وزن پیشرفت: چگونه مواد سبک وزن عملکرد ریلی با سرعت بالا را رد می کند

قطارهای با سرعت بالا حمل و نقل مدرن را تغییر داده اند، ارائه یک جایگزین قانع کننده برای سفر هوایی برای مسیرهای متوسط، پشت پوسته های آیرودینامیکی یک تمرکز مهندسی انتقادی است: کاهش توده ای فولاد به مواد پیشرفته سبک وزن نه تنها یک روند است - این یک فعال اساسی سرعت، بهره وری و پایداری است که شبکه های سرعت بالا امروز را تعریف می کند و سرعت مصرف را از طریق کاهش می دهد، و از طریق کاهش بهره وری، و تعمیر و تعمیر و نگهداری از طریق استفاده از طریق استفاده از طریق استفاده از طریق استفاده از مهندسان کل آسانسور، کاهش می کند.

فیزیک کاهش وزن

قانون دوم نیوتن (F = ما) رابطه را ساده می کند: برای دستیابی به همان شتاب با یک شی سنگین تر، نیروی بیشتر - و از این رو انرژی بیشتر - برای یک قطار در سفر با 300 کیلومتر / ساعت، هر کیلوگرم از توده ذخیره شده انرژی خویشاوندی که باید در طول شتاب و تخلیه در طول ساخت و ساز به طور مستقیم کاهش انرژی کشش، به ویژه توقف با راه آهن، و کاهش بار تعمیر و همچنین تنظیم بار های عمودی، کاهش می یابد.

متن تاریخی: از فولاد تا کامپوزیت

قطارهای سریع السیر مانند سری شینکانسن اصلی ژاپن، به شدت به فولاد متکی بودند که در دهه های بعد به وزن تقریبا 62 تن در هر خودرو کمک می کرد، تولید کنندگان آلیاژهای آلومینیوم را معرفی کردند، کاهش وزن ماشین توسط 30-40٪، آخرین نسل قطارها، از جمله N700S Shinkansen و سری Fux چین، شامل پیشرفت های کربن (C) در کاهش سرعت های بیشتر در این رشد و کاهش سرعت هوا.

مواد کلیدی سبک وزن و خواص آنها

چهار خانواده مواد اصلی بر ساخت قطار با سرعت بالا تسلط دارند: آلیاژهای آلومینیوم، کامپوزیت های فیبر کربن، مواد پلیمری و آلیاژهای فولادی پیشرفته که به صورت انتخابی استفاده می شوند، هر کدام تعادل متمایزی از قدرت، سفتی، چگالی و هزینه را ارائه می دهند.

آلومینیوم آلیاژ

آلیاژهای آلومینیوم، به ویژه 5xxx، 6xxx و 7 سری، ستون فقرات بدنه های بدن معاصر قطار هستند، با چگالی تقریبا یک سوم فولاد، آلومینیوم مقاومت خوردگی عالی را فراهم می کند و می تواند به پروفیل های بزرگ و پیچیده ای که شامل دنده های ساختاری، کاهش نیاز به تقویت جداگانه است. N] با این حال سری فولاد جامد [1] برای دستیابی به بدنه سخت افزاری سخت افزاری آن نیاز دارد، در مقایسه با استفاده از یک دیسک بزرگ، در حدود 39، و برش، و برش، در مقایسه با استفاده از یک دیسک های برش، و سفت و سفت و سخت تر از مقدار کم، در مقایسه با استفاده از مقدار کم، و سخت تر از مقدار 939.

کربن کامپوزیت

پلیمر های تقویت شده با فیبر کربن بالاترین نسبت قدرت به وزن هر گونه مواد ساختاری به طور گسترده ای استفاده می شود.در قطارهای با سرعت بالا، CFRP به طور معمول برای اجزایی که بیشترین بهره را از کاهش توده ای دارند، اختصاص می یابد: تراز بندی سقف، پانل های کف، پارتیشن های داخلی و عناصر پیشرو aerodynamic، استاندارد، استاندارد CRAF400 را کاهش می دهد.[۱۰]

مواد و کف های پلیمری

فراتر از اجزای ساختاری، پلیمرها و فوم توده در اتصالات داخلی، عایق و صندلی را کاهش می دهد. Patter و فوم های فنولیک عایق حرارتی و آکوستیک با پروتزها به عنوان کم 40 کیلوگرم / m3 جایگزین شیشه سنگین تر در پنجره های غیر بحرانی جمع آوری می کنند: یک قطار به طور کامل تمیز می تواند چندین تن را بهینه سازی کند.

دانلود بازی Beyond Speed

مزایای ساخت و ساز سبک به حوزه های عملیاتی و زیست محیطی گسترش می یابد که به طور مستقیم بر اقتصاد راه آهن و ادراک عمومی تأثیر می گذارد.

بهره وری انرژی

مطالعات نشان می دهد که کاهش جرم قطار به میزان 10٪ می تواند مصرف انرژی را تا 10٪ کاهش دهد، بسته به مشخصات مسیر و الگوهای عملیاتی، برای یک قطار با سرعت بالا که 800 کیلومتر در روز کار می کند، این به صرفه جویی سالانه برق چند صد مگاوات ساعت در طول عمر 25 ساله خدمات، کاهش انرژی تجمعی می تواند بیش از 7000 مگاوات در هر قطار - هزینه مصرف سالانه بیش از 600 خانوار در اروپا.

دانلود آهنگ های دوستانه Loads

قطارهای روشن تر نیروهای استاتیک و پویا کمتری را در مسیر اجرا می کنند که به ویژه در زیرساخت های میراثی که برای عملیات با سرعت بالا ارتقا یافته اند، بسیار مهم است. توده بدون سرنشین (چرخ، محور، ترمز) اجازه می دهد تا مذاکره سریع تر از منحنی ها بدون محدودیت های قدرت ردیابی، سرعت 320 کیلومتر. TGV داپلد بدن سبک آلومینیوم آن با یک بار سیم کشی معمولی گسترش می یابد.

امنیت و سقوط

مواد سبک مدرن ذاتا ضعیف نیستند؛ آنها مهندسی شده اند تا انرژی تاثیر را از طریق ساختار های تغییر شکل کنترل شده آلومینیوم که با مناطق پر از پیچ و خم طراحی شده اند جذب کنند و ستون های سقوط می توانند نیروهای برخورد را به طور موثر به عنوان فولاد پراکنده کنند - اغلب بهتر، با توجه به اجزای بالاتر انرژی خاص آلومینیوم، هنگامی که همراه با قرار دادن فلز، مقاومت و حفظ یکپارچگی ساختاری در سناریوهای سقوط رول.

چالش های تولید و ملاحظات هزینه

اتخاذ مواد سبک وزن، پیچیدگی های ساخت، پیوستن و بازرسی را معرفی می کند. تکنیک های نقطه- حوله فولادی به طور مستقیم به آلومینیوم منتقل نمی شوند، که نیاز به جوشکاری فشرده، جوشکاری لیزر یا پیوند چسب دارد - پردازش با تحمل کنترل کیفیت پایین تر، فیبر کربن شامل اخراج و درمان خودکار، با زمان چرخه در ساعت های اندازه گیری شده به جای 30 دقیقه، این هزینه های برآورد شده برای مقایسه با یک فولاد.

با این حال، تجزیه و تحلیل هزینه های چرخه عمر اغلب به نفع مواد سبک وزن زمانی که صرفه جویی در انرژی، فواصل نگهداری پیگیری طولانی، و ظرفیت های حمل و نقل بالاتر در سال 2018 در آموزش های با سرعت بالا اروپا، به این نتیجه رسید که کاهش وزن 10٪ توجیه افزایش 12٪ در هزینه های اولیه خرید بر اساس ارزش خالص به عنوان اتوماسیون و فرآیندهای خارج از خودکار، شکاف هزینه انتظار می رود محدود.

بازیافت و پایداری

پایداری یک تمرکز رو به رشد برای تولید کنندگان و اپراتورهای قطار است. آلیاژهای آلومینیوم بسیار قابل بازیافت هستند: تقریبا 75٪ از آلومینیوم تولید شده است در استفاده از امروز. برنامه های بازیافت حلقه بسته برای اکستروژن بدن آموزش توسط سازندگان مانند راه آهن هیتاتا و آلستوم بازیافت فیبر کربن همچنان به چالش کشیدن -pyrolysis یا solvolysis برای بازیابی فیبر بدون تلاش های قابل توجه برای بازیابی سوخت های تولید کربن توسط 90٪ کاهش فشار هدایت شده توسط سوخت های تنظیم کننده + 200،000.

دستورالعمل های آینده: مواد و طراحی نسل بعدی

تحقیقات مداوم به سمت نوآوری های مختلف که وزن بیشتری در هنگام افزایش عملکرد کاهش می یابد، اشاره می کند.

ساختار های فلزی-Composite

ترکیب آلومینیوم یا اسکلت فولادی با پنل های CFRP در یک معماری هیبریدی، مسیر بارگذاری را بهینه می کند. Directus رویکرد - ادغام ساختارهای هسته ای سبک با سطوح عملکردی - ارتقاء می یابد تا وزن مونتاژ را با یک 20٪ اضافی در مقایسه با طرح های تکlithic کاهش دهد.

تولید افزودنی

چاپ 3D با آلیاژهای تیتانیوم و پلیمرهای با عملکرد بالا، براکت های بهینه سازی شده توپولوژی، کانال و فریم های صندلی را که تا 60٪ سبک تر از قطعات معمولی ماشین آلات هستند، فعال می کند. ایرباس و Bombardier قبلا اجزای داخلی تولید شده افزودنی برای هواپیما را نشان داده اند؛ پیاده سازی راه آهن به عنوان استانداردهای تکامل شتاب می دهد.

خود- سانسور و مواد شخصی سازی

سنسورهای فیبر نوری یا میکروکپس حاوی عوامل شفابخش در ساختارهای کامپوزیت می توانند نظارت سلامت در زمان واقعی و تعمیر ترک خودکار را ارائه دهند.این رویکرد نیاز به مواد اضافی، صرفه جویی وزن و بهبود حاشیه ایمنی اثبات شده است.

نتیجه گیری

مواد سبک وزن یک نوآوری واحد نیستند، بلکه یک تکامل مداوم است که توانایی قطار با سرعت بالا را برای سریع تر، تمیزتر و اقتصادی تر، آلیاژهای آلومینیوم، کامپوزیت های فیبر کربن و پلیمرهای پیشرفته که هر کدام نقش در اصلاح کیلوگرم از قطارها دارند، در حالی که با ایمنی و الزامات ایمنی دقیق، پیچیدگی تولید، و بازیافت از طریق فرآیند نوآوری و مواد پیشرفته تر به معنای واقعی کلمه کلیدی، سرعت های بالا را افزایش می دهد - حتی سرعت های مهندسی توده ای را افزایش می دهد.