Несущие тросы для электропоездов, способы изготовления и способы для установки
Изобретение относится к несущему тросу для электропоездов и контактной сети для электропоезда, включающей в себя несущий трос для электропоездов. Несущий трос включает армированный волокном композитный несущий элемент и проводящий слой, окружающий армированный волокном композитный несущий элемент, причем проводящий слой содержит медь или медный сплав, причем несущий трос содержит зазор между композитным несущим элементом и проводящим слоем. Армированный волокном несущий элемент предпочтительно имеет высокий предел прочности при растяжении, тем самым уменьшая провисание контактного провода, поддерживаемого несущим тросом. Контактная сеть, использующая несущий трос, позволяет ускорить скорость движения поездов и устранить необходимость в консольных системах, таких как компенсированная анкеровка, для поддержания натяжения контактного провода. 2 н. и 29 з.п. ф-лы, 9 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Настоящее раскрытие относится к области систем электропоездов и компонентам для систем электропоездов, включающих в себя несущие тросы.
Уровень техники
[0002] Несущие тросы используются в контактной сети для элетропоездов для поддержания контактного провода, с которым контактирует пантограф поезда при его движении. Типичный несущий трос включает в себя множество проводящих проводов из меди или медного сплава, накрученных вокруг несущего элемента, выполненного из стали с медным покрытием. Во время использования электрический ток протекает через несущий трос (то есть через медные провода) и передается от несущего троса к контактному проводу. В результате, несущий трос нагревается из-за резистивного нагрева меди. В более жаркие дни температура окружающей среды и солнечная радиация также могут способствовать нагреванию несущего троса, ограничивая способность несущего троса рассеивать тепло. Эти факторы способствуют тепловому расширению несущего троса, что приводит к провисанию несущего троса, что также изменяет высоту контактного провода над железнодорожными путями. Это, в свою очередь, влияет на то, насколько хорошо пантограф находится в контакте с контактным проводом при движении поезда, и влияет на максимальную безопасную скорость поездов.
Сущность изобретения
[0003] Настоящее раскрытие относится к улучшениям конструкции несущего троса. В одном аспекте армированный волокном композитный материал, имеющий низкий коэффициент теплового расширения, используется в качестве несущего элемента для поддержания проводящих проводов, причем проводящие провода содержат медь или медный сплав. В другом аспекте между проводящим слоем и несущим элементом образован промежуток (то есть зазор), при этом проводящий слой содержит провода (например, жилы) из меди или медного сплава. В результате, по существу все натяжение (например, сила натяжения) может передаваться несущему элементу при установке несущего троса, при этом на проводящем слое практически отсутствует натяжение. В другом аспекте проводящий слой содержит жилы проводящего провода со спиральной намоткой (например, жилы медного провода), которые расположены по периферии несущего элемента.
[0004] В одном варианте осуществления настоящее раскрытие направлено на несущий трос электропоезда. Несущий трос электропоезда может содержать армированный волокном композитный несущий элемент и проводящий слой, окружающий армированный волокном композитный несущий элемент, который, например, во время использования физически поддерживается композитным несущим элементом, армированным волокном. Проводящий слой содержит медь или медный сплав. Несущий трос электропоезда может содержать зазор между композитным несущим элементом и проводящим слоем. Проводящий слой может содержать множество спирально намотанных проводящих жил. Например, проводящий слой может содержать множество проводящих медных жил. Армированный волокном композитный несущий элемент может содержать армирующие волокна с высоким модулем упругости при растяжении, такие как армирующие углеродные волокна с высоким модулем упругости при растяжении.
[0005] Несущий трос контактной сети для электропоездов может также содержать изоляционный слой (например, электроизоляционный слой), расположенный между армированным волокном композитным несущим элементом и проводящим слоем. Электроизоляционный слой позволяет предпочтительно предотвратить или по существу уменьшить электрохимические реакции (например, гальванические коррозионные реакции) между несущим элементом и окружающим слоем, содержащим медь или медный сплав. В одном варианте осуществления изоляционный слой содержит по существу непрерывные стеклянные волокна, которые выполнены за одно целое с несущим элементом. В другом варианте осуществления изоляционный слой содержит полимерное покрытие, нанесенное поверх несущего элемента.
[0006] В одной характеристике изобретения армированный волокном композитный несущий элемент имеет коэффициент теплового расширения (КТР), который не больше, чем приблизительно 2×10-6/°C (приблизительно 1,11×10-6/°F). В другой характеристике изобретения предел прочности при растяжении армированного волокном композитного несущего элемента равен по меньшей мере приблизительно 2100 МПа (приблизительно 305 тысяч фунтов на квадратный дюйм). В другой характеристике изобретения модуль упругости при растяжении армированного волокном композитного несущего элемента равен по меньшей мере приблизительно 110 ГПa (приблизительно 15,9 Msi).
Краткое описание чертежей
[0007] На фиг.1 схематично показан вид сбоку простой контактной сети для электропоездов.
[0008] На фиг.2 схематично показан вид сбоку составной контактной сети для электропоездов.
[0009] На фиг.3 показан перспективный вид простой контактной сети для электропоездов.
[0010] На фиг.4 показана компенсированная система постоянного натяжения контактной сети для электропоездов.
[0011] На фиг.5 показан поперечный разрез несущего элемента для несущего троса согласно варианту осуществления настоящего раскрытия.
[0012] На фиг.6 показан поперечный разрез несущего элемента для несущего троса согласно варианту осуществления настоящего раскрытия.
[0013] На фиг.7 показан поперечный разрез несущего троса согласно одному варианту осуществления настоящего раскрытия.
[0014] На фиг.8 показан перспективный вид в разрезе несущего троса согласно одному варианту осуществления настоящего раскрытия.
[0015] На фиг.9 показана схематичная иллюстрация способа изготовления армированного волокном композитного несущего элемента согласно варианту осуществления настоящего раскрытия.
Подробное описание изобретения
[0016] Настоящее раскрытие относится к контактным сетям для электропоездов и, в частности, к несущим тросам, используемым в таких контактных сетях. Настоящее раскрытие также относится к способам изготовления несущих тросов и способам установки несущих тросов.
[0017] Для удобства термин "поезд" и его грамматические формы используются на всем протяжении этого описания для обозначения транспортных средств, которые приводятся в движение при передачи электроэнергии посредством электрических проводов воздушных линий. Однако термин поезд и его грамматические формы используются в данном документе в качестве общих терминов для охвата всех видов поездов (включая пассажирские поезда и грузовые поезда), трамваев, троллейбусов, электропоездов метро, использующих резиновые шины, и других транспортных средств, которые электрифицированы, то есть их питание осуществляется за счет подачи электроэнергии через воздушную электрическую систему.
[0018] На фиг.1 схематично показан вид сбоку простой контактной сети 100 для электропоезда. Питание поезда (не показан) осуществляется электроэнергией, и он движется по рельсам, которые прикреплены к шпалам, лежащим на земле, и находятся под контактной сетью 100. Электроэнергия подается в поезд с помощью контактного провода 104, который контактирует с пантографом поезда при его движении по длине контактного провода 104. Контактный провод 104 поддерживается вдоль своей длины обычно в горизонтальной ориентации несущим тросом 102 (который также упоминается как несущий трос), который расположен выше контактного провода 104 и присоединен к контактному проводу 104 множеством струн 106 (которые также упоминаются как тросовые подвески). Струны 106 соединяют несущий трос 102 с контактным проводом 104 как механически, чтобы обеспечить физическое поддержание контактного провода 104, так) и электрически, чтобы обеспечить подачу электрического тока в контактный провод 102 через струны 106. Таким образом, каждый из несущего троса 102, струны 106 и контактного провода 104 содержит, как правило, медь (то есть медь или медный сплав). Несущий трос 102 поддерживается в различных точках вдоль своей длины с помощью консолей 108, которые прикрепляются к опорным столбам (не показаны). Контактный провод 104 можно также прикрепить к опорным столбам с помощью фиксатора 109, который уменьшает перемещение контактного провода 104.
[0019] На фиг.1 показана в упрощенном виде контактная сеть 100. Существуют другие типы контактных сетей, и настоящее раскрытие также применимо к другим типам контактных сетей для использования с электрифицированным транспортом. Например, некоторые контактные сети могут включать в себя непроводящие поддерживающие провода, которые позволяют несущему тросу поддерживать контактный провод, и отдельные проводящие провода, электрически соединяющие несущий трос и контактный провод.
[0020] В качестве другого примера, на фиг.2 показан схематичный вид сбоку составной контактной сети 200. В этой составной контактной сети 200 несущий трос 202 непосредственно поддерживает вспомогательный несущий трос 210 с помощью множества струн 206. Контактный провод 204 прикреплен к вспомогательному несущему тросу 210 с помощью множества вспомогательных струн 212. Таким образом, несущий трос 202 непосредственно поддерживает вспомогательный несущий трос 210 и косвенно поддерживает контактный провод 204 с помощью вспомогательного несущего троса 210.
[0021] На фиг.3 показан перспективный вид простой контактной сети 300, например, той, которая показана на фиг.1. Простая контактная сеть 300 включает в себя множество опорных столбов 314, которые расположены на определенном расстоянии друг от друга вдоль контактной сети 300. Опорные столбы 314 поддерживают несущий трос 302 с помощью многочисленных консолей 308. Консоли 308 могут быть электрически изолированы от опорных столбов изоляторами 318. Несущий трос 302 вертикально поддерживает контактный провод 304 вдоль контактного провода 304 с помощью множества струн 306. Могут существовать незначительные модификации этой конструкции по всей длине контактного провода 304, например, использование рессорного провода 316 для обхода точки контакта, где консоль 308 поддерживает несущий трос 302.
[0022] В контактных сетях, например, которые показаны на фиг.1-3, контактный провод обеспечивает подачу электроэнергии непосредственно в поезд, движущийся вдоль контактного провода, через пантограф, расположенный на крыше поезда. Пантограф поддерживает контакт с контактным проводом при движении поезда. Электроэнергия подается в контактный провод с помощью несущего троса через струны. Несущий трос, струны и контактный провод должны быть выполнены из высокопроводящего материала. В этих приложениях высокопроводящим материалом является медь, медный сплав или сталь, плакированная медью. Большинство зажимных приспособлений, таких как зажимы для соединения несущего троса, струны и контактного провода, также изготавливается из электропроводных материалов, которые гальванически совместимы с медью.
[0023] Один из недостатков таких систем состоит в том, что высокопроводящая медь и несущий элемент на основе стального сердечника, плакированного медью, несущего троса также имеют относительно высокий коэффициент теплового расширения (КТР). В результате, при повышении температуры несущего троса из-за резистивного нагрева и/или условий окружающей среды (например, в летние месяцы) длина несущего троса увеличивается между концевыми точками крепления несущего троса. Это приводит к провисанию несущего троса (то есть к ослаблению и опусканию в направлении земли). Когда несущий трос провисает, контактный провод также опускается ближе к земле.
[0024] Чтобы решить эту проблему, в настоящее время используются конструкции закрепления, которые пытаются прикладывать постоянное усилие натяжения к несущему тросу и/или к контактному проводу в таких условиях. Общепринятым способом для этого является использование подвесных грузов в системе постоянного натяжения, которая иногда упоминается как компенсированная анкеровка. Такая система схематично показана на фиг.4. Как показано на фиг.4, несущий трос 402 и контактный провод 404 заканчиваются на конечном опорном столбе 414. Первый груз 420a подсоединен к контактному проводу 404 через полиспаст 422a. Аналогичным образом, второй груз 420b подсоединен к несущему тросу 402 через второй полиспаст 422b. Эти грузы 422a/422b тщательно выбираются для того, чтобы обеспечить постоянно натяжение и противодействовать провисанию несущего троса 402 и контактного провода 404 за счет применения полиспаста 422a/422b и поддерживать контактный провод и несущий трос в постоянном натяжении при нагревании и остывании проводов. Однако такие системы являются дорогостоящими для установки и эксплуатации.
[0025] В одном аспекте настоящего раскрытия раскрыт несущий трос, который позволяет устранить необходимость в такой системе постоянного натяжения. Широко охарактеризованный в соответствии с настоящим раскрытием несущий трос может включать в себя один или несколько из следующих признаков: 1) армированный волокном композитный несущий элемент, который спроектирован таким образом, чтобы он имел высокий модуль упругости при растяжении и очень низкий КТР; и/или 2) промежуток или "зазор" между несущим элементом и окружающим проводящим слоем по длине несущего элемента, при этом проводящий слой содержит медь или медный сплав. Эти признаки могут использоваться по отдельности или в сочетании. Таким образом, в одной характеристике изобретения несущий трос содержит армированный волокном композитный несущий элемент. В другой характеристике изобретения несущий трос содержит зазор между несущим элементом и окружающим проводящим медным слоем. В другой характеристике изобретения несущий трос содержит армированный волокном композитный несущий элемент и зазор между несущим элементом, и окружающий проводящий слой содержат медь или медный сплав.
[0026] В одной конкретной характеристике изобретения несущий трос содержит армированный волокном композитный несущий элемент, имеющий высокий модуль упругости при растяжении и очень низкий КТР и зазор между несущим элементом и окружающим проводящим слоем.
Армированный волокном композитный несущий элемент
[0027] Соответственно, в одной характеристике изобретения несущий элемент несущего троса является армированным волокном композитным несущим элементом. На фиг.5 показан вид в поперечном разрезе армированного волокном композитного несущего элемента. Армированный волокном композитный несущий элемент 540 имеет, как правило, круглое поперечное сечение и состоит из композитного материала 542 с армирующими волокнами в связующей матрице.
[0028] Армированный волокном композитный несущий элемент 540, показанный на фиг.5, состоит по существу из композитного материала 542, содержащего армирующие волокна, функционально расположенные (например, распределенные по всей) в связующей матрице. Армирующие волокна (то есть филаменты) могут включать в себя по существу непрерывные филаменты (например, волоконные жгуты) и/или могут включать в себя дискретные волокна (например, короткие волокна). Армирующие волокна могут быть выровнены в пределах связующей матрицы (например, анизотропного композита) или могут быть расположены случайным образом в пределах связующей матрицы (например, изотропического композита). В одной характеристике изобретения армирующие волокна включают в себя по существу непрерывные волокна, например, в виде одного или нескольких удлиненных волоконных жгутов, расположенных по всей смоле связующей матрицы. Волоконный жгут представляет собой пучок по существу непрерывных отдельных филаментов, часто содержащих несколько тысяч отдельных филаментов в одном волоконном жгуте.
[0029] В соответствии с настоящим раскрытием по меньшей мере часть армирующих волокон представляет собой волокна с высоким модулем упругости при растяжении. Волокна с высоким модулем упругости при растяжении определены в данном документе как волокна, имеющие модуль упругости при растяжении по меньшей мере приблизительно 250 ГПa. Например, армирующие волокна с высоким модулем упругости при растяжении могут иметь модуль упругости при растяжении по меньшей мере приблизительно 250 ГПa, например, по меньшей мере приблизительно 275 ГПa, по меньшей мере приблизительно 290 ГПa, по меньшей мере приблизительно 300 ГПa, по меньшей мере приблизительно 310 ГПa и даже по меньшей мере приблизительно 330 ГПa.
[0030] Армирующие волокна с высоким модулем упругости при растяжении могут включать в себя керамические волокна, в том числе оксидные или неоксидные керамические волокна. Примеры неоксидных, армирующих керамических волокон, включают в себя, например, карбидные волокна, такие как кремнийкарбидные волокна (SiC), или нитридные волокна, такие как кремнийнитридные волокна (Si3N4). Примеры металлоксидных волокон включают в себя волокна на основе диоксида циркония (ZrO2), алюмоксидные волокна (Al2O3), алюмосиликатные волокна и алюмоборосиликатные волокна. Конкретными примерами армирующих керамических волокон с высоким модулем упругости при растяжении являются волокна, поставляемые компанией 3M (город Сент-Пол, штат Миннесота, США) под товарным знаком NEXTEL, такие как керамические оксидные волокна 312, 440 и 550 на основе непрерывных филаментов NEXTEL. Хотя эти волокна описаны в данном документе как керамические волокна, будет понятно, что такие волокна могут включать в себя как кристаллические, так и стеклообразные (например, аморфные) фазы материала.
[0031] В одной конкретной характеристике изобретения армирующие волокна с высоким модулем упругости при растяжении содержат углеродные волокна с высоким модулем упругости при растяжении. Неограничивающие примеры углеродных волокон с высоким модулем упругости при растяжении включают в себя углеродные волокна, продаваемые под торговыми знаками T800S, T800H, T1000 или T1000G (Toray Carbon, Carbon Fibers America, Inc., Santa Ana, CA). Другие неограничивающие примеры включают в себя углеродные волокна на основе смолы, такие как Thornel P-55, основанные на подаче волокна (Ситек Инжиниринг Материалс (Cytec Engineering Materials), город Темпи, штат Аризона). Могут также использоваться углеродные волокна на основе PAN. Волокна на основе смолы могут предпочтительно обеспечивать более низкое относительное удлинение по сравнению с другими углеродными волокнами, например, углеродными волокнами с высоким модулем упругости при растяжении, произведенными PAN.
[0032] В некоторых характеристиках армирующие волокна могут также иметь относительно высокий предел прочности при растяжении в дополнение к высокому модулю упругости при растяжении, так что армированный волокном композитный несущий элемент имеет достаточно высокий предел прочности при растяжении, обеспечивающий безопасное использование в несущем тросе для поезда. В одной характеристике изобретения волокна с высоким модулем упругости при растяжении имеют предел прочности при растяжении, равный по меньшей мере приблизительно 4,5 ГПa, такой как по меньшей мере приблизительно 5 ГПa, и даже по меньшей мере приблизительно 6 ГПa или даже по меньшей мере 7 ГПa.
[0033] В одной характеристике изобретения композитный материал 542 состоит по существу из армирующих волокон с высоким модулем упругости при растяжении. Хотя волокна с высоким модулем упругости при растяжении желательны для уменьшения характеристик провисания армированного волокном композитного несущего элемента, такие волокна являются, как правило, более дорогостоящими, чем волокна с низким модулем упругости при растяжении. Поэтому армирующие волокна в композитном материале 542 могут также включать в себя вторичные армирующие волокна, которые отличаются от волокон с высоким модулем упругости при растяжении. Например, вторичные армирующие волокна могут предпочтительно размещаться в пределах композитного материала 542, так что модуль упругости при растяжении армирующих волокон уменьшается в направлении от (то есть радиально от) центральной оси несущего элемента 540. В качестве альтернативы, вторичные армирующие волокна могут тщательно перемешиваться с волокнами с высоким модулем упругости при растяжении по всему объему композитного материала 542.
[0034] Например, вторичные армирующие волокна могут быть выбраны из синтетических волокон или натуральных волокон. В другой характеристике изобретения вторичные армирующие волокна могут быть выбранные из органических волокон или неорганических волокон. Например, вторичные армирующие волокна могут включать в себя углеродные волокна с низким модулем упругости при растяжении (например, графитовые волокна или углеродные нановолокна), арамидные волокна, такие как KEVLARTM, стеклянные волокна (в том числе базальтовые волокна), керамические волокна с низким модулем упругости при растяжении, борные волокна, жидкокристаллические волокна, высокоэффективные полиэтиленовые волокна (например, волокна SPECTRA), стальные волокна (например, стальные проводные филаменты), включая высокоуглеродистые стальные волокна или волокна на основе углеродных нанотрубок.
[0035] В одной характеристике изобретения вторичные армирующие волокна включают в себя углеродные волокна, такие как выбранные из высокопрочных (HS) углеродных волокон и среднемодульных углеродных волокон (IM). Углеродные волокна могут быть изготовлены из предшественников, таких как вискозное волокно, полиакрилонитрил (PAN) или нефтяной пек. Неограничивающие примеры используемых углеродных волокон включают в себя волокна из линейки изделий на основе углеродного волокна ZOLTEK PANEXTM, ZOLTEK PYRONTM, HEXCELTM, TORAYTM, GRAFIL или THORNELTM. Другие примеры углеродных волокон могут включать в себя среди прочего TORAY M46J, TORAY T700 SC-24K, TORAY T700SC-12K, GRAFIL TRH50-18M, 50-Е TR PyroFil или побочные продукты вискозных волокон. Различные типы стеклянных волокон могут также использоваться в качестве вторичных армирующих волокон в армированных волокном композитных несущих элементах. Керамические волокна могут также использоваться в качестве вторичных армирующих волокон в композитных материалах. Вторичные армирующие керамические волокна могут включать в себя, например, карбидные волокна, такие как кремнийкарбидные волокна (SiC), нитридные волокна, такие как кремнийнитридные волокна (Si3N4), металлооксидные волокна, такие как волокна на основе диоксида циркония (ZrO2), алюмооксидные волокна (Al2O3), алюмосиликатные волокна и алюмоборосиликатные волокна. Примерами армирующих керамических волокон являются волокна, поставляемые компанией 3M (рород Сент-Пол, штат Миннесота, США) под товарным знаком NEXTEL, таким как керамические оксидные волокна 312, 440 и 550 на основе непрерывных филаментов NEXTEL. Хотя эти волокна описаны в данном документе как керамические волокна, будет понятно, что такие волокна могут включать как кристаллические, так и стеклообразные (например, аморфные) фазы материала. Кроме того, вторичные армирующие волокна могут представлять собой волокна с высоким модулем упругости при растяжении (например, с модулем упругости при растяжении более чем приблизительно 270 ГПa), при условии, что вторичные армирующие волокна имеют, модуль упругости при растяжении, который меньше, чем модуль упругости при растяжении первых армирующих волокон.
[0036] Таким образом, в одной характеристике изобретения армированный волокном композитный несущий элемент может включать в себя по меньшей мере два типа волокон, то есть первые армирующие волокна с высоким модулем упругости при растяжении и вторичные армирующие волокна, которые отличаются от первых армирующих волокон, с высоким модулем упругости при растяжении.
[0037] Выбранные армирующие волокна должны также иметь относительно низкий КТР с тем, чтобы несущий элемент 540 имел относительно низкий КТР. Например, КТР армирующих волокон может быть не более приблизительно 5×10-6/°C, или даже не более приблизительно 2×10-6/°C, или даже не более приблизительно 1×10-6/°C. В связи с этим армирующие волокна могут иметь отрицательный КТР. Например, известны углеродные волокна, которые имеют отрицательный КТР, то есть длина углеродных волокон незначительно уменьшается с повышением температуры в диапазоне температур, которым подвергается армированный волокном композитный несущий элемент в несущем тросе поезда, например, от приблизительно 28.9°C до приблизительно 93,3°C (от приблизительно -20°F до приблизительно 200°F). Например, армирующее углеродное волокно может иметь КТР от приблизительно -0,3×10-6/°C до приблизительно -1.1×10-6/°C в этом диапазоне температур.
[0038] Таким образом, композитный материал включает в себя армирующие волокна, которые продолжаются по существу непрерывно по длине несущего элемента. Например, композитный материал может включать в себя один или более жгутов армирующих волокон, распределенных в пределах смоляной матрицы. Волоконный жгут представляет собой пучок непрерывных филаментов, где количество отдельных филаментов в волоконном жгуте выражается как его выход (м/кг (ярдов на фунт)) или как его число K. Например, волоконный жгут 12K включает в себя приблизительно 12000 отдельных филаментов. В качестве примера, армированные волокном композитные материалы для несущих элементов могут быть изготовлены путем выбора жгутов углеродных волокон в диапазоне от приблизительно 4K до приблизительно 60K или более.
[0039] Углеродные филаменты можно выбрать таким образом, чтобы они имели диаметр, равный по меньшей мере приблизительно 4 мкм и не более приблизительно 10 мкм, например, чтобы углеродные филаменты имели диаметр по меньшей мере приблизительно 7 мкм и не более приблизительно 8 мкм. Например, керамические филаменты могут иметь диаметр по меньшей мере приблизительно 7 мкм и не более приблизительно 13 мкм. Для других классов армирующих волокон подходящий диапазон размеров может быть определен в соответствии с желаемыми физическими свойствами композитного несущего элемента или на основе требуемых характеристик пропитки или других соображений, описанных ниже. Несмотря на вышеизложенное, настоящее раскрытие не ограничивается каким-либо конкретным диаметром филамента. Например, можно также использовать нанонити (например, углеродные нанонити).
[0040] Объемное отношение армирующего волокна к смоле в композитном материале 542 может составлять по меньшей мере приблизительно 60:40, например, по меньшей мере приблизительно 65:35 или даже по меньшей мере приблизительно 70:30. Хотя обычно желательно, чтобы это соотношение было как можно более высоким, тем не менее нелегко получить отношения, превышающие приблизительно 75:25.
[0041] Композитный материал 542 может также включать в себя дискретные волокна (например, короткие волокна) в сочетании с непрерывными армирующими волокнами. Необязательно, чтобы дискретные волокна были выровнены в пределах связующей матрицы или были сориентированы случайным образом в пределах связующей матрицы. В одной характеристике изобретения дискретные волокна включают в себя углеродные нановолокна (например, дискретные углеродные нановолокна).
[0042] Армирующие волокна расположены в пределах связующей матрицы и связаны ей. Материал связующей матрицы выбирается так, чтобы быть совместимым с волокнами и с предполагаемым применением в качестве армированного волокном композитного несущего элемента для несущего троса. Связующая матрица, в которую встроены армирующие волокна, может включать в себя любой тип неорганического или органического материала, который может функционально встраивать и связывать армирующие волокна в армированный волокном композитный материал 542. В одной характеристике изобретения связующая матрица может предпочтительно включать в себя органический материал, такой как полимер, например, синтетический полимер. В одной характеристике изобретения связующая матрица представляет собой смоляную матрицу, например, матрицу эпоксидной смолы.
[0043] Например, связующая матрица может включать в себя термопластичный полимер, включающий в себя полукристаллические термопласты. Конкретные примеры используемых термопластов включают в себя, но не ограничиваются ими, полиэфирэфиркетон (PEEK), полипропилен (PP), полифениленсульфид (PPS), полиэфиримид (PEI), жидкокристаллический полимер (LCP), полиоксиметилен (POM или ацеталь), жидкокристаллический полимер (PA или нейлон), полиэтилен (PE), фторполимеры и термопластические полиэфиры. Другие примеры полимерных материалов, используемых для связующей матрицы, могут включать в себя фенольные смолы, отверждаемые посредством добавок, например, бисмалеимиды (BMI), полиэфирамиды, различные ангидриды или имиды.
[0044] В одной характеристике изобретения связующая матрица включает в себя термореактивный полимер. Примеры используемых термореактивных полимеров включают в себя, но не ограничиваются ими, бензоксазин, термоотверждающиеся полиимиды (PI), полиэфирамидную смолу (PEAR), фенольные смолы, винилэфирные смолы на основе эпоксидной смолы, полицианатные смолы и цианатные сложноэфирные смолы. В одном примерном варианте осуществления виниловая сложноэфирная смола используется в связующей матрице. Другой вариант осуществления включает в себя использование эпоксидной смолы, такой как эпоксидная смола, которая является продуктом реакции эпихлоргидрина и бисфенола А, диглицидилового эфира бисфенола А (DGEBA).
[0045] Отверждающие агенты (например, отвердители) для эпоксидных смол могут быть выбраны в соответствии с требуемыми свойствами армированного волокном композитного несущего элемента и способа обработки. Например, отверждающие агенты могут быть выбраны из алифатических полиаминов, полиамидов и модифицированных версий этих соединений. В качестве отверждающих агентов можно также использовать ангидриды и изоцианаты.
[0046] Смолу можно также выбрать для обеспечения стойкости к действию широкого спектра агрессивных химикатов и можно выбрать так, чтобы она имела стабильные диэлектрические и изоляционные свойства. Может быть выгодным, чтобы смола соответствовала стандартам по дегазации ASTME595 и стандартам на горючесть пластмасс UL94 и могла работать по меньшей мере периодически при температурах в диапазоне между приблизительно 100°C и 200°C без существенной деструкции (например, тепловой или механической деструкции) армированного волокном композитного материала. Смолу можно также выбрать так, чтобы поддерживать ее целостность в чрезвычайно холодных условиях, таких как -50°C или ниже.
[0047] Смола может также включать в себя компоненты, которые могут помочь в изготовлении и/или улучшить свойства связующей матрицы. Например, система на основе термоотверждаемой эпоксидной смолы для достижения требуемых свойств несущего элемента, а также простоты изготовления композитного материала, может включать катализатор (например, "ускоритель") и/или инициатор, который может быть выбран для облегчения отверждения компонентов эпоксидной смолы в течение короткого периода времени и/или с уменьшенными побочными реакциями, которые могут вызвать растрескивание отвержденной полимерной матрицы. Может быть также желательным, чтобы катализатор был относительно неактивным при низких температурах для увеличения срока годности смолы (например, "времени жизнеспособности смолы") и очень активен при более высоких температурах для увеличения скорости изготовления во время изготовления композитного материала 542. Эпоксидные смолы можно также дополнительно модифицировать с помощью дополнительных средств обработки (например, разделительной смазки для форм и наполнителей), а также с помощью добавок, повышающих производительность, например, для упрочнения или повышения жесткости матрицы, например, с помощью эластомеров, термопластов и т.п.
[0048] На всем протяжении настоящего раскрытия термин "эпоксидная смола" можно использовать для обозначения материала связующей матрицы армированного волокном композитного материала. Однако армированные волокном композитные материалы, охватываемые настоящим раскрытием, не ограничены этим, и должно быть недвусмысленно понятно, что описанные ниже армированные волокном композитные материалы могут включать в себя другие материалы связующей матрицы вместо или в дополнение к эпоксидным смолам.
[0049] Вернувшись к фиг.5, армированный волокном композитный несущий элемент 540 состоит по существу из композитного материала 542 и имеет, как правило, круглое поперечное сечение. Хотя несущий элемент, показанный на фиг.5, имеет по существу круглое поперечное сечение, настоящее раскрытие не ограничено в этом отношении, и будет понятно, что можно также использовать другие поперечные сечения (например, овал). Благодаря тщательному выбору армирующих волокон и матрицы эпоксидной смолы, свойства армированного волокном композитного несущего элемента 540 могут быть достаточными для формирования несущего троса, имеющего набор свойств, которые позволяют устранить сложные системы постоянного натяжения, которые используются в настоящее время, например, те, которые показаны на фиг.4. В одной характеристике изобретения армированный волокном композитный несущий элемент имеет модуль упругости при растяжении, равный по меньшей мере приблизительно 110 ГПa, например, по меньшей мере приблизительно 120 ГПa или даже по меньшей мере приблизительно 130 ГПa, например, по меньшей мере приблизительно 140 ГПa. Модуль упругости при растяжении должен быть как можно более высоким с учетом стоимости и других факторов, таких как наличие материалов с высоким модулем упругости при растяжении для армирующих волокон. В практическом отношении модуль упругости при растяжении армированного волокном композитного несущего элемента не будет как правило превышать приблизительно 200 ГПa.
[0050] Также желательно, чтобы сформированный армированный волокном композитный несущий элемент имел относительно низкий КТР. Например, армированный волокном композитный несущий элемент может иметь абсолютное значение КТР не более приблизительно 2×10-6/°C, например не более приблизительно 1×10-6/°C или даже не более приблизительно 0,8×10-6/°C. Относительно низкий КТР гарантирует, что тепловое расширение армированного волокном композитного несущего элемента (например, в диапазоне от приблизительно -50°C до приблизительно 200°C) не будет существенным образом влиять на провисание несущего троса, и, следовательно, не будет существенным образом влиять на провисание контактного провода.
[0051] Армированный волокном композитный несущий элемент может также иметь относительно высокий предел прочности при растяжении для того, чтобы уменьшить риск разрушения армированного волокном композитного несущего элемента при высокой растягивающей нагрузке. Например, армированный волокном композитный несущий элемент может иметь предел прочности при растяжении по меньшей мере приблизительно 2100 МПа, например, по меньшей мере приблизительно 2150 МПа или даже по меньшей мере приблизительно 2200 МПа. Верхний предел прочности на растяжение зависит от прочности на растяжение доступных армирующих волокон, учитывая такие соображения, как стоимость. В практическом отношении предел прочности при растяжении армированного волокном композитного несущего элемента не будет, как правило, превышать приблизительно 2800 МПа, хотя в будущем могут быть достигнуты более высокие значения предела прочности на растяжение.
[0052] В другой характеристике изобретения армированный волокном композитный несущий элемент будет иметь номинальную прочность на разрыв, которая является относительно высокой. Номинальная прочность на разрыв зависит от прочности на растяжение, рассмотренной выше, и диаметра армированного волокном композитного несущего элемента. Для использования в качестве несущего элемента в несущем тросе для поезда армированный волокном композитный несущий элемент 540 может иметь диаметр по меньшей мере приблизительно 5 мм, такой как по меньшей мере приблизительно 7 мм. Обычно диаметр будет не более приблизительно 14 мм, например, не более приблизительно 12,7 мм, не более приблизительно 11 мм и не более приблизительно 10,5 мм. Номинальная прочность на разрыв армированного волокном композитного несущего элемента может быть равна по меньшей мере приблизительно 80 кН, например, по меньшей мере приблизительно 120 кН или даже по меньшей мере приблизительно 150 кН. Как и в случае предела прочности при растяжении, верхний предел номинальной прочности на разрыв зависит от прочности на растяжение доступных армирующих волокон, принимая во внимание такие соображения, как стоимость. В практическом отношении номинальная прочность на разрыв армированного волокном композитного несущего элемента, как правило, не будет превышать приблизительно 230 кН.
[0053] В другой характеристике изобретения несущий трос включает в себя изолирующий слой, расположенный между композитным материалом и внешним проводящим слоем, например, изоляционным слоем, окружающим композитный материал. Например, изоляционный слой может быть компонентом армированного волокном композитного несущего элемента, такого, который выполнен за одно целое с композитным материалом или иным образом размещен поверх композитного материала во время изготовления армированного волокном композитного несущего элемента. Дополнительные слои материала (например, проводящие слои) могут быть также включены между композитным материалом и внешним проводящим слоем, при условии, что если дополнительный слой материала находится в непосредственном контакте с внешним проводящим слоем (выполненным из меди или медного сплава), материал должен быть совместимым (например, гальванически совместимым) с медью.
[0054] На фиг.6 показан один пример такой конструкции армированного волокном композитного несущего элемента. Армированный волокном композитный несущий элемент 640 включает в себя армированный волокном композитный материал 642, например, описанный подробно выше со ссылкой на фиг.5. Изоляционный слой 644 окружает армированный волокном композитный материал 642, например, расположен вокруг внешней периферии армированного волокном композитного материала 642.
[0055] В одной характеристике изобретения изоляционный слой 644 содержит полимерный материал, например, который наносят на композитный материал в качестве покрытия. В связи с этим электроизоляционный материал, содержащий изоляционный слой 644 может быть полимерным материалом, таким как термопласт. В одной характеристике изобретения электроизоляционный материал выбирается из группы, состоящей из полиимидов, полихлортрифторэтилена (PTFE), фторированного этилен-пропилена (FEP), полиоксиметилена (POM) и полиэфирэфиркетона (PEEK). В конкретной характеристике изобретения электроизоляционный материал содержит полиэфирэфиркетон (PEEK).
[0056] В другой характеристике изобретения изоляционный слой 644 содержит электроизоляционные волокна, такие как изоляционные стеклянные волокна. Например, изоляционные стеклянные волокна могут быть выбраны из волокон на основе A-стекла, B-стекла, C-стекла, D-стекла, E-стекла, H-стекла, S-стекла, AR-стекла, R-стекла или базальта (например, вулканического стекла). Можно также использовать Стекловолокно и параглас. Например, S-2 стекло 758-AB-225, S-2 стекло 758-AB-675; E-стекло 366-AC-250; E-стекло 366-AB-450, E-стекло 366-AB-675 и E-стекло, содержащее базальт, могут быть полезны для изоляционных волокон. В одном примере, стекло, такое как E-стекло, не содержащее бор, используется в качестве изоляционного стеклянного волокна. В другой характеристике изобретения изоляционные стеклянные волокна могут быть выбраны из волокон на основе H-стекла, волокон на основе S-стекла и базальтовых волокон.
[0057] В другой характеристике изобретения изоляционный слой может включать в себя другие типы изоляционных волокон, таких как полимерные изоляционные волокна. Например, изоляционные полимерные волокна могут включать в себя арамидные волокна. Когда по существу непрерывные волокна (например, стеклянные изоляционные волокна или полимерные изоляционные волокна) используются в изоляционном слое 644, волокна могут быть расположены в связующей матрице, такой как смоляная матрица. В одной характеристике изобретения изоляционный слой 644 содержит по существу непрерывные изоляционные волокна в смоляной матрице, которая выполнена за одно целое с композитным материалом 642, например, когда изоляционные волокна и армирующие волокна расположены внутри одной и той же связующей матрицы. В одном альтернативном варианте изоляционные волокна могут быть расположены в связующей матрице, которая отличается от связующей матрицы, используемой в композитном материале 642.
[0058] В еще одной характеристике изобретения изоляционный слой 644 образован из эпоксидной смолы, которая используется в качестве связующей матрицы в композитном материале 642. То есть композитный материал 642 окружен изоляционным слоем 644, который включает в себя связующую матрицу, но не включает армирующие волокна, которые находятся в композитном материале 642. С другой стороны, оболочка из изоляционной эпоксидной смолы выполнена за одно целое с и окружает композитный материал 642, который состоит из армирующих волокон и эпоксидной смолы.
[0059] В любом случае изоляционный слой 644 должен иметь достаточную толщину для надлежащей изоляции композитного материала 642, например, для электрической изоляции композитного материала 642 от электропроводящего слоя, который расположен вокруг армированного волокном композитного несущего элемента 640. В одной характеристике изобретения изоляционный слой 644 имеет толщину, равную по меньшей мере приблизительно 100 мкм (например, когда изоляционный слой содержит полимерное покрытие или связующую матрицу), и в другой характеристике изобретения имеет толщину, равную по меньшей мере приблизительно 0,5 мм (например, когда изоляционный слой содержит изоляционные волокна, которые выполнены за одно целое с композитным материалом, армированным функционально-градиентным волокном). Обычно толщина изоляционного слоя 644 не превышает приблизительно 1 мм.
[0060] В одной конкретной характеристике армированного волокном композитного несущего элемента 640 композитный материал 642 содержит по существу непрерывные углеродные волокна с высоким модулем упругости при растяжении (например, жгуты углеродных волокон) в матрице из эпоксидной смолы, и изоляционный слой 644 содержит по существу непрерывные электроизоляционные стеклянные волокна в одной и той же матрице эпоксидной смолы, то есть, когда композитный материал 642 и изоляционный слой 644 выполнены за одно целое.
Конструкция зазора
[0061] Раскрытый в данном документе несущий трос может также включать в себя конструкцию "с зазором", в которой имеется маленький зазор между несущим элементом и проводящим слоем, то есть между внешней поверхностью несущего элемента и внутренней поверхностью проводящего слоя. Как показано на фиг.7, несущий трос 702 включает в себя несущий элемент 740 и проводящий слой 750, который поддерживается несущим элементом 740. Как показанный на фиг.7 несущий элемент 740 включает в себя композитный материал 742, окруженный изоляционный слоем 744 аналогично конструкции, показанной на фиг.6. Несущий трос 702 выполнен с зазором 760 между проводящим слоем 750 и несущим элементом 740. Хотя он показан как расположенный под несущим элементом 740, следует понимать, что в зависимости от ориентации несущего троса 702 зазор 760 может быть равномерно распределен по всей периферии несущего элемента 740. Зазор 760 может быть пустым (например, содержать воздух). В одной характеристике изобретения зазор 760 между несущим элементом 740 и проводящим слоем 750 заполнен материалом для уменьшения трения между несущим элементом 740 и проводящим слоем 750, таким как термически стабильная смазка.
[0062] Наличие зазора 760 между несущим элементом 740 и проводящим слоем 750 позволяет несущему элементу и проводящему слою перемещаться независимо друг от друга. Таким образом, по существу все натяжение может прикладываться к несущему элементу 740 (например, во время установки несущего троса 702) без существенного натяжения проводящего слоя 750. При использовании в сочетании с армированным волокном композитного несущего элемента, имеющим очень низкий коэффициент теплового расширения, таким как несущий элемент 740, очень низкий коэффициент теплового расширения несущего элемента 740 будет определять провисание в зависимости от температуры несущего троса 702. Это обеспечит почти постоянное натяжение несущего троса 702 при любой температуре, стабилизирует его провисание и улучшит контакт контактного провода с пантографом. Размер зазора может составлять, например, по меньшей мере приблизительно 0,1 мм по всей периферии несущего элемента, например по меньшей мере приблизительно 0,2 мм по всей периферии несущего элемента или даже по меньшей мере приблизительно 0,5 мм по всей периферии несущего элемента. Иными словами, радиус внутренней поверхности проводящего слоя 750 может быть по меньшей мере приблизительно на 0,1 мм больше, чем внешний радиус несущего элемента 740, включая изоляционный слой 744, например, по меньшей мере приблизительно на 0,2 мм или даже на по меньшей мере приблизительно на 0,5 мм больше, чем внешний радиус несущего элемента 740, включая изоляционный слой 744.
[0063] Как показано на фиг.7, несущий трос 702 включает в себя проводящих слоя 750, который содержит множество отдельных проводящих жил 752a и 752b. Проводящие жилы 752a имеют трапецеидальную форму. Проводящие жилы 752a трапецеидальной формы окружены меньшими по диаметру круглыми проводящими жилами 752b. Таким образом, трапецеидальные жилы 752a можно намотать по спирали вокруг несущего элемента 740, и круглые проводящие жилы 752b меньшего диаметра можно намотать по спирали вокруг трапецеидальных жил 752a. Проводящие жилы 752a/752b выполнены из высокопроводящей меди или медных сплавов.
[0064] На фиг.8 показан перспективный вид в разрезе несущего троса 802 в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего раскрытия. Несущий трос 802 включает в себя один армированный волокном композитный несущий элемент 840, который включает в себя армированный волокном композитный материал 842. Примечательно, что несущие тросы, раскрытые в данном документе, могут включать в себя один единственный несущий элемент, в отличие от известных несущих тросов, в которых несущий элемент выполнен из множества намотанных по спирали отдельных стальных жил, плакированных медью. Изоляционный слой 844 (например, стекловолоконный слой) расположен между композитным материалом 842 и проводящим слоем 850. Проводящий слой 850 включает в себя множество отдельных проводящих жил 852, который имеет трапецеидальную форму, например, как описано со ссылкой на фиг.7. Хотя это не показано на фиг.8, несущий трос 802 может также иметь зазор, образованный между проводящим слоем 850 и несущим элементом 840. Кроме того, проводящий слой 850 может также содержать круглые проводящие жилы, намотанные по спирали вокруг трапецеидальных жил, как показано на фиг.7. В качестве альтернативы, жилы электрического провода могут иметь поперечное сечение, которое имеет, в общем, форму буквы "Z", например, когда проводящие жилы переплетены с соседними проводящими жилами.
[0065] В любом случае проводящие 852 жилы выполнены из меди или медного сплава, который преимущественно состоит из меди. Медь, как правило, является более предпочтительной из-за ее очень высокой электропроводности.
Способы изготовления армированных волокнами композитных несущих элементов
[0066] Согласно одной характеристике изобретения армированные волокном композитные несущие элементы могут быть изготовлены с использованием процесса пултрузии. В качестве примера на фиг.9 показана схематичная иллюстрация пултрузионной машины 900, которую можно использовать в способе изготовления армированного волокном композитного материала для несущего элемента. Армирующие волокна обычно выполнены в виде волоконных жгутов, которые расположены на катушках, паковках с вытягиванием по центру или аналогичных устройствах (которые в данном документе обобщенно упоминаются как "катушки") для облегчения непрерывного вытягивания армирующих волокон. Катушки 904 с волокном могут включать в себя волоконные жгуты 902 непрерывной длины, которые имеют длину несколько километров или более, например, 8 километров, 10 километров или свыше 12 километров, тем самым обеспечивая производство армированных волокнами композитных несущих элементов с аналогичной длиной. Как показано на фиг.9, жгуты 902 армирующих волокон можно вытягивать из множества катушек 904 с волокном. В связи с этим многочисленные катушки с волоконными жгутами могут находиться на стойке 906 для обеспечения одновременной подачи многочисленных жгутов армирующих волокон в технологическую установку. В одном примере в стойке 906 могут находиться многочисленные катушки 904 жгутов 902 армирующих волокон, которые одновременно продвигаются через последовательные операции формирования.
[0067] После вытягивания из своей катушки 904, жгуты 902 армирующих волокон могут направляться требуемым образом для пространственного размещения жгутов 902 армирующих волокон. Например, волокна первого типа (например, волокна с высоким модулем упругости при растяжении) можно направить таким образом, чтобы волокна первого типа располагались вблизи центральной оси результирующего армированного волокном композитного материала, и волокна второго типа (например, вторичные волокна) можно направлять таким образом, чтобы волокна второго типа размещались на внешнем участке материала, окружающем внутренний участок материала.
[0068] Катушки 904 с волокном можно выполнить таким образом, чтобы волоконные жгуты 902 подвергались нетангенциальному вытягиванию (например, из паковки с вытягиванием по центру). Предпочтительно, волоконные жгуты 902 могут подвергаться тангенциальному вытягиванию из катушек 904 с волокном, чтобы предотвратить или уменьшить возможность скручивания армирующих волокон, что может негативно влиять на физические свойства несущего элемента. Например, скрученные волокна могут создавать сухие пятна в композитном элементе в результате неполной пропитки армирующих волокон во время последующих этапов пропитки смолой, что приводит к недопрессовке в несущем элементе.
[0069] Жгуты 902 армирующих волокон продвигаются через операции формирования по мере вытягивания. Например, армированный волокном композитный материал 922, выходящий из формы 910 для отверждения, можно вытягивать для продвижения армирующих волокон. Таким образом, жгуты 902 армирующих волокон могут по существу постоянно вытягиваться из катушек 904 с волокном, например, с помощью электродвигателя или любого другого подходящего привода или с помощью системы 930 с возвратно-поступательным движением, как показано на фиг.9. В одной характеристике изобретения натяжением на каждой катушке 904 с волокном можно также управлять независимым образом. Например, раздаточная стойка 906 может включать в себя устройство (например, тормозной механизм), позволяющее регулировать натяжение каждой катушки 904 с волокном. Регулировку натяжения можно использовать для уменьшения образования провисания (узлов) и уменьшения пересечения волоконных жгутов 902 по мере их прохождения через операции формирования. Регулировка натяжения жгутов 902 армирующих волокон может также помочь в процессе пропитки смолой.
[0070] Армирующие волокна подвергают этапу пропитки, в результате чего волоконные жгуты контактируют со смолой (например, с жидкой эпоксидной смолой) для покрытия и пропитки армирующих волокон смолой для того, чтобы образовался пучок волокон, пропитанный смолой. Для нанесения и пропитки волокон смолой можно использовать различные альтернативные технологии, известные в данной области техники. Такие технологии могут включать в себя, например, распыление, погружение, покрытие с обратной стороны, покрытие, наносимое реверсивным валиком. Можно также использовать сухие смолы, такие как сухие термопластические смолы.
[0071] Как показано на фиг.9, волоконные жгуты 902 обеспечивают контакт с жидкой смолой 913 в смоляной ванне 912 путем протягивания жгутов 902 армирующего волокна через смоляную ванну 912 для формирования пучка 914 волокон, пропитанных смолой. Вязкость смолы 913 во время пропитки смолой может влиять на скорость изготовления, то есть скорость, с которой волоконные жгуты 902 можно протягивать через устройства, в которых выполняются технологические операции. Для достижения требуемой пропорции "волокно: смола" для формирования армированного волокном композитного материала для несущего элемента вязкость смолы 913 во время пропитки смолой может составлять, например, по меньшей мере приблизительно 200 сПз и не более приблизительно 10000 сПз при температуре пропитки (например, приблизительно 20°C). После пропитки волоконных жгутов пучок 914 волокон, пропитанных смолой, может подвергаться этапу вытирания для удаления части смолы с волокон. Этап вытирания может быть адаптирован для удаления части смолы, поэтому можно достичь требуемого отношения волокон к смоле в армированном волокном композитном материале. Например, пучок 914 волокон, пропитанных смолой, можно протягивать над или под множеством протирочных стержней 918 для удаления излишней смолы. Излишняя смола, удаленная с пучка 914 волокон, поступает обратно в смоляную ванну 912 для экономии смолы.
[0072] Затем пучок 914 волокон, пропитанных смолой, подвергается этапу отверждения по существу для отверждения смолы с образованием армированного волокном композитного материала 922. Например, этап отверждения может включать в себя пропускание пучка 914 волокон, пропитанных смолой, через одну или более терморегулируемых зон нагрева в форме 910 для отверждения, имеющей отверстие 920 формы для отверждения. Обычно температура зон(ы) нагревания составляет по меньшей мере приблизительно 100°C и не более чем приблизительно 800°C. В одном примере температура управляемых зон нагрева постепенно увеличивается по мере того, как пучок 914 волокон, пропитанных смолой, перемещается через форму 910 для отверждения. Длина формы 910 для отверждения и скорость пучка 914 волокон через форму 910 для отверждения определяют количество времени, в течение которого смола будет подвергаться температуре отверждения. Можно использовать другие способы отверждения, такие как отверждение УФ-излучением, отверждение в потоке электронов и отверждение рентгеновским излучением.
[0073] Армированный волокном композитный материал 922, выходящий из формы 910 для отверждения, может быть подвергнут этапу дополнительного отверждения и этапу охлаждения. Этап дополнительного отверждения может включать в себя, например, поддержание повышенной температуры, например, приблизительно 200°C, в течение определенного периода времени. Охлаждение армированного волокном композитного материала 922 можно достичь путем оставления композитного материала 922 по существу в условиях окружающей среды в течение периода времени, достаточного для охлаждения композитного материала 922 с тем, чтобы его можно было намотать или иным образом разместить на накопительной катушке 926 или аналогичной конструкции для хранения и/или транспортировки.
[0074] Таким образом, армированный волокном композитный материал 922 можно намотать на накопительную катушку 926 (например, транспортировочный барабан) в конце процесса пултрузии для хранения и/или транспортировки композитного материала 922. В одной конфигурации накопительная катушка 926 может иметь размер (например, внутренний диаметр), который является достаточным для удержания по меньшей мере приблизительно 500 метров несущего элемента 922, например, по меньшей мере приблизительно 1 км, по меньшей мере приблизительно 2 км, по меньшей мере приблизительно 5 км и даже по меньшей мере приблизительно 7,5 км. Например, накопительная катушка 926 может быть деревянной накопительной катушкой и может иметь внутренний диаметр, при котором на нее наматывается композитный элемент по меньшей мере приблизительно 0,3 метра, например, по меньшей мере приблизительно 0,5 метра или даже по меньшей мере приблизительно 1 метр.
[0075] Изоляционный слой (например, покрытие) может наноситься вокруг армированного волокном композитного материала. Такой слой материала может быть нанесен перед намоткой армированного волокном композитного материала на накопительную катушку (например, размещение слоя материала можно выполнить за одно целое с процессом пултрузии), или слой материала можно разместить на армированном волокном композитном материале в более поздний период времени, например, после начального размещения армированного волокном композита на накопительной катушке. В связи с этим армированный волокном композитный материал может сниматься с катушки, покрываться слоем материала (например, полимером, таким как PEEK) и затем повторно наматываться на другую накопительную катушку для последующего хранения и транспортировки готового несущего элемента. Когда несущий элемент включает в себя изоляционный слой, содержащий по существу непрерывные стеклянные волокна, стеклянные волокна можно выполнить за одно целое непосредственно в процесс пултрузии, описанном выше, так что стеклянные волокна размещаются в смоле, которая отверждается со смолой, связующей армирующие волокна (с высоким модулем упругости при растяжении).
Установка несущих тросов
[0076] Используя описанную в данном документе конфигурацию(и) несущего троса, можно установить несущий трос в контактной сети таким образом, чтобы соответствующие свойства несущего троса полностью определялись несущим элементом. Для того, чтобы несущий трос проявлял только свойства несущего элемента, проводящий слой не будет нести какую либо растягивающую нагрузку. Диапазон температуры окружающей среды, в котором несущий трос не должен изменять свое натяжение, составляет от приблизительно -30°C до приблизительно 100°C. Таким образом, тепловая точка перегиба несущего троса, которая представляет собой температуру, при которой вся нагрузка снимается с проводящих медных жил, должна опускаться до самой низкой температуры, чтобы обеспечить практически постоянное натяжение в требуемом рабочем диапазоне температур окружающей среды для электропоездов. Поэтому несущий трос должен быть установлен таким образом, чтобы тепловая точка перегиба опускалась до требуемой минимальной температуры окружающей среды. Это гарантирует, что при очень низких температурах (ниже точки замерзания), трос не будет "провисать", что также может изменить высоту контактного провода над железнодорожными путями и может также влиять на безопасно доступную скорость поездов.
[0077] Приведенные выше варианты осуществления несущего троса для электропоездов позволяют устанавливать несущий трос, используя уникальные способы. Например, несущие тросы можно устанавливать в контактной сети таким образом, чтобы по существу все натяжение на несущем тросе прикладывалось бы к несущему элементу и по существу не прикладывалось бы натяжение, непосредственно или косвенно, к проводящему слою. Несущий трос можно также устанавливать без использования противовесов, таких как те, которые показаны на фиг.4, или аналогичных систем, которые раньше требовались для поддержания постоянного натяжения несущего троса, что позволяет снизить капитальные затраты и затраты на эксплуатацию (например, техническое обслуживание).
[0078] В одном варианте осуществления несущий трос можно устанавливать (натягивать) без использования консольной системы.
[0079] Хотя были подробно описаны различные варианты осуществления несущего троса, способы изготовления несущего троса и способы установки несущего троса для электропоездов, очевидно, что модификации и адаптации этих вариантов осуществления будут иметь место для специалистов в данной области техники. Однако следует четко понимать, что такие модификации и адаптации находятся в пределах сущности и объема настоящего раскрытия.
1. Несущий трос для электропоездов, содержащий:
армированный волокном композитный несущий элемент; и
проводящий слой, окружающий армированный волокном композитный несущий элемент, причем проводящий слой содержит медь или медный сплав, причем несущий трос содержит зазор между композитным несущим элементом и проводящим слоем.
2. Несущий трос для электропоездов по п.1, в котором зазор между композитным несущим элементом и проводящим слоем имеет размер по меньшей мере приблизительно 0,5 мм между всей периферией композитного несущего элемента и проводящим слоем.
3. Несущий трос для электропоездов по любому из пп.1, 2, в котором проводящий слой содержит множество спирально намотанных и переплетенных между собой проводящих жил.
4. Несущий трос для электропоездов по любому из пп.1-3, в котором проводящий слой содержит множество медных проводящих жил.
5. Несущий трос для электропоездов по любому из пп.1-4, в котором армированный волокном композитный несущий элемент содержит по существу непрерывные армирующие волокна с высоким модулем упругости при растяжении.
6. Несущий трос для электропоездов по п.5, в котором армирующие волокна с высоким модулем упругости при растяжении имеют модуль упругости при растяжении, равный по меньшей мере приблизительно 275 ГПa.
7. Несущий трос для электропоездов по п.6, в котором армирующие волокна с высоким модулем упругости при растяжении имеют модуль упругости при растяжении, равный по меньшей мере приблизительно 300 ГПa.
8. Несущий трос для электропоездов по любому из пп.1-7, в котором армирующие волокна с высоким модулем упругости при растяжении имеют предел прочности при растяжении, равный по меньшей мере приблизительно 4,5 ГПa.
9. Несущий трос для электропоездов по любому из пп.5-8, в котором армирующие волокна с высоким модулем упругости при растяжении содержат углеродные волокна.
10. Несущий трос для электропоездов по любому из пп.1-9, в котором армированный волокном несущий элемент содержит вторичные армирующие волокна, которые отличаются от армирующих волокон с высоким модулем упругости при растяжении.
11. Несущий трос для электропоездов по любому из пп.5-10, в котором армирующие волокна с высоким модулем упругости при растяжении расположены в полимерной матрице.
12. Несущий трос для электропоездов по п.11, в котором армирующие волокна с высоким модулем упругости при растяжении расположены в термопластичной полимерной матрице.
13. Несущий трос для электропоездов по п.11, в котором армирующие волокна с высоким модулем упругости при растяжении расположены в матрице эпоксидной смолы.
14. Несущий трос для электропоездов по п.11, в котором армирующие волокна с высоким модулем упругости при растяжении расположены в термореактивной полимерной матрице.
15. Несущий трос для электропоездов по любому из пп.5-14, в котором армированный волокном несущий элемент содержит вторичные армирующие волокна, которые отличаются от армирующих волокон с высоким модулем упругости при растяжении.
16. Несущий трос для электропоездов по любому из пп.1-15, в котором несущий трос дополнительно содержит изоляционный слой, расположенный между армированным волокном композитным несущим элементом и проводящим слоем.
17. Несущий трос для электропоездов по п.16, в котором изоляционный слой содержит стеклянный слой.
18. Несущий трос для электропоездов по п.17, в котором стеклянный слой содержит по существу непрерывные стеклянные волокна, которые выполнены за одно целое с несущим элементом.
19. Несущий трос для электропоездов по любому из пп.17 или 18, в котором изоляционный слой имеет толщину, равную по меньшей мере приблизительно 0,5 мм.
20. Несущий трос для электропоездов по п.16, в котором изоляционный слой содержит полимерное покрытие на несущем элементе.
21. Несущий трос для электропоездов по п.20, в котором изоляционный слой имеет толщину, равную по меньшей мере приблизительно 100 мкм.
22. Несущий трос для электропоездов по любому из пп.1-21, в котором армированный волокном композитный несущий элемент имеет модуль упругости при растяжении, равный по меньшей мере приблизительно 110 ГПa.
23. Несущий трос для электропоездов по любому из пп.1-22, в котором армированный волокном композитный несущий элемент имеет коэффициент теплового расширения (КТР), который не больше чем приблизительно 2×10-6/°C.
24. Несущий трос для электропоездов по любому из пп.1-23, в котором предел прочности при растяжении армированного волокном композитного несущего элемента составляет по меньшей мере приблизительно 2100 МПа.
25. Несущий трос для электропоездов по любому из пп.1-24, в котором армированный волокном несущий элемент имеет диаметр, равный по меньшей мере приблизительно 5 мм и не более приблизительно 14 мм.
26. Несущий трос для электропоездов по любому из пп.3-25, в котором проводящие жилы имеют Z-образное поперечное сечение.
27. Контактная сеть для электропоездов, содержащая:
множество опорных конструкций, расположенных на определенном расстоянии друг от друга;
несущий трос, функционально прикрепленный к множеству опорных конструкций; и
электропроводящий контактный провод, функционально расположенный под несущим тросом и поддерживаемый несущим тросом,
где несущий трос представляет собой несущий трос по любому из пп.1-26, и причем по существу все натяжение на несущем тросе прикладывается к несущему элементу.
28. Контактная сеть по п.27, в которой контактный провод прикреплен к несущему тросу с помощью множества струн.
29. Контактная сеть по п.27, в которой контактный провод прикреплен к вспомогательному несущему тросу, и вспомогательный несущий трос прикреплен к несущему тросу.
30. Контактная сеть по любому из пп.27-29, в которой несущий трос прикреплен к опорным конструкциям с помощью множества консолей.
31. Контактная сеть по любому из пп.27-30, в которой контактная сеть не включает в себя компенсированную анкеровку.
