研制客运列车用碳纤维转向架
2020年9月9日大卫克罗斯巴伊，艾略特罗斯韦尔，西蒙iwnicki.|还没有评论
艾略特罗斯韦尔,大卫Crosbee和西蒙•Iwnicki来自铁路研究所的同事(IRR)哈德斯菲尔德大学的,讨论的最新发现“CaFiBo”项目,旨在开发一种轻质复合转向架构架,将减少压力铁轨由于滚动接触疲劳和磨损。
图1:测试中的“CaFiBo”转向架。
如先前在全球铁路评论，碳纤维转向架项目（'Cafibo'）目前正在开发乘客列车的碳纤维铁路转向架。该项目的主要目的是降低转向架的质量，并反过来通过使用轻质复合转向架框架来降低轨道损坏和车辆维护成本。该项目联盟已成功设计和制造了与再生和处女碳纤维的组合的180级转向架等效。转向架目前正在哈德斯菲尔德大学的粘附和滚动接触进行大量测试动态试验装置．
由于滚动接触疲劳和磨损，增加的速度和轴负荷，更长的列车和繁忙走廊的交通密度导致轨道上的应力增加。这对安全可靠的铁路运输构成了重大风险，并可能导致更高的维护要求、服务中断和停机时间。CaFiBo轻型转向架框架通过减少轨道上的受力直接解决了这一挑战。转向架的机械性能可以根据需要进行调整，以提供强度，并有可能实现集成悬挂和转向功能。计算机模拟表明,部队在跑道上可以减少40%,减少燃料消耗20%可以达到和光纤应变测量转向架允许内置转向架的状况的连续监测,这也可以显示车辆行驶时的轨道力水平。
CaFiBo项目获得了铁路行业机构——铁路安全和标准委员会(RSSB），遵循竞争性选择过程。通过ELG碳纤维有限公司领导的联盟，已经形成了从制造废物和寿命组分中恢复碳纤维的成本效益手段。联盟的其他成员是：阿尔斯通运输英国有限公司;伯明翰大学的传感器和复合材料;哈德斯菲尔德大学铁路研究所;岩浆结构有限公司Magma Structures Ltd.生产了一些世界上最大的超级游艇和专业碳管的碳复合桅杆，为高度监管的海上行业。
图2:碳纤维转向架与钢质转向架相比，在35年的使用寿命中，一个转向架的二氧化碳排放量减少情况。
CaFiBo项目的关键创新与碳纤维复合结构的使用有关，允许转向架框架的结构特性根据支持和引导车辆的确切要求进行定制。另一项关键创新是使用回收的碳纤维，这些碳纤维来自航空航天和国防工业的过程中产生的废物，这提供了可追溯性和供应安全性，以及成本和可持续性效益。首要的碳纤维被用于生产满足所有功能要求的结构。
已经在几个领域开展了支持创新转向架的研究。一个主要的创新特点是在框架内使用了光纤(由伯明翰大学提供)。Magma Structures Ltd在高端海洋应用中使用了这种技术，它能够实时监测结构的健康状况。光纤结构性能监测系统是基于已知的和经过验证的技术，它正在适应转向架的负载要求。应变测量系统的数据将在测试阶段收集，其输出将用于验证当前的预测模型设计假设，同时该系统将作为在役健康监测系统的基础。
转向架的设计是基于阿尔斯通180级柴油多单元。原型复合转向架的总质量为940公斤，包括所有钢配件共600公斤，与180级传统钢转向架的1468公斤质量相比，这代表了36%的重量节省。如果用碳纤维复合材料替换钢固定装置，将有可能进一步减少重量，这可能会导致总体质量减少60%。
转向架框架由碳复合材料外壳组成，其中包含了大约50%的回收碳纤维的单向碳增强。转向架是使用特殊开发的防火环氧树脂制造的，符合en45545的要求。易燃性测试表明，该材料符合HL3级阻燃要求，即HL2级以上阻燃要求。
整体Cafibo转向架设计基于180级重构的技术规范。这使操作条件，悬架系统布局和悬架部件和车身的接口定义。它由项目团队决定，为了与现有180级转向架进行比较，新的碳纤维转向架应该设计和测试到相同的负载案例。本说明书中定义的测试已从EN 13749中获取。指定的负载反映了用于原始转向架结构设计的负载，如在Alstom计算报告和拖车转向架帧的测试规范中详述的那些。
该复合转向架的试验正在铁路研究所进行(IRR哈德斯菲尔德大学。试验转向架如图1所示。用于驱动试验的载荷案例基于EN 13749“规定转向架框架结构要求的方法”，该方法定义了试验的加载周期。这些情况包括静态荷载情况，润色荷载情况，纵向分流荷载情况和动态/准静态疲劳荷载情况，总共1000万次荷载将应用于框架。IRR的“HAROLD”全尺寸转向架试验台将用于这些试验。HAROLD包括两个50吨的垂直液压执行器，附加的液压执行器用于纵向和横向负载情况，以及用于模拟转向架框架在负载下的扭曲的液压滑块。
Huddersfield大学铁路研究所（IRR）
的IRR开展支持铁路系统的研究，不仅为行业中的具体问题提供切实可行的解决方案，而且对理解铁路安全经济运行所依赖的轮轨相互作用的一些基本机理做出了重要贡献。IRR是英国铁路研究与创新网络的一部分(乌克兰)，在乌克兰，它主办了铁路车辆卓越中心。
一个较轻的转向架给车辆操作员、基础设施经理和更广泛的环境带来好处。对车辆操作人员来说，主要的好处是加速车辆到线路速度所需的能量较低，但也有好处是减少了制动要求，减少了损坏，从而减少了对车辆部件和子系统的维护。对于基础设施管理人员来说，好处主要是由于更轻的轴负荷对轨道造成的损害更小，尽管更大的好处可能是更短的加速和制动距离，以及在网络上关键位置缩短的时间。对更广泛的环境的好处主要是由于降低能源使用减少了碳排放。图2显示了CO的减少2碳纤维转向架框架与钢转向架框架相比，其使用寿命为35年。对于已建造的CaFiBo转向架，这减少了38.8吨CO2每个转向架。但是，如果钢固定装置也是由碳纤维制成的，这将增加到64.7吨的CO2而且，对于包括摆臂在内的完全复合转向架，这增加到了75.3吨的CO2．
项目的下一阶段
一旦实验室测试完成，希望将在后续项目中进行轨道测试，以推动碳纤维转向架概念的接受。预计未来的设计将能够利用这种材料固有的灵活性，潜在地减少对独立悬挂组件的需求。
联盟，一起国家复合材料中心目前正在寻找进一步的融资机会和合作伙伴，以提供一条获得商业认可的途径。通过在实际运行负荷下进行轨道测试，该项目的下一阶段将解决监管审批问题，以及维护和寿命结束的考虑。随着智能设计的应用，本项目将建立指导方针，以指导未来转向架的设计，以满足日益增长的客运轨道需求。
艾略特罗斯韦尔他是哈德斯菲尔德大学铁路研究所(IRR)的一名研究员。他与标准管理机构和其他铁路利益相关者一起工作，并参与铁路行业的各种研究，从轨道磨损到车辆性能和商业工作。
西蒙iwnicki.他是英国皇家工程院院士、哈德斯菲尔德大学铁路工程教授，并担任哈德斯菲尔德大学铁路研究所(IRR)所长。
大卫克罗斯巴伊曾在庞巴迪运输公司担任动力学和悬架工程师，专攻轨道车辆动力学和悬架设计。在哈德斯菲尔德大学(University of Huddersfield)的铁路研究所(IRR)，大卫领导着与铁路车辆设计相关的研究和咨询项目。
