Nové materiály v konštrukcii vozidiel

V tomto príspevku si predstavíme deformačný člen z penového hliníka, ktorý je súčasťou zostavy nárazníka železničných vozňov s cieľom pohltenia nárazovej energie pri čelnom náraze bez porušenia konštrukcie nosného rámu.

Deformačný člen je vyrobený z penového hliníka. Penový hliník je materiálom budúcnosti, ktorého štruktúra pripomína penový polystyrén (pozri obr.). Medzi jeho význačné vlastnosti môžeme uviesť vysokú tuhosť a nízku hustotu (0,25 g/cm3, čo predstavuje iba 1/10 v porovnaní s celistvým kovom), schopnosť absorbovať veľké množstvo nárazovej energie nezávisle od smeru nárazu, účinné pohlcovanie hluku, ochranu proti elektromagnetickému žiareniu, tlmenie vibrácií, tepelnú odolnosť a nehorľavosť a v neposlednom rade je aj vysoko ekologický, t.j. recyklovateľný a zdravotne nezávadný.

Štruktúra penového hliníka © ÚMMS SAV, 2008

Medzi typické aplikácie penového hliníka môžeme zaradiť bezpečnostné deformačné zóny dopravných prostriedkov, zdvíhacích (výťahov) a manipulačných zariadení, samonosné tuhé a veľmi ľahké panely pre dopravné a stavebné konštrukcie, nehorľavé stropné a stenové panely so zvýšenou schopnosťou izolovať teplo a hluk, príp. vykurovacie panely, výplne dutých súčiastok zabraňujúce ich zborteniu pri mechanickom zaťažení, odliatky strojov so zvýšenou schopnosťou zvukového a vibračného tlmenia, kryty elektronických prístrojov, slúžiace ako ochrana pred pôsobením elektromagnetického žiarenia.

Hliníková pena sa pripravuje zo zliatiny čistého hliníka a pomocnej prísady hybridu titánu. Táto zliatina sa vkladá priamo do formy (príp. dutej súčiastky), kde pri teplote cca 700 °C vypení a formu dokonale vyplní. Z uvedeného je zrejmé, že týmto postupom je možné vyrábať súčastky ľubovolných tvarov. 

Zostava trúbkového nárazníka s vloženým deformačným členom © Archív autora, 2008

Teraz si predstavíme aplikáciu penového hliníka, ktorá už je zavedená vo výrobe moderných železničných vozňov. Ide deformačný člen, ktorý je súčasťou zostavy nárazníka, resp. sa vkladá medzi základnú dosku (4) klasického trúbkového nárazníka a čelník nosného rámu vozňa (8). Úlohou tohto deformačného člena (9) je pohltenie nárazovej energie v prípade prekročenia povolenej rýchlosti nárazu pri posune. Pri neprimerane silnom náraze sa penový hliník zdeformuje, pričom sa na jeho deformáciu spotrebuje kinetická energia, v dôsledku čoho nedôjde k poškodeniu konštrukcie vagóna. Deformačný člen z penového hliníka s hmotnosťou 1,2 kg dokáže pri nárazovej rýchlosti 8 km/h v priebehu svojej 30 mm dlhej deformačnej dráhy zastaviť 22 tonový vagón bez toho, aby bola prekročená kritická sila a dovolené zaťaženie, čo by spôsobilo trvalú deformáciu rámu vozňa.

Najvýznamnejším prínosom tohto riešenia je teda podstatné zvýšenie ochrany vagónov pred poškodením nárazom pri prekročení posunovacej rýchlosti. Prípadne zdeformovaný člen sa potom ľahko a rýchlo vymení za nový. Škoda, ktorá takto vznikne, je nepatrná v porovnaní s poškodením rámu vozňa, ktorý si vyžaduje dlhotrvajúcu a pomerne náročnú opravu. Keďže k prekročeniu posunovacej rýchlosti dochádza z rôznych príčin pomerne často, deformačný člen významne prispieva k zvýšeniu životnosti vagónov a znižovaniu nákladov na ich opravu. 

Deformačný člen pred a po nárazovej skúške © ÚMMS SAV, 2008

Vyvinutý deformačný člen z penového hliníka je v takejto aplikácii použitý prvýkrát na svete. Po ukončení vývoja a testovania prototypov nasledoval rýchly štart sériovej výroby, ktorá vzhľadom na dlhoročné slovenské know-how v príprave hliníkovej peny prebieha v Bratislave na Ústave materiálov a mechaniky strojov SAV (ďalej ÚMMS SAV). Súčiastky zo Slovenska potom finalizuje firma GLEICH Aluminiumwerk, GmbH, Kaltenkirchen v SRN (pre zaujímavosť fa GLEICH má zastúpenie aj v Česku, ako GLEICH Aluminium, s.r.o, Liberec). Hotový diel sa následne dodáva konečnému zákazníkovi. V prípade potvrdenia výhodnosti použitia sa dá predpokladať jeho zabudovanie do všetkých nových vozňov.

Uvedený produkt už dosiahol aj rad ocenení. Na medzinárodnom sympóziu CELLMET v Drážďanoch v dňoch 8. – 10. októbra 2008 ÚMMS SAV získal prestížnu cenu Application Award za najvýznamnejší prínos pri inovácii výrobku z kovového celulárneho materiálu.

Cena za "Inovatívny čin roka" udelená v Nitre © ÚMMS SAV, 2008

Na nitrianskom výstavisku Agrokomplex sa 25. novembra 2008 počas konferencie Inovácie a rozvoj konkurencieschopnosti slovenského hospodárstva uskutočnilo slávnostné odovzdávanie ocenení, pričom cenu za Inovatívny čin roka 2007 v kategórii „Inovácia produktu“ udelili Ústavu materiálov a mechaniky strojov SAV v Bratislave za nárazník železničných vozňov z penového hliníka. O deformačný člen zostavy nárazníka už teraz prejavili záujem významné spoločnosti vyrábajúce železničné vagóny.

(Obrázky prepublikované s láskavým dovolením riešiteľov projektu.)

Odkazy:

1. Aktuality SAV – Cena za inováciu do SAV
2. Aktuality SAV – Zo SAV po prvý raz na svete ...
3. Ústav materiálov a mechaniky strojov SAV, Bratislava – Penový hliník
4. GLEICH Aluminiumwerk, GmbH, Kaltenkirchen, SRN
5. Antonický, S.: Svet na koľajniciach. Mladé letá, Bratislava, 1987

Titulná snímka: Deformačný člen z penového hliníka © ÚMMS SAV, 2008