בשנים האחרונות, עם ההתפתחות המהירה של ענף התחבורה ברכבת, יש יותר ויותר מחקרים על חומרים חדשים לרכבי רכבת, ושיעור החומר החדש גדול יותר ויותר. ביניהם, המחקר והיישום של חומרים מרוכבים סיבים הם הבולטים ביותר. הסיבה לכך היא שחומרים מרוכבים של סיבים יכולים להתבסס על דרישות התכנון, באמצעות בחירה של חומרים מטריצות וחיזוקים שונים, פרופורציות שונות של הפריסה, ושימוש בתהליכי יצירה שונים, שניתן להשיג עם תכונות מקיפות שונות של חומרים חדשים, כגון בידוד חום טוב, עמידות בפני קורוזיה, עמידות בפני שחיקה, מודול סגולי גבוה, חוזק ספציפי גבוה ומאפיינים אחרים, מאפיין זה אינו מסוגל לעמוד בחומר היחיד המסורתי.
בתכנון של רכבי רכבת, נעשה שימוש נרחב בחומרים מרוכבים בחלק הפנימי של כלי רכב, וגם ציוד פנימי וחלקים אחרים של מבנה העומס שימשו במידה מסוימת. לחלקים המבניים העשויים מחומרים מרוכבים יש את היתרונות של חוזק גבוה, קל משקל וקשיחות גבוהה. תהליך הייצור מאמץ בדרך כלל את טכנולוגיית הצורה הכמעט סופית, שאינה זקוקה לעיבוד נוסף ויכולה להוזיל מאוד את עלויות הייצור. היישום של חומרים מרוכבים יכול גם לשפר ביעילות את הנוחות והבטיחות של רכבות, להפחית רעידות ורעש ולהפחית את משקל הגוף. מרוכב סיבים הפך לחומר מפתח הכרחי בתחום המעבר ברכבת.
1
מאפיינים של חומרים מרוכבים סיבים
המודולוס והחוזק הספציפיים של חומרים מרוכבים של סיבי פחמן הם הגבוהים ביותר מבין החומרים הנפוצים, ויש להם יתרונות ברורים בחוזק, קשיחות ורעילות עשן. לחומר ה-FRP החדש יש ביצועים טובים כמעכב בעירה ובידוד קול. ולחומרים מרוכבים ארמיד יש מעכב בעירה, חוזק גבוה, עמידות בטמפרטורה גבוהה, דרגת בידוד גבוהה, עמידות בפני לחות ועמידות בפני קורוזיה, תכונות פיזיקליות וכימיות יציבות. לכל סוגי החומרים המרוכבים יש מאפיינים שונים והם משמשים בחלקי מפתח שונים של רכבות.
2
ניתוח יתרון יישום של חומרים מרוכבים ברכבי רכבת
2.1 תכונות מכניות טובות
החומר המרוכב מגלם את הביצועים המקיפים של חומר המטריצה וחומר החיזוק, עם חוזק גבוה, קל משקל, קשיחות גדולה, הפחתת רעידות ורעש, עמידות בפני עייפות, בידוד חום וביצועים מצוינים אחרים, לעיצוב קל משקל הרכב, משפרים את הבטיחות ולנוחות הרכב יש משמעות רבה.
2.2 לעמוד בדרישות הפיתוח הקלות של רכבי רכבת
בשנים האחרונות, מהירות הפעולה של רכבי מעבר רכבת הולכת וגוברת, מה שמחייב את רכבי הרכבת להגיע לעיצוב קל משקל מבלי להפחית את ביצועי הבטיחות. החומר המרוכב הוא התוכנית היעילה ביותר לרכבי רכבת.
2.3 יכול להפחית את העלות
עם שיפור מהירות הפעולה של מעבר הרכבת, אנשים מקדישים יותר ויותר תשומת לב לעלות התחזוקה ולעלויות התפעול תוך שימת לב לבטיחות ונוחות הרכב. למרות שההשקעה הראשונית בענף המעבר ברכבת היא גדולה, העלות הכוללת של כלי רכב המשתמשים בחומרים מרוכבים גבוהה משמעותית מזו של חומרים רגילים, במיוחד מכיוון שהמחקר והפיתוח של חומרים חדשים ותהליכים חדשים דורשים השקעות אדירות. עם זאת, מחזור הפעולה של מעבר הרכבת הוא ארוך. מנקודת המבט של כל מחזור החיים של כלי רכב, מצד אחד, כלי רכב קלים יכולים להפחית ביעילות את צריכת האנרגיה של כלי רכב ולהפחית את עלויות התפעול. מצד שני, עמידות הרטט, עמידות העייפות, עמידות בפני קורוזיה, סבילות נזקים וספיגת אנרגיית התנגשות של חומרים מרוכבים טובים יותר מזו של חומרי מתכת רגילים, כך שניתן להאריך את מחזור התחזוקה של הרכב, ועלות התחזוקה יכולה להיות להיות מופחת מאוד. לכן, בטווח הארוך, חומרים מרוכבים יכולים להפחית ביעילות את עלות מחזור החיים של כלי רכב.
2.4 בעל יכולת עיצוב חזקה
מודול סגולי גבוה וחוזק ספציפי גבוה הם המאפיינים הבולטים ביותר של חומרים מרוכבים סיבים, וניתן לגוון את התכונות המכניות במגוון רחב. לכן, באמצעות בחירת מטריצה מרוכבת וחיזוק ושינוי תהליך היווצרות החומרים, ניתן לעמוד בדרישות עיצוב שונות. לדוגמה, חוזק המתיחה של סיבי זכוכית יכול להגיע ל-3500MPa ומודול האלסטי הוא 70GPa. חוזק המתיחה של סיבי פחמן בעל מודול גבוה יכול להגיע ל-3900MPa ומודול האלסטי הוא 600GPa. למדו באמצעות ניסויים שניתן למצוא את מבנה השכבות הטוב ביותר בהתאם לדרישות התכנון בתהליך היווצרות של חלקים מבניים על ידי שינוי החומרים המרוכבים בעלי תכונות שונות מאוד של חומרים מטריצות.
2.5 אמינות ואבטחה טובים
הגורמים החשובים ביותר המשפיעים על הבטיחות של חלקי מבנה הם עמידות העייפות ורגישות החומרים לחריצים. בעבר, נעשה שימוש נרחב בחומרים מרוכבים בתחומי מתח גבוה כמו תעופה וחלל, בדיוק בגלל עמידותם המצוינת לעייפות ורגישותם הנמוכה.
למרות שלחומרי מתכת נפוצים יש חוזק סטטי גבוה, חוזקם פוחת באופן משמעותי בתנאי רעידות קשים. לדוגמה, לחלקים מבניים של חומר מתכת יש פער בנקודה מסוימת. תחת רטט ופגיעה (עומס משתנה), הפגמים יתפשטו במהירות עד שייפגעו חלקי המבנה. עם זאת, ההבדל בין חוזק סטטי לחוזק רטט של חומרים מרוכבים הוא כמעט אפסי. גם אם החלקים המבניים מחורצים, הלחץ בחומר יועבר לשכבה הסמוכה ולא ייהרס עקב עומס משתנה ארוך טווח. זו אחת הסיבות שלחלקים מרוכבים יש חיים ארוכים בהרבה מחלקי מתכת.
3
יישום של סיבים מרוכבים ברכבי רכבת
3.1 חומרים מרוכבים של סיבי פחמן
למרות שהמחקר והיישום של חומרי סיבי פחמן החלו מאוחר בסין, הטכנולוגיה התפתחה במהירות בשנים האחרונות, במיוחד בתחום תנועת כלי הרכב. לדוגמה, CRRC Qingdao Sifang Rolling Stock Co., Ltd השתמשה בחומרי סיבי פחמן בתכנון של תא ציוד של רכבת כדורים. עמידות הפגיעה, עמידות בפני קורוזיה ותכונות מכניות של הרכב מובטחות, ומשקל תא הציוד נמוך בכ-35 אחוז מזה של חומר סגסוגת אלומיניום.
3.2 חומרים מרוכבים מסיבי זכוכית
עם הפחתת רעש מעולה ותכונות מעכבי בעירה, ביצועי חוזק מכני וקשיחות בולטים יותר. לכן, הוא משמש לעתים קרובות במושבים של רכבות, כיסוי הראש של תא הנהג וחלקים אחרים.
3.3 חומרים מרוכבים של סיבי ארמיד
בהשוואה לחומרי מתכת מסורתיים, לחומרי ארמיד מרוכבים תכונות מצוינות כגון מעכב בעירה, חוזק גבוה, דרגת בידוד גבוהה, עמידות בפני לחות ועמידות בפני קורוזיה, ותכונות פיזיקליות וכימיות יציבות. הם נמצאים בשימוש מלא במנועים, שנאים ובמצבים אחרים, ויכולים למלא תפקיד טוב בהפחתת משקל הבידוד.
4
סוֹף
היישום של חומרים מרוכבים ברכבי רכבת יהיה נרחב יותר ויותר, במיוחד במבנה מרכב הרכב יש סיכוי טוב ליישום.
