Demiryollarında Kompozit Kullanımı
Kompozit malzemeler aynı zamanda bileşim malzemesi olarak da adlandırılabilir ve makroskopik düzeyde bir araya getirilmiş benzer veya farklı özelliklere sahip iki veya daha fazla malzemenin bir kombinasyonudur.
Kompozitler otomotiv, ulaşım, havacılık, uzay, vb. birçok sektörde kullanılmakta ve bu sektörler kompozitlerin sundukları üstün özelliklerden yararlanmaktadırlar. Özellikle karmaşık ve hafif yapıların tasarlanmasında yüksek mukavemet oranına sahip kompozit malzemeler sıklıkla tercih edilmektedir.
Tercih edilen sektörler arasında demiryolu da gelmektedir. Çeşitli malzemelerin takviyeleriyle oluşturulan kompozitlere istenilen özellik verilebilmekte ve bu anlamda her sektör için kullanılan kompozit malzeme değişmektedir.
Demiryolu sektöründe ise Elyaf Takviyeli Polimer (FRP) kompozitlerden sıklıkla yararlanılmaktadır. Kullanıldığı alanlar çoğunlukla; boji çerçeveleri, zemin malzemeleri, traversler, makaslar, geçitler ve diğer iç parçalardır.
Kompozitler temel olarak iki kısımdan oluşur, bunlar takviye ve matristir. Matris fazı, iki veya daha fazla elyaf arasında yapışkan bir yapı gösterir, ayrıca bir yük aktarım ortamı görevi görür. Takviye fazı ise mekanik özellikleri ve genel performansı artırır. Matris
malzemesine bağlı olarak kompozitler metal matrisli kompozitler, polimer matrisli kompozitler ve seramik matrisli kompozitler olarak sınıflandırılabilir. Polimer matrisli kompozit alanında, fiber takviyeli polimer kompozitler üstün özellikleri nedeniyle sıklıkla
kullanılır.
Elyaf Takviyeli Polimer Kompozitler
Elyaf takviyeli polimer kompozitler; polimer matris ve takviye olarak elyaf bileşenlerinden oluşur. Bu kompozitlerin istenilen özellikte olması için uygun elyaf- matris seçimi gerekmektedir. Elyaf olarak en çok tercih edilenler ise; aramid, cam ve karbondur.
Özellikle cam elyaf, kompozit sektöründe sıklıkla kullanılır ve bunun sebebi maliyet avantajı sağlamasıdır. Bunun yanı sıra karbon elyafı daha yüksek mukavemete ve sertliğe sahiptir ve bu özellikleri sayesinde yüksek performanslı ürünlerde kullanılabilir. Aramid elyaf ise hem hafiflik hem de yüksek mukavemet istenilen koşullarda kullanılır.
Matris olarak polimer kullanıldığında ise çoğunlukla; termoset ve termoplastik polimerler
tercih edilir. Bu şekilde birleşen kompozit malzemeler demiryolu sektörü için de çeşitli avantajlar sağlar ve geniş bir kullanım alanına sahiptir.
Cam elyaf takviyeli polimer kompozitler; iyi şekillendirilebilirlik, daha yüksek mukavemet beton ve metal malzemelere göre daha hafif bir malzeme olması sebebiyle sıklıkla kullanılır. Aynı zamanda cam elyaf takviyeli polimerlerin işleme maliyeti de düşüktür ve bu sebeple ekonomik fayda sağlar. Endüstrilerde korozyonsuz malzemelere olan talep de demir ve demir dışı malzemeler yerine cam elyaf takviyeli polimer kompozitlerin kullanımı artırmıştır.
Kompozitlerin Demiryollarında Kullanımı
Cam elyaf takviyeli kompozitler düşük bir ağırlığa sahip oldukları için demiryolu araçlarının iç ve dış parçalarında kullanılabilir. Bu sayede aracın raylar üzerindeki ağırlığı azalır ve dengelenir. Bu sayede ise toplam ağırlık dengelendiğinden ray üzerindeki sürtünme ve aşınma azalır, rayların ömrünün uzamasına da katkı sağlanır.
Boji
Özellikle demiryolu araçlarında boji çerçevesinin ağırlığı oldukça önemlidir. Boji çerçevelerinde çelik bazlı malzemelerin kullanılması daha fazla ağırlığa neden olur ve çevresel etkiler sebebiyle korozyona uğrar. Bu nedenle, demiryolu boji çerçevelerinin üretimi için çelik bazlı malzemeler yerine hafif ve korozyona uğramayan malzemelere ihtiyaç duyulmaktadır.
Bu anlamda yapılan çalışmalardan birinde demiryolu boji çerçevesi için cam elyaf takviyeli epoksi kompozitler geliştirilmiş ve bu kompozitlerin performansı incelenmiştir. Yapılan analizler sonucunda, oluşan gerilmelere karşı olan direnci boji çerçevesi üretimi için yeterli bulunmuştur.
Yine başka bir çalışmada da CTP’den boji üst ve alt şasileri üretilmiş ve bu şasilerin
yapısal bütünlüğü değerlendirilmiştir. Yapılan değerlendirme sonucunda; bu kompozitlerin
optimum bir performans gösterdiği ve iyi bir yapısal bütünlüğe sahip olduğu belirlenmiştir. Aynı zamanda üretilen kompozitler, alüminyum bazlı malzemelere göre %30,9 oranında ağırlık azaltma özelliğine sahiptir.
Değerlendirilen test sonuçları, şehir içi demiryollarında boji çerçevesi uygulamaları için temel yük taşıma gereksinimlerini bu malzemelerin karşılayabileceğini ortaya koymuştur.
Traversler
Kompozitlerin öne çıktığı alanlardan biri ise demiryollarında kullanılan traverslerdir. Travers; demiryolu raylarını desteklemek için kullanılan dikdörtgen şeklindeki desteklere denir. Traversler genel olarak demiryolu raylarının altına dik olarak yerleştirilir.
Yapılan araştırmaya göre demiryollarında dünya çapında yaklaşık 3 milyon travers kullanılmakta ve çoğunlukla ahşap malzeme kullanılmaktadır. Fakat ahşap malzemeler çevresel etki altında mekanik, biyolojik ve termal bozulmaya kolaylıkla uğrayabilir.
Oysaki elyaf takviyeli polimer kompozitler kullanıldığında bu bozulmanın yaşanması oldukça zordur ve travers olarak kompozitlerin performansı değerlendirildiğinde yüksek mukavemet ve sertlik değerlerine sahip oldukları belirlenmiştir.
Yakıt Verimliliği
Kompozit kullanımın demiryolu araçlarına katkılarından biri ise yakıt verimliliği artırması ve karbon emisyonunu iyileştirmesidir. Bunun sebebi ise düşük ağırlığa sahip olmalarıdır. Kompozit kullanılan demiryolu araçları daha hafiftir ve üstelik daha güçlü değerlere sahip olmaktadır. Bu sayede hafifleyen demiryolu araçları daha az enerjiye ihtiyaç duyar ve bu sayede yakıtı daha verimli olarak kullanabilir.
Ön Kalkanın Yapısal Tasarımı
Literatürde yer alan çalışmalardan biri de yüksek hızlı trenlerin ön kalkanının yapısal tasarımı için cam elyaf kompozit-köpük sandviç yapılmış ve test edilmiştir. Trenlerdeki kalkan kısmında ihtiyaç duyulan özellik; önden çarpma durumunda maksimum miktarda
enerjiyi absorbe etmesidir.
Havacılık ve uzay sanayinde köpük bazlı sandviçlerin kullanımı giderek artmaktadır. Köpük bazlı sandviç yapılar; ağırlıkta önemli bir azalma sağlarken, toplam enerji emiliminde de iyileştirme sağlayacağı düşünülmekte ve bu anlamda ihtiyaç duyulan gereksinimleri karşılama potansiyelindedir. Kullanımı üzerine araştırmalar yapılmaktadır.
Sonuç
Elyaf kompozit, çelik bazlı malzemelere kıyasla hafiflik, daha az miktarda enerji tüketme, daha yüksek dayanıklılık ve sertlik değeri gibi birçok avantaja sahiptir. Demiryolu sektöründe cam elyaf takviyeli kompozitlerin kullanımı; yakıt verimliliğini artırır ken, toplam ağırlığı azaltır ve demiryolu aracının aerodinamik özelliklerini geliştirir. Özellikle yüksek hızlı trenlerde aerodinamik direncin önüne geçilebilir.
Yine traverslerde ahşap kullanımı, bu malzemenin sıklıkla yenilenmesi gerekliliğini doğurur. Ahşap yerine kompozit tercih edildiği takdirde üretilen traversler daha uzun sürelerde kullanılabilecek ve performansları da yükselecektir. Daha uzun süre kullanılması ve dayanıklılığın artması ise daha düşük bakım maliyeti ve uzun servis ömrü sağlayacaktır.
Teknoloji ile birlikte her sektörde gelişmeler yaşanmaktadır. Demiryolu sektöründe de giderek daha büyük gelişmeler yaşanıyor. Metrolar, hızlı tenler gibi ulaşım araçlarının kullanımın artması ile bu araçların teknolojik olarak geliştirilmesi için yapılan çalışmalar
da artmaktadır. Birçok toplumun yoğun hayat içinde en önem verdiği konu daha hızlı seyahat edebilmektedir.
Demiryolu sektörü de bu konuda çalışmakta ve yüksek hızlı trenleri giderek geliştirmektedir.
Üstün özellikler sunabildiği bilinen kompozit malzemelerin özellikle hafif olması sebebiyle, daha hızlı bir ulaşımda işe yarayacağı ve enerji verimliliğini artıracağı düşünülmektedir. Bu anlamda kompozitlerin demiryolu sektöründe kullanımının yıllar içinde artacağı
öngörülmektedir.
Kaynaklar:
Role of Polymer Composites in Railway Sector: An Overview – Praveenkumara Jagadeesh, Madhu Puttegowda, Sanjay Mavinkere Rangappa, Suchart Siengchin Material characterization of a composite–foam sandwich for the front structure of a high speed train – G. Belingardi, M.P. Cavatorta, R. Duella
Derleyen: Nilsu Kotil
