有竞争力的传统方法。这种模块化连接管解决方案的其他优点是,如果由于意外撞击而损坏了单个梁,则可以简单地用新的梁替换损坏的部分。
 
铁路行业的变革者
 
为期15个月的BRAINSTORM项目完成了对编织复合管状空间框架构型的轻轨托架的设计,并全面审查了相关法规要求。此外,有限元分析表明,该结构能够满足现有法规要求;也相对于其金属同类产品进行了评估。
 
FAR复合材料公司的主管LyndonSanders总结道:“参与BRAINSTORM的项目,让FAR复合材料公司团队向前迈出了真正一步。能够利用TDI的行业经验来磨练用于大众运输应用的新型车身结构原理,这为我们提供了绝佳的机会来开发我们的产品。与复合材料编织CompositesBraiding、TDI和WMG的合作,将这种想法转化为一种物理演示,它的实际效果非常强大。现在,对于能够看到它、触摸它、甚至拿起它的业内人士来说,这是一个令人大开眼界的想法。”
 

 

 

 

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