In den letzten Jahren wurde mit der rasanten Entwicklung der Schienenverkehrsindustrie immer mehr nach neuen Materialien für Schienenfahrzeuge geforscht, und der Anteil des neuen Materials wird immer größer. Darunter stehen die Erforschung und Anwendung von Faserverbundwerkstoffen im Vordergrund. Denn Faserverbundwerkstoffe lassen sich anhand der konstruktiven Anforderungen durch die Auswahl unterschiedlicher Matrix- und Verstärkungsmaterialien, unterschiedliche Anteile des Einsatzes und den Einsatz unterschiedlicher Umformverfahren, die mit unterschiedlich umfassenden Eigenschaften neue Werkstoffe erhalten, wie gute Wärmedämmung, Korrosionsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit, hoher spezifischer Modul, hohe spezifische Festigkeit und andere Eigenschaften, kann diese Eigenschaft das herkömmliche Einzelmaterial nicht erfüllen.
Bei der Konstruktion von Schienenfahrzeugen wurden Verbundwerkstoffe im Innenraum von Fahrzeugen weit verbreitet verwendet, und bis zu einem gewissen Grad wurden auch Innenausstattungen und andere Teile der Ladestruktur verwendet. Die aus Verbundwerkstoffen hergestellten Strukturteile haben die Vorteile einer hohen Festigkeit, eines geringen Gewichts und einer hohen Steifigkeit. Der Herstellungsprozess verwendet normalerweise die nahezu endgültige Umformtechnologie, die keine weitere Bearbeitung erfordert und die Herstellungskosten erheblich senken kann. Auch der Einsatz von Verbundwerkstoffen kann den Komfort und die Sicherheit von Schienenfahrzeugen nachhaltig verbessern, Vibrationen und Geräusche reduzieren und das Karosseriegewicht reduzieren. Faserverbundwerkstoffe sind zu einem unverzichtbaren Schlüsselwerkstoff im Schienenverkehr geworden.
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Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen
Der spezifische Modul und die Festigkeit von Kohlefaserverbundwerkstoffen sind die höchsten unter den üblicherweise verwendeten Materialien, und sie haben offensichtliche Vorteile in Bezug auf Festigkeit, Steifheit und Rauchtoxizität. Das neue FRP-Material hat eine gute Leistung als Flammschutzmittel und Schalldämmung. Und Aramid-Verbundwerkstoffe sind flammhemmend, hochfest, hochtemperaturbeständig, hochisolierend, feuchtigkeitsbeständig und korrosionsbeständig, stabile physikalische und chemische Eigenschaften. Alle Arten von Verbundwerkstoffen haben unterschiedliche Eigenschaften und werden in verschiedenen Schlüsselteilen von Schienenfahrzeugen verwendet.
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Anwendungsvorteilanalyse von Verbundwerkstoffen in Schienenfahrzeugen
2.1 Gute mechanische Eigenschaften
Das Verbundmaterial verkörpert die umfassende Leistung des Matrixmaterials und des Verstärkungsmaterials mit hoher Festigkeit, geringem Gewicht, großer Steifigkeit, Vibrations- und Geräuschreduzierung, Ermüdungsbeständigkeit, Wärmeisolierung und anderen hervorragenden Leistungen für die Leichtbauweise des Fahrzeugs, um die Sicherheit zu verbessern und Komfort des Fahrzeugs von großer Bedeutung.
2.2 Erfüllung der Leichtbauanforderungen von Schienenfahrzeugen
In den letzten Jahren wurde die Betriebsgeschwindigkeit von Schienenfahrzeugen immer höher, was erfordert, dass die Schienenfahrzeuge eine Leichtbauweise erreichen, ohne die Sicherheitsleistung zu verringern. Der Verbundwerkstoff ist die effektivste Regelung für Schienenfahrzeuge.
2.3 Kann die Kosten reduzieren
Mit der Verbesserung der Betriebsgeschwindigkeit des Schienenverkehrs achten die Menschen immer mehr auf Wartungs- und Betriebskosten und achten gleichzeitig auf Fahrzeugsicherheit und -komfort. Obwohl die Anfangsinvestitionen in der Schienenverkehrsbranche groß sind, sind die Gesamtkosten von Fahrzeugen, die Verbundwerkstoffe verwenden, erheblich höher als die von gewöhnlichen Materialien, zumal die Erforschung und Entwicklung neuer Materialien und neuer Verfahren zwangsläufig enorme Investitionen erfordern. Der Betriebszyklus des Schienenverkehrs ist jedoch lang. Mit Blick auf den gesamten Lebenszyklus von Fahrzeugen können Leichtbaufahrzeuge einerseits den Energieverbrauch von Fahrzeugen effektiv senken und die Betriebskosten senken. Andererseits sind die Vibrationsbeständigkeit, Ermüdungsbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Schadenstoleranz und Kollisionsenergieabsorption von Verbundmaterialien besser als die von gewöhnlichen Metallmaterialien, sodass der Wartungszyklus des Fahrzeugs verlängert werden kann und die Wartungskosten verlängert werden können stark reduziert werden. Daher können Verbundwerkstoffe langfristig die Lebenszykluskosten von Fahrzeugen effektiv senken.
2.4 Hat eine starke Gestaltungsfähigkeit
Hoher spezifischer Modul und hohe spezifische Festigkeit sind die herausragenden Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen, wobei die mechanischen Eigenschaften in einem weiten Bereich variiert werden können. Daher können durch die Auswahl der Verbundmatrix und -verstärkung und die Änderung des Formungsprozesses der Materialien verschiedene Designanforderungen erfüllt werden. Beispielsweise kann die Zugfestigkeit von Glasfasern 3500 MPa erreichen und der Elastizitätsmodul beträgt 70 GPa. Die Zugfestigkeit von Kohlefaser mit hohem Modul kann 3900 MPa erreichen und der Elastizitätsmodul beträgt 600 GPa. Durch Experimente wurde gelernt, dass der beste Schichtaufbau entsprechend den Designanforderungen im Umformprozess von Strukturbauteilen gefunden werden kann, indem die Verbundwerkstoffe mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften von Matrixmaterialien verändert werden.
2.5 Gute Zuverlässigkeit und Sicherheit
Die wichtigsten Faktoren für die Sicherheit von Bauteilen sind die Ermüdungsfestigkeit und Kerbempfindlichkeit von Werkstoffen. Früher wurden Verbundwerkstoffe in hochbeanspruchten Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt weit verbreitet eingesetzt, gerade wegen ihrer hervorragenden Ermüdungsbeständigkeit und geringen Kerbempfindlichkeit.
Obwohl gewöhnliche Metallmaterialien eine hohe statische Festigkeit aufweisen, nimmt ihre Festigkeit unter starken Vibrationsbedingungen erheblich ab. Zum Beispiel haben Strukturteile aus Metallmaterial an einer bestimmten Stelle einen Spalt. Unter Vibration und Stoß (Wechselbelastung) breiten sich die Defekte schnell aus, bis die Strukturteile beschädigt sind. Der Unterschied zwischen statischer Festigkeit und Vibrationsfestigkeit von Verbundwerkstoffen ist jedoch nahezu Null. Auch wenn die Bauteile gekerbt sind, werden die Spannungen im Material auf die angrenzende Schicht übertragen und nicht durch dauerhaft wechselnde Belastung zerstört. Dies ist einer der Gründe, warum Verbundwerkstoffteile eine viel längere Lebensdauer haben als Metallteile.
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Anwendung von Faserverbundwerkstoffen in Schienenfahrzeugen
3.1 Kohlefaserverbundwerkstoffe
Obwohl die Erforschung und Anwendung von Kohlefaserwerkstoffen in China erst spät begonnen hat, hat sich die Technologie in den letzten Jahren vor allem im Bereich des Fahrzeugverkehrs rasant entwickelt. Zum Beispiel verwendete CRRC Qingdao Sifang Rolling Stock Co., Ltd. Kohlefasermaterialien bei der Konstruktion einer Ausrüstungskabine eines Hochgeschwindigkeitszugs. Die Stoßfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und mechanischen Eigenschaften des Fahrzeugs sind garantiert, und das Gewicht der Gerätekabine ist etwa 35 Prozent geringer als das von Aluminiumlegierungsmaterial.
3.2 Glasfaserverbundwerkstoffe
Mit ausgezeichneter Geräuschreduzierung und flammhemmenden Eigenschaften ist die mechanische Festigkeit und das Steifigkeitsverhältnis hervorragender. Daher wird es häufig in den Sitzen von Schienenfahrzeugen, der Kopfbedeckung des Führerstands und anderen Teilen verwendet.
3.3 Aramidfaserverbundwerkstoffe
Im Vergleich zu herkömmlichen Metallmaterialien haben Aramid-Verbundwerkstoffe hervorragende Eigenschaften wie Flammschutz, hohe Festigkeit, hohe Isolationsqualität, Feuchtigkeitsbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit sowie stabile physikalische und chemische Eigenschaften. Sie werden vollständig in Motoren, Transformatoren und anderen Positionen eingesetzt und können eine gute Rolle bei der Reduzierung des Isolationsgewichts spielen.
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Ende
Die Anwendung von Verbundwerkstoffen in Schienenfahrzeugen wird immer umfangreicher, insbesondere im Fahrzeugaufbau hat eine gute Anwendungsperspektive.
