Новости компании Вопросы и ответы
Галерея Статьи и публикации
Главная страница / Статьи и публикации / Композиты экономят топливо грузоперевозчикам

 Композиты экономят топливо грузоперевозчикам 

Статья из журнала "Composites Technology", июнь 2005 года;
Автор: Jared Nelson;
Перевод: Третьяков Павел

 

Разнообразие материалов и технологий производства снижают вес и делают грузовики и трейлеры более экономичными при грузоперевозках.

Учитывая всегда высокие цены на топливо, улучшение эффективности грузовых транспортных средств является первостепенной задачей в индустрии коммерческих грузоперевозок. Так как 75 процентов потребления топлива транспортным средством зависит от его веса, композиты продолжают предоставлять значительные решения для снижения веса. Когда их собственный вес снижен, грузовики в состоянии перевезти больше груза без превышения ограничения в 80 000 фунтов для транспортных средств Класса 8, и требуется меньшее количество поездок, чтобы перевести одно и то же количество груза. В дополнение к легкому весу, композитные компоненты позволяют улучшить аэродинамику и прочность, что в конечном счете снижает расходы на перевозку груза.

 

ОТ РУЧНОГО ФОРМОВАНИЯ К ЗАКРЫТЫМ МАТРИЦАМ

Изначально, замены металла композитами были сделаны в кабинах грузовиков и других больших панелях с профильными формами. Хотя металлическая штамповка была более эффективна, чем ручное формование, после начала производства , компании-производители тяжелых грузовиков получили существенное снижение себестоимости за счет исключения чрезвычайно дорогих штамповочных инструментов. Прогресс был сделан в конце 1980-х годов при использовании компрессионной формовки из листовых материалов SMC (sheet molding compound - композиция для листового формования) для ускорения производства и создания частей, которые обладают более высокими физическими свойствами за счет более высокого содержания волокон. Начиная с этого времени, процесс компрессионного формования был улучшен до такой степени, что автомобильные части Класса А снимаются прямо с матрицы.

 

SMC, BMC & TMC

Компания Meridian Automotive Systems (Dearborn, Mich.) является самым крупным поставщиком материала SMC и композитных частей для промышленности тяжелых грузовиков и в настоящее время является главным поставщиком для компаний Kenworth, Freightliner, Peterbilt, PACCAR, Volvo и Mack. Meridian продолжает производить части с использованием SMC и компрессионного формования, включая капоты, крыши, крылья, козырьки, аэродинамические пакеты и структурные части, используя свои собственные составы SMC. Предоставляя конструкторскую разработку, испытания и утверждение для промышленности, компания интегрирует в свои конструкции SMC средней плотности -специального веса и SMC низкой плотности для снижения веса. Общее снижение веса при использовании этих составов составляет 15-30%. «Мы чувствуем, что одной из наших сильных сторон является способность предоставить клиенту правильный материал и технологию для специфических приложений, принимая во внимание спецификацию производительности, инвестиции, стоимость частей, гарантию и вес», - говорит Дэвид Вайт (David White), вице президент по продажам компании Meridian.

 

Вид сверху кожуха от Premix SMC, установленного на двигатель. Источник: Premix

 

Компания-производитель Premix Inc. (N. Kingsville, Ohio) разработала несколько частей, используя SMC и свой собственный материал - Thick Molding Compound (TMC) (состав для толстослойного формования). TMC является гибридом SMC и объемной композиции для формования (bulk molding compound (BMC)), результатом чего является прочность SMC, но с более удобными характеристиками заполнения матрицы, присущими BMC. Первичное применение TMC от Premix - это формованные инжекцией композитные кулачковые кожухи для пассажирских автомобилей и  легких грузовиков. Premix также поставляет защиты картера, полученные из материала SMC, и крышки клапанов для некоторых производителей двигателей, включая Cummins, CAT и Hyundai. При сравнении металлических частей с композитными, которые эти части заменяют, снижение веса составляет 33%, шумоизоляция и улучшенная стойкость к коррозии являются дополнительными преимуществами. Premix использует стекло от компании Owens Corning (Toledo, Ohio), PPG Industries (Pittsburgh, Pa.) и Saint-Gobain Vertrotex (Valley Forge, Pa.), и смолы от Ashland Specialty Polymers & Adhesives (Columbus, Ohio) и других производителей.

 

КОМПОЗИТНЫЕ СЛИПЕРЫ - СПАЛЬННЫЕ КАБИНЫ

Дизайн тягача был радикально изменен, когда компания Kenworth (Kirkland, Wash.) представила свой T2000 в 1996 году. В дополнении к его гладкому наклонному навесу, в новой конструкции использовался слипер из SMC с аэродинамическими контурами. Из-за более высоких затрат на композитные слиперы, они еще пока не стали стандартным оборудованием. В попытке снизить затраты, компания Meridian и другие компании развивают технологии для производства слиперов, используя SMC и другие легковесные составы.

Компания Western Star, являющаяся подразделением Freightliner (Portland, Ore.), уже предприняла шаги по снижению веса с добавлением функции прохода к своей линейке высококачественных длинномерных грузовиков, используя слипер Stratosphere Sleeper. Stratosphere имеет стеклопластиковый кожух, сделанный компанией Marine Plastics Ltd. (Langley, British Columbia, Canada), который позволяет водителю встать прямо с водительского кресали и пройти в кабину слипера. Marine Plastics использует технологию напыления стеклопластика для формования единого наружного кожуха. Структурные части, полученные инжекцией смолы в закрытую форму, затем крепятся при помощи адгезива от ITW Plexus (Danvers, Mass.), для поддержки козырька. Компания Marine предварительно сверлит и режет каждый козырек, так что каждый из них доставляется на сборочную фабрику Western Star с серийным номером, чтобы устанавливаться на определенный грузовик. По прибытии на сборочную фабрику, козырек крепится к кабине и слиперу при помощи адгезива от Bostik (Bostik Findley Inc., Middleton, Mass.). Контурный подъем наружного кожуха также позволяет снизить сопротивление воздуха, так как действует как аэродинамическое крыло. Сама по себе спальная коробка, сделанная компанией Canadian Commercial Vehicles (Kelonwa, British Columbia), является легкой сэндвич-конструкцией, обладающей алюминиевыми панелями и полипропиленовым сотовым ядром. Комбинация спальник/козырек реализует снижение веса на 386 кг по сравнению с традиционными штампованными и клепанными металлическими конструкциями.

 

Модели  ограниченного элемента (Finite element models) полностью нагруженного GIGA трейлера показали, что величины напряжения ламината коробки трейлера были безопасными под действием критических уровней напряжения.

Плоскостные уровни напряжения наблюдаются (вверху) с слегка верхнего угла, когда коробка деформируется, когда проходит дорожный ухаб, динамически удваивая нагрузку. Высокая нагрузка на растяжение в середине ламината показана красным. Высокая компрессионная нагрузка показана светло-синим цветом, а нулевая нагрузка показана желтым.
    
На нижнем виде те же цвета показывают плоскостные уровни напряжения в срединном ламинате того трейлера (вид с нижней стороны трейлера) при приложении растягивающей нагрузки к поворотному шкворню для моделирования маневров парковки. Источник:  Center for Lightweight Structures

 

ТЕХНОЛОГИЯ LFT И ПОКРАСКА В МАТРИЦЕ

Производитель композитов компания Romeo RIM (Romeo, Mich.) сейчас производит восемь взаимозамыкающихся панелей различных размеров (до 1 м2) для интерьера спальных кабин Freightliner. Панели собираются, а затем крепятся к наружному кожуху аэродинамического крыла тягача.

Для производства панелей Romeo использует преимущества двух относительно недавних формовочных разработок: технология длинного волокна (long fiber technology (LFT)) и техника внутриматричной покраски. Каждая панель сделана с применением технологии RTM (инжекция смолы в закрытую матрицу), используя полиуретановые смолы от Bayer MaterialScience (Pittsburgh, Pa.) для приложения LFT. «Красотой процесса LFT является гибкость», - сказал Джон Гейслер (John Geisler), специалист по маркетингу компании Romeo. «Мы можем специально приспособить ударную прочность к геометрии и  требованиям определенной части путем изменения систем материалов и длин и нагрузок стеклянных волокон».

Процесс LFT от Bayer может включать в себя роботизацию, доступную от компаний Krauss-Maffei (Florence, Ky.), Cannon USA (Cranberry Twp., Pa.) и Hennecke Polyurethane Technology (Lawrence, Pa.). Роботы, поставляемые каждой компанией, похожи: стекловолокно, поставляемое Owens Corning или PPG, рубится и затем добавляется внутрь смесительной головки на руке робота. (Раньше рубка волокна и добавление были двумя отдельными шагами). Рука робота затем позиционирует смесительную головку над поверхностью нижней половины соответствующей металлической матрицы, передвигаясь по специальной, контролируемой компьютером, траектории и отмеряя заданное количество материала из стекла, смешанного с полиуретаном, в полость. Когда весь материал будет уложен, робот передвигается в начальную точку, матрица закрывается и часть отверждается. Эта технология позволяет сократить перерыв между процессами вплоть до 5 минут. Прочность и характеристики эффективности легко настраиваются сменой длины волокна, которая может меняться от 6.4 до 64 мм, хотя на практике длина волокна также ограничивается размером части. Использование более длинного волокна увеличивает прочностные свойства, позволяя компании формовать панели с более тонким сечением для снижения веса. Компания Romeo может выбирать между несколькими различными полиуретановыми системами, в зависимости от требуемых характеристик.  Изменения полиуретановых смол также позволяет реализовать конструкторскую гибкость, так как различные смолы имеют различные прочностные и производственные характеристики. Например, один тип смолы может быть использован для наружной части для улучшения ударной стойкости, в то время как он не будет идеальным для использования в интерьере.

 

Панель LFT, сделанная по технологии RTM (инжекция смолы в закрытую матрицу), сразу после расформовки. Источник: Romeo RIM

 

Шаги по постформовочной обработке не требуются, так как используется текстурированная матрица и краска, сделанная для внутри матричных применений. Производители оснастки вытравливают зернистую структуру на поверхности матрицы (похожую на текстуры, обычно видимые на автомобильных приборных панелях). «Мягкая» краска наносится на поверхность матрицы перед применением пропитанного стекла. Расформованная часть не требует дальнейшей обработки.

Компания Romeo также поставляет внутрикабинные кожухи двигателей для Volvo и бамперные заглушки и крылья для Mack, используя более традиционный процесс RIM. Внутрикабинные кожухи для двигателей снижают передачу тепла  и шум двигателя в кабине, без необходимости установки изоляционного покрытия, и вес снижается на 10% по сравнению с традиционной частью из SMC. Бамперные заглушки  и крылья делаются из уретаново-эластомерной смеси, которая увеличивает прочность. Внутриматричная покраска улучшает адгезию, снижая связанные с столкновением отслаивание и выкрашивание.

 

ОТ КАБИНЫ К ТРЕЙЛЕРУ

Совсем недавно, внимание было привлечено к несущему компоненту автопоезда, к трейлеру. В особенности, производители трейлеров начинают использовать процесс вакуумной инфузии и пултрузии, которые позволяют использовать преимущества непрерывного волокна в управлении нагрузками трейлера. Большая часть улучшений была начата в Европе, частично вследствие увеличений требований к эффективности использования топлива.

Самой последней Европейской разработкой является трейлер Roadlite Lightweight Composite Trailer, результат трехлетних исследований в Англии. Сконструированный компанией Euro-Projects LTTC Ltd. (Rothley, Leicestershire) в кооперации с VT Halmatic (Portsmouth, Hampshire), University of Nottingham (University Park, Nottingham) и Leyland Technical Center (Leyland, Preston), 10-ти метровый плоский формованный трейлер на 25% легче и на 20% жестче, чем обычные конструкции плоских трейлеров. Оснастка была сделана так, чтобы была возможность формования трейлеров различной длины, от 7 до 13.6 метров. К настоящему времени, два прототипа были построены и испытаны и сейчас доступны на рынке. Эти трейлеры имеют 10 м в длину, и сделаны специально для использования в городских условиях. Внедорожная версия длиной 13.6 метров сейчас находится в фазе конструирования.

 

Трейлер Roadlite Trailer с тягачом, частично загруженный. Вид сзади. Источник: Euro-Projects



Вид снизу трейлера Roadlite Trailer с ясно показанными продольными суппортами. Источник: Euro-Projects

 

Трейлер Roadlite производится с использованием трехаксиальной стеклоткани, которая пропитывается под вакуумом полиэфирной смолой (технология вакуумной инфузии). Трехаксиальная ткань 0°, ±45° легко драпируется, хорошо укладывается по контурам, и имеет меньшую деформируемость волокна и меньшее количество областей с концентрацией напряжений, потому как конструкция ткани предотвращает волокна от концентрирования или  разделения, что выражается в появлении зазоров. Euro-Projects работал с RS Technologies, операционным подразделением Resin Systems Inc. (RSI, Calgary, Alberta, Canada), чтобы использовать последнюю версию Version  запатентованной полиуретановой смолы для дальнейшего снижения веса, улучшения ударной стойкости и улучшения покрасочной адгезии. Созданный RSI для замены полиэфирных смол, свободный от летучих компонентов, полиуретан был недавно испытан против образцов полиэфирной смолы, винилэфирной смолы и эпоксидной смолы от Alberta Research Council (Edmonton). В то время, как ни одна смола не показала себя наилучшим образом в каждом тесте, полиуретан превзошел полиэфирную смолу во всех тестах, продемонстрировав почти 1300% большую поперченную прочность. Council также обратил внимание, что у него была лучшая прослойная прочность и однонаправленная и поперечная прочность, чем у винилэфирной смолы, и он и превзошел эпоксидную смолу по пределу прочности на разрыв и модулю ударной стойкости.  По сравнению с полиэфирами, полиуретаны по сообщениям смачивают волокна быстрее, дают меньшую усадку при полимеризации, и при сверлении матрицы имеют меньшую вероятность расщепления. Поэтому части, сделанные с помощью Version, могут иметь меньшее сечение, говорит Милена Радакович (Milena Radakovich), вице президент маркетинга RSI, позволяя инженерам Roadlite снизить толщину стенки части и вес.

В Нидерландах, Talson Transport Engineering (Eindhoven) разработала трейлер GIGA Trailer для использования на рынке авиаперевозок. Помогал Talson консорциум фирм, базирующихся в Голландии, включая производителя грузовых вагонов Vlastuin (Kesteren), Pecocar Holland BV (Abergen), Centre of Lightweight Structures TUD-TNO (CLS, Delft, The Netherlands) и Dutch Trade Organization FOCWA/Cintec.

CLS была вовлечена в разработку конструкции легковесного трейлера более десятилетия и была инструментом в разработке концепции трейлера ColdFeather. Представленный как прототип в феврале 1996 года, композитная структура трейлера усилена почти полностью арамидной тканью, поставляемой Teijin Twaron Products (Arnhem, The Netherlands). Хотя  ColdFeather до сих пор рассматривается, как самый легкий трейлер, разработанный для транспорта охлаждаемых товаров, только один прототип был адаптирован для коммерческого использования. Трейлер GIGA trailer был задуман как модификация, чтобы показать экономическую пригодность концепции ColdFeather, используя менее дорогие материалы.

Трейлер GIGA Trailer основан на закрытой, стойкой к кручению коробочной структуре без рамы шасси, которое означает, что тяжелое шасси и сложные сварные металлические конструкции не требуются, объясняет Альберт Верхеус (Aldert Verheus), управляющий по продажам компании CLS.

Это позволяет реализовать снижение веса вплоть до 25% по сравнению с традиционно производимыми трейлерами. Сконструированный, чтобы перевозить охлажденные грузы воздушным флотом, вес трейлера на 7000 кг меньше, включая его пять объединенных роликовых конвейеров. При сравнении с аналогичными трейлерами, нагрузочный вес в среднем на 2500-3000 кг выше благодаря сниженному весу тары (вес без груза). В дополнение, трейлер обладает возросшей торсионной жесткостью по сравнению с традиционными трейлерами, что помогает снизить износ шин, так как трейлер испытывает меньшие вращения из стороны в сторону при повороте.

Дизайн GIGA Trailer обладает необычной сэндвич-конструкцией, содержащей стеклопластик, алюминий и Domex, сталь высокой прочности, чтобы создать законченные панели, которые затем монтируются в трейлерные боксы и соединяются вместе при помощи соответствующих профилей и адгезивов. Стеклопластиковые кожухи крепятся к ядру Domex при помощи вакуумного стола. При использования моделирования ограниченного элемента (finite element modeling (FEM)), была проделана обширная работа для анализа снижения веса при неизменной прочности и надежности. Полученная конструкция удобно расположила центр тяжести трейлера между осями и поворотным шкворнем. Обычно, секция соединения - там, где монтируется поворотный шкворень - находится под огромными нагрузками при транспортировке. "Благодаря сверх плоской и чрезвычайно легкой секции соединения из стеклокомпозита/стали Domex, общая нагрузка на пятое колесо на сотни килограмм меньше и напряжения снижены из-за увеличившейся жесткости трейлера»,  - говорит Верхеус. CLS пытается установить партнерские отношения в Северной Америке для дальнейшего развития и коммерческого использования.

В США, компания Pacific Northwest National Lab (PNNL, Richland, Wash.) исследует пути снижения веса как тягача, так и трейлера хотя бы на 15-20%. Стратегия PNNL направлена на снижение производственных затрат, возникающих при переработке материалов из длинного или непрерывного волокна, чтобы содействовать более широкому использованию этих технологий производителями тягачей. Этот проект - дублированный "21st Century Truck" - был начат в конце 1990-х годов Департаментом Энергетики США и был продолжен Office of Freedom CAR и Vehicle Technologies. По словам представителя PNNL Марка Смита (Mark Smith), это радикальное снижение веса скажется на необходимости использовать легковесные композиты или гибридные материалы. У проекта был бюджет на 2004 год в размере 14.3 млн. долларов США, комбинация финансирования в основном за счет крупных производителей грузовиков и тяжелого оборудования, и ассигнования от Департамента Транспорта США. Бюджет на 2005 год составляет 13.9 млн. долларов США.

Много производителей уже включают технологию длинных или непрерывных волокон в свои продукты для коммерческих тягачей. «Будущее очень ясно для применений углеродного  волокна на рынке тяжелых грузовиков», - говорит Вайт из Meridian. «Когда общая поставка и потребность в углеволокне стабилизируется, я предсказываю быстрое ускорение в использовании углеродных волокон для структурных и кузовных приложений».

Компания Martin Marietta Composites Inc. (MMC, Raleigh, N.C.) продолжила разрабатывать и производить разновидности конструкций на основе легковесных коммерческих трейлеров, которые MMC лицензировала у Lokeren, Belgium-based Composittrailer NV. Оригинальная конструкция прошла полевые испытания в конфигурациях с открытым верхом/открытым полом и самосвальной конфигурации для промышленности по переработке отходов и была значительно модифицирована для рынка Америки. На шоу грузовиков Louisville Mid-America Truck show в марте этого года, MMC раскрыла новую монококовую самосвальную конструкцию  и новый платформенный трейлер, с анонсом трейлера с открытым полом. В дополнении, был показан корпус грузовика для промышленности измельчения бумаги.

 

Боковой вид полностью композитного плоского трейлера Composittrailer. Источник: Martin Marietta Composites

 

Самосвальный дизайн устраняет почти все Европейские модели шасси, что сказывается на более эффективной структуре. «Наш первичный дизайн был полностью шассийным», - объясняет вице президент MMC Грант Гудвин (Grant Godwin). «Мы теперь в состоянии передвинуться к настоящему монококовому дизайну, в котором полное шасси устранено и бокс сконструирован так, чтобы нести структурные нагрузки".

Самосвальные трейлеры производятся с использованием комбинации намотки, пултрузии и вакуумной инфузии. Самосвальная платформа обладает рамными рельсами, сделанными вакуумной инфузией из Е-стекла, и соединенную короткую алюминиевую платформу в монококе.  Трубчатые поперечные элементы, которые поддерживают эту конструкцию, сделаны при помощи намотки Composittrailer. Стеновые и напольные панели имеют сэндвич-конструкцию из Е-стекла и пены с закрытыми ячейками, сделанные эксклюзивным запатентованным процессом пултрузии компанией Acrosoma (Lokeren, Belgium, div. of Composittrailer). Там, где это необходимо, части соединены или механически скреплены. Creative Pultrusions (Alum Bank, Pa.) и Top Glass (Milan, Italy) поставляют дополнительные пултрузионные профили.

Эти элементы скомбинированы так, чтобы сделать трейлер, который на 28% легче чем традиционные трейлеры. Основываясь на полных ограничениях веса транспортных средств, коммерческие перевозчики, которые используют трейлер от MMC, могут ожидать увеличения объема грузоперевозок на 15%. В дополнение, трейлер лишь слегка деформируется под высокими торсионными нагрузками, что сказывается на лучшем торможении и сцеплении трейлера с дорожным полотном. Поэтому экономия затрат реализуется не только от высокой эффективности использования топлива, но также за счет меньшего износа шин и остановок. Компания Martin Marietta в настоящее время производит полную линию продуктов, которая продается через авторизованную дилерскую сеть.