ES2893525T3 - Alambres mensajeros para trenes eléctricos - Google Patents

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ES2893525T3 ES16820477T ES16820477T ES2893525T3 ES 2893525 T3 ES2893525 T3 ES 2893525T3 ES 16820477 T ES16820477 T ES 16820477T ES 16820477 T ES16820477 T ES 16820477T ES 2893525 T3 ES2893525 T3 ES 2893525T3
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Abstract

Un alambre mensajero de tren eléctrico, comprendiendo el alambre mensajero: un miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra; y una capa conductora que rodea el miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra, comprendiendo la capa conductora cobre o una aleación de cobre; en donde el alambre mensajero comprende un hueco entre el miembro de refuerzo compuesto y la capa conductora.

Description

DESCRIPCIÓN
Alambres mensajeros para trenes eléctricos
Campo
La presente descripción se refiere al campo de los sistemas de trenes eléctricos y componentes para sistemas de trenes eléctricos, incluidos los alambres mensajeros.
Antecedentes
Los alambres mensajeros se utilizan en los sistemas de trenes electrificados para soportar el alambre de contacto con el que el tren contacta a través de un pantógrafo mientras el tren se mueve. Un alambre mensajero típico incluye una pluralidad de alambres conductores de cobre o de aleación de cobre trenzados alrededor de un miembro de refuerzo compuesto de acero revestido de cobre. Durante el uso, una corriente eléctrica pasa a través del alambre mensajero (es decir, a través de los alambres de cobre) y se transmite desde el alambre mensajero al alambre de contacto. Como resultado, el alambre mensajero se calienta debido al calentamiento por resistencia del cobre. En los días más calurosos, la temperatura ambiente y la radiación solar también pueden contribuir al calentamiento del alambre mensajero al limitar la capacidad del alambre mensajero para disipar el calor. Estos factores contribuyen a la expansión térmica del alambre mensajero, dando como resultado el combado del alambre mensajero, que también cambia la elevación del alambre de contacto sobre las vías del tren. Esto, a su vez, afecta a lo bien que el pantógrafo se mantiene en contacto con el alambre de contacto mientras el tren se mueve y afecta a la velocidad máxima segura de los trenes. Dichos sistemas de trenes electrificados se conocen, por ejemplo, por el documento US 2006/071862. Un cable que tiene una construcción similar al hilo mensajero de la invención se conoce por el documento US 2005/279527.
Compendio
La presente descripción se refiere a mejoras en la estructura del alambre mensajero. Se utiliza un material compuesto reforzado con fibra que tiene un bajo coeficiente de expansión térmica como miembro de refuerzo para soportar los alambres conductores, comprendiendo los alambres conductores cobre o una aleación de cobre. Adicionalmente, un espacio (es decir, un hueco) se forma entre una capa conductora y el miembro de refuerzo, comprendiendo la capa conductora alambres (por ejemplo, hebras) de cobre o una aleación de cobre. Como resultado, sustancialmente toda la tensión (por ejemplo, tensión de tracción) se puede colocar en el miembro de refuerzo cuando se instala el alambre mensajero, dejando poca o ninguna tensión en la capa conductora. En otro aspecto, una capa conductora comprende hebras de alambre conductor enrolladas helicoidalmente (por ejemplo, hebras de alambre de cobre) que se disponen alrededor de la circunferencia del miembro de refuerzo.
En una realización, la presente descripción está dirigida a un alambre mensajero de tren eléctrico. El alambre mensajero de tren eléctrico puede comprender un miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra y una capa conductora que rodea el miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra, por ejemplo, que es soportado físicamente por el miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra durante el uso. La capa conductora comprende cobre o una aleación de cobre. El alambre mensajero de tren eléctrico comprende un hueco entre el miembro de refuerzo compuesto y la capa conductora. La capa conductora puede comprender una pluralidad de hebras conductoras enrolladas helicoidalmente. Por ejemplo, la capa conductora puede comprender una pluralidad de hebras conductoras de cobre. El miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra puede comprender fibras de refuerzo de módulo de elasticidad alto, tales como fibras de carbono de refuerzo de módulo de elasticidad alto.
El alambre mensajero de tren eléctrico también puede comprender una capa aislante (por ejemplo, una capa eléctricamente aislante) dispuesta entre el miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra y la capa conductora. Una capa eléctricamente aislante puede prevenir ventajosamente o reducir sustancialmente las reacciones electroquímicas (por ejemplo, reacciones de corrosión galvánica) entre el miembro de refuerzo y la capa circundante que comprende cobre o una aleación de cobre. En una realización, la capa aislante comprende fibras de vidrio sustancialmente continuas que están formadas integralmente con el miembro de refuerzo. En otra realización, la capa aislante comprende un revestimiento polimérico sobre el miembro de refuerzo.
En una caracterización, el miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra tiene un coeficiente de expansión térmica (CTE) que no es mayor de aproximadamente 2x10-6/°C (alrededor de 1,11x10-6/°F). En otra caracterización, la resistencia a la tracción del miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra es de al menos aproximadamente 2100 MPa (aproximadamente 305 ksi). En otra caracterización, el módulo de elasticidad del miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra es de al menos aproximadamente 110 GPa (aproximadamente 15,9 Msi).
Descripción de los dibujos
La Figura 1 ilustra esquemáticamente una vista lateral de un sistema de catenaria simple para un tren electrificado.
La Figura 2 ilustra esquemáticamente una vista lateral de un sistema de catenaria compuesto para un tren electrificado.
La Figura 3 ilustra una vista en perspectiva de un sistema de catenaria simple para un tren electrificado.
La Figura 4 ilustra un sistema de tensión constante de peso equilibrado en un sistema de catenaria para un tren electrificado.
La Figura 5 ilustra una sección transversal de un miembro de refuerzo para un alambre mensajero según una realización de la presente descripción.
La Figura 6 ilustra una sección transversal de un miembro de refuerzo para un alambre mensajero según una realización de la presente descripción.
La Figura 7 ilustra una sección transversal de un alambre mensajero según una realización de la presente descripción.
La Figura 8 ilustra una vista en perspectiva en sección de un alambre mensajero según una realización de la presente descripción.
La Figura 9 ilustra un esquema de un método para la producción de un miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra según una realización de la presente descripción.
Descripción
La presente descripción se refiere a sistemas de catenaria para trenes eléctricos y, en particular, a alambres mensajeros útiles en tales sistemas de catenaria.
Por conveniencia, el término "tren" y sus formas flexionadas se utilizan a lo largo de esta descripción para referirse a los vehículos que son propulsados por la aplicación de electricidad de alambres eléctricos aéreos. Sin embargo, el término tren y sus formas flexionadas se utilizan en la presente memoria como términos genéricos para abarcar todos los tipos de trenes (incluidos los trenes de pasajeros y los trenes de carga), tranvías, trolebuses, metros de neumáticos y otros vehículos que están electrificados, es decir, se alimentan mediante la aplicación de electricidad a través de un sistema eléctrico aéreo.
La Figura 1 ilustra esquemáticamente una vista lateral de un sistema de catenaria simple 100 para un tren electrificado. El tren (no ilustrado) se alimenta a través de la aplicación de electricidad y se mueve a lo largo de rieles que están fijados al suelo debajo del sistema de catenaria 100. La electricidad se proporciona al tren mediante un alambre de contacto 104 que contacta con el tren a través de un pantógrafo mientras el tren viaja a lo largo del alambre de contacto 104. El alambre de contacto 104 está soportado a lo largo de su longitud en una orientación generalmente horizontal por un alambre mensajero 102 (también conocido como alambre de catenaria) que está dispuesto sobre el alambre de contacto 104 y está conectado al alambre de contacto 104 por una pluralidad de péndolas 106 (también denominados cables de suspensión). Las péndolas 106 conectan el alambre mensajero 102 al alambre de contacto 104 tanto mecánicamente, para soportar físicamente el alambre de contacto 104, como eléctricamente, para proporcionar corriente eléctrica al alambre de contacto 102 a través de las péndolas 106. De este modo, cada uno del alambre mensajero 102, las péndolas 106 y el alambre de contacto 104 típicamente comprenden cobre (es decir, cobre o una aleación de cobre). El alambre mensajero 102 se soporta en diferentes puntos a lo largo de su longitud por brazos de soporte 108 que se puede unir a postes de soporte (no se ilustran). El alambre de contacto 104 también se puede unir a los postes de soporte mediante un brazo estable 109 que reduce el movimiento del alambre de contacto 104.
La Figura 1 ilustra un sistema de catenaria simple 100. Existen otros tipos de sistemas de catenaria y la presente descripción también es aplicable a otros tipos de sistemas de catenaria para su uso con trenes electrificados. Por ejemplo, algunos sistemas de catenaria pueden incluir alambres de soporte no conductores que permiten que el alambre mensajero soporte el alambre de contacto, y alambres conductores separados que conectan eléctricamente el alambre mensajero y el alambre de contacto.
A modo de ejemplo adicional, la Figura 2 ilustra una vista lateral esquemática de un sistema de catenaria compuesto 200. En este sistema de catenaria compuesta 200 el alambre mensajero 202 soporta directamente un alambre mensajero auxiliar 210 a través de una pluralidad de péndolas 206. El alambre de contacto 204 está conectado al alambre mensajero auxiliar 210 a través de una pluralidad de péndolas auxiliares 212. De este modo, el alambre mensajero 202 soporta directamente el alambre mensajero auxiliar 210 e indirectamente soporta el alambre de contacto 204 a través del alambre mensajero auxiliar 210.
La Figura 3 ilustra una vista en perspectiva de un sistema de catenaria simple 300, como el ilustrado en la Figura 1. El sistema de catenaria simple 300 incluye una pluralidad de postes de soporte 314 que están espaciados a lo largo de la longitud del sistema de catenaria 300. Los postes de soporte 314 soportan el alambre mensajero 302 a través de una pluralidad de estructuras de brazos de soporte 308. Las estructuras de brazos de soporte 308 pueden estar aisladas eléctricamente de los postes de soporte mediante aisladores 318. El alambre mensajero 302 soporta verticalmente el alambre de contacto 304 a lo largo de la longitud del alambre de contacto 304 a través de una pluralidad de péndolas 306. Pueden existir ligeras modificaciones de esta estructura a lo largo de la longitud del alambre de contacto 304, como el uso de un alambre de coser 316 para evitar el punto de contacto donde el alambre mensajero 302 se soporta por la estructura de brazo de soporte 308.
En los sistemas de catenaria como los ilustrados en las FIGS. 1-3, el alambre de contacto proporciona electricidad directamente al tren que viaja a lo largo del alambre de contacto a través de un pantógrafo dispuesto en la parte superior del tren. El pantógrafo mantiene contacto con el alambre de contacto mientras el tren se mueve. El alambre mensajero proporciona electricidad al alambre de contacto a través de las péndolas. El alambre mensajero, las péndolas y el alambre de contacto deben estar hechos cada uno de un material altamente conductor. En estas aplicaciones, el material altamente conductor es cobre, una aleación de cobre o acero revestido de cobre. La mayoría de los accesorios, como abrazaderas para conectar el alambre mensajero, la péndola y el alambre de contacto también están hechos de un material conductor que es galvánicamente compatible con el cobre.
Una desventaja de tal sistema es que el cobre altamente conductor y el miembro de refuerzo del núcleo de acero revestido de cobre del alambre mensajero también tienen un coeficiente de expansión térmica (CTE) relativamente alto. Como resultado, cuando el alambre mensajero aumenta de temperatura debido al calentamiento por resistencia y/o las condiciones ambientales (por ejemplo, en los meses de verano), la longitud del alambre mensajero aumenta entre los extremos fijados del alambre mensajero. Esto da como resultado que el alambre mensajero se combe (es decir, se relaje y desplome hacia el suelo). Cuando el alambre mensajero se comba, el alambre de contacto también cae más cerca del suelo.
Para abordar este asunto, actualmente se utilizan estructuras de terminación que intentan aplicar una tensión constante al alambre mensajero y/o al alambre de contacto en tales condiciones. Un método común para hacerlo es mediante el uso de pesas colgantes en un sistema de tensión constante, a veces denominadas anclas de peso equilibrado. Tal sistema se ilustra esquemáticamente en la Figura 4. En referencia a la Figura 4, un alambre mensajero 402 y un alambre de contacto 404 terminan en un poste de soporte de terminación 414. Una primera pesa 420a está conectada al alambre de contacto 404 a través de un sistema de poleas 422a. De igual modo, una segunda pesa 420b está conectada al alambre mensajero 402 a través de un segundo sistema de poleas 422b. Estos pesas 422a/422b se seleccionan cuidadosamente para tirar y contrarrestar constantemente el combado en el alambre mensajero 402 y el alambre de contacto 404 a través del sistema de poleas 422a/422b y mantener el alambre de contacto y el alambre mensajero en tensión constante a medida que los alambres se calientan y enfrían. Sin embargo, estos sistemas son costosos de instalar y mantener.
En un aspecto de esta descripción, se describe un alambre mensajero que puede obviar la necesidad de un sistema de tensión constante de este tipo. Caracterizado ampliamente de acuerdo con la presente descripción, el alambre mensajero incluye las siguientes características: (i) un miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra que está diseñado para tener un módulo de elasticidad alto y un CTE muy bajo; y (ii) un espacio o "hueco" entre el miembro de refuerzo y la capa conductora circundante a lo largo de la longitud del miembro de refuerzo, comprendiendo la capa conductora cobre o una aleación de cobre. De este modo, el alambre mensajero comprende un miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra y un hueco entre el miembro de refuerzo y la capa conductora circundante que comprende cobre o una aleación de cobre.
En una caracterización particular, el alambre mensajero comprende un miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra que tiene un módulo de elasticidad alto y un CTE muy bajo y un hueco entre el miembro de refuerzo y la capa conductora circundante.
Miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra
Por consiguiente, en una caracterización, el miembro de refuerzo de alambre mensajero es un miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra. Una vista en sección transversal de un miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra se ilustra en la Figura 5. El miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra 540 tiene una sección transversal generalmente circular y se compone de un material compuesto 542 de fibras de refuerzo en una matriz de unión.
El miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra 540 ilustrado en la Figura 5 consiste esencialmente en el material compuesto 542 que comprende fibras de refuerzo dispuestas operativamente en (por ejemplo, dispersas en) la matriz de unión. Las fibras de refuerzo (es decir, filamentos) pueden incluir filamentos sustancialmente continuos (por ejemplo, estopas de fibra) y/o pueden incluir fibras discontinuas (por ejemplo, bigotes de fibra). Las fibras de refuerzo pueden alinearse dentro de la matriz de unión (por ejemplo, un compuesto anisotrópico) o pueden disponerse aleatoriamente dentro de la matriz de unión (por ejemplo, un compuesto isotrópico). En una caracterización, las fibras de refuerzo incluyen fibras sustancialmente continuas, como en forma de una o más estopas de fibra alargadas, dispuestas a lo largo de una matriz de unión de resina. Una estopa de fibra es un manojo de filamentos individuales sustancialmente continuos, que a menudo comprende varios miles de filamentos individuales en una sola estopa de fibra.
De acuerdo con la presente descripción, al menos una porción de las fibras de refuerzo son fibras de módulo de elasticidad alto. Las fibras de módulo de elasticidad módulo de tracción se definen en la presente memoria como aquellas que tienen un módulo de elasticidad de al menos aproximadamente 250 GPa. Por ejemplo, las fibras de refuerzo de módulo de elasticidad alto pueden tener un módulo de elasticidad de al menos aproximadamente 250 GPa, por ejemplo al menos aproximadamente 275 GPa, al menos aproximadamente 290 GPa, al menos aproximadamente 300 GPa, al menos aproximadamente 310 GPa, e incluso al menos aproximadamente 330 GPa.
Las fibras de refuerzo de módulo de elasticidad alto pueden incluir fibras cerámicas, incluyendo fibras cerámicas a base de óxidos o sin óxidos. Los ejemplos de fibras cerámicas de refuerzo sin óxido incluyen, por ejemplo, fibras de carburo como fibras de carburo de silicio (SiC) o fibras de nitruro como fibras de nitruro de silicio (Si3N4). Los ejemplos de fibras de óxido metálico incluyen fibras a base de zirconia (ZrO2), fibras de alúmina (AbOa), fibras de aluminosilicato y fibras de aluminoborosilicato. Los ejemplos particulares de fibras cerámicas de refuerzo de módulo de elasticidad alto son las disponibles en 3M Company (St. Paul, MN, Estados Unidos) bajo la marca NEXTEL, como las fibras de óxido cerámico de filamento continuo NEXTEL 312, 440 y 550. Aunque se describen en la presente memoria como fibras cerámicas, se apreciará que tales fibras pueden incluir fases de material tanto cristalinas como vitreas (por ejemplo, amorfas).
En una caracterización particular, las fibras de refuerzo de módulo de elasticidad alto comprenden fibras de carbono de módulo de elasticidad alto. Los ejemplos no limitantes de fibras de carbono de módulo de elasticidad alto incluyen fibras de carbono vendidas con el nombre comercial T800S, T800H, T1000 o T1000G (Toray Carbon, Carbon Fibers America, Inc., Santa Ana, CA). Otros ejemplos no limitantes incluyen fibras de carbono a base de brea, como las fibras a base de brea Thornel P-55 (Cytec Engineering Materials, Tempe, AZ). También pueden ser útiles las fibras de carbono a base de PAN. Las fibras a base de brea pueden proporcionar ventajosamente una menor tensión de rotura en comparación con otras fibras de carbono, por ejemplo, fibras de carbono de módulo de elasticidad alto derivadas de PAN.
En algunas caracterizaciones, las fibras de refuerzo también pueden tener una resistencia a la tracción relativamente alta además de tener un módulo de elasticidad alto, de manera que el miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra tenga una resistencia a la tracción suficientemente alta para ser utilizado de forma segura en un alambre mensajero de tren. En una caracterización, las fibras de módulo de elasticidad alto tienen una resistencia a la tracción de al menos aproximadamente 4,5 GPa, tal como al menos aproximadamente 5 GPa, e incluso al menos aproximadamente 6 GPa o incluso al menos 7 GPa.
En una caracterización, el material compuesto 542 consiste esencialmente en fibras de refuerzo de módulo de elasticidad alto. Aunque las fibras de módulo de elasticidad alto son deseables para reducir las características de combado del miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra, tales fibras son generalmente más caras que las fibras de módulo de elasticidad más bajo. Por lo tanto, las fibras de refuerzo en el material compuesto 542 también pueden incluir fibras de refuerzo secundarias que son diferentes a las fibras de módulo de elasticidad alto. Por ejemplo, las fibras de refuerzo secundarias pueden colocarse ventajosamente dentro del material compuesto 542 tal que el módulo de elasticidad de las fibras de refuerzo disminuya en una dirección alejada de (es decir, radialmente lejos de) un eje central del miembro de refuerzo 540. Como alternativa, las fibras de refuerzo secundarias pueden estar intimamente mezcladas con las fibras de módulo de elasticidad alto en todo el material compuesto 542.
Por ejemplo, las fibras de refuerzo secundarias pueden seleccionarse entre fibras sintéticas o fibras naturales. En otra caracterización, las fibras de refuerzo secundarias pueden seleccionarse entre fibras orgánicas o fibras inorgánicas. Por ejemplo, las fibras de refuerzo secundarias pueden incluir fibras de carbono de módulo de elasticidad más bajo (por ejemplo, fibras de grafito o nanofibras de carbono), fibras de aramida como KEVLAR™, fibras de vidrio (incluidas las fibras de basalto), fibras cerámicas de módulo de elasticidad más bajo, fibras de boro, fibras de cristal liquido, fibras de polietileno de alto rendimiento (por ejemplo, fibras SPECTRA), fibras de acero (por ejemplo, filamentos de alambre de acero), incluyendo fibras de acero con alto contenido de carbono o fibras a base de nanotubos de carbono.
En una caracterización, las fibras de refuerzo secundarias incluyen fibras de carbono tales como las seleccionadas entre fibras de carbono de alta resistencia (HS) y fibras de carbono de módulo intermedio (IM). Las fibras de carbono pueden fabricarse a partir de precursores como el rayón, poliacrilonitrilo (PAN) o brea de petróleo. Los ejemplos no limitantes de fibras de carbono útiles incluyen las de ZOLTEK PANEX™, ZOLTEK PYRON™, HEXCEL™, TORAY™, familias de productos de fibra de carbono GRAFIL o THORNEL™. Otros ejemplos de fibras de carbono pueden incluir TORAY M46J, TORAY T700 SC-24K, TORAY T700SC-12K, GRAFIL TRH50-18M, PyroFil TR-50S o subproductos de rayón, entre otros. También pueden ser útiles diferentes tipos de fibras de vidrio como fibras de refuerzo secundarias en los miembros de refuerzo compuestos reforzados con fibra. Las fibras cerámicas también pueden ser útiles como fibras de refuerzo secundarias en los materiales compuestos. Las fibras cerámicas de refuerzo secundarias pueden incluir, por ejemplo, fibras de carburo tal como fibras de carburo de silicio (SiC), fibras de nitruro tal como fibras de nitruro de silicio (Si3N4), fibras de óxido metálico como fibras a base de zirconia (ZrO2), fibras de alúmina (ALO3), fibras de aluminosilicato y fibras de aluminoborosilicato. Los ejemplos de fibras cerámicas de refuerzo son las disponibles en 3M Company (St. Paul, MN, Estados Unidos) bajo la marca NEXTEL, como las fibras de óxido cerámico de filamento continuo NEXTEL 312, 440 y 550. Aunque se describen en la presente memoria como fibras cerámicas, se apreciará que tales fibras pueden incluir fases de material tanto cristalinas como vitreas (por ejemplo, amorfas). Además, las fibras de refuerzo secundarias pueden ser fibras de módulos de elasticidad altos (por ejemplo, con un módulo de elasticidad superior a aproximadamente 270 GPa), siempre que las fibras de refuerzo secundarias tengan un módulo de elasticidad que sea menor que el módulo de elasticidad de las primeras fibras de refuerzo.
De este modo, en una caracterización, el miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra puede incluir al menos dos tipos de fibra, es decir, primeras fibras de refuerzo de módulo de elasticidad alto y fibras de refuerzo secundarias que son diferentes de las primeras fibras de refuerzo de módulo de elasticidad alto.
Las fibras de refuerzo seleccionadas también deben tener un CTE relativamente bajo de modo que el miembro de refuerzo 540 tenga un CTE relativamente bajo. Por ejemplo, el CTE de las fibras de refuerzo no puede ser mayor de aproximadamente 5x10-6/°C, o incluso no mayor de aproximadamente 2x10-6/°C, o incluso no mayor de aproximadamente 1x10-6/°C. A este respecto, las fibras de refuerzo pueden tener un CTE negativo. Por ejemplo, se sabe que las fibras de carbono tienen un CTE negativo, es decir, la longitud de las fibras de carbono disminuye ligeramente al aumentar las temperaturas en el intervalo de temperaturas que podría experimentar un miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra en un alambre mensajero de tren, por ejemplo, de aproximadamente -28,9 °C a aproximadamente 93,3 °C (de aproximadamente -20 °F a aproximadamente 200 °F). Por ejemplo, la fibra de carbono de refuerzo puede tener un CTE de aproximadamente -0,3x10-6/°C hasta aproximadamente -1,1x10-6/°C sobre este intervalo de temperatura.
De este modo, el material compuesto incluye fibras de refuerzo que se extienden de manera sustancialmente continua a lo largo del miembro de refuerzo. Por ejemplo, el material compuesto puede incluir una o más estopas de fibra de refuerzo dispersas dentro de una matriz de resina. Una estopa de fibra es un manojo de filamentos continuos, donde el número de filamentos individuales en la estopa se expresa como su rendimiento (yardas por libra), o como su número K. Por ejemplo, una estopa de fibra de 12K incluye aproximadamente 12000 filamentos individuales. A modo de ejemplo, se pueden fabricar materiales compuestos reforzados con fibra para miembros de refuerzo seleccionando estopas de fibra de carbono en el intervalo de aproximadamente 4K a aproximadamente 60K, o más.
Los filamentos de carbono pueden seleccionarse con un diámetro de al menos aproximadamente 4 pm y no mayor de aproximadamente 10 pm, tales como filamentos de carbono que tienen un diámetro de al menos aproximadamente 7 pm y no mayor de aproximadamente 8 pm. Los filamentos cerámicos pueden tener un diámetro de al menos aproximadamente 7 pm y no más de aproximadamente 13 pm, por ejemplo. Para otras clases de fibras de refuerzo, se puede determinar un intervalo de tamaño adecuado de acuerdo con las propiedades físicas deseadas del miembro de refuerzo compuesto, o en función de las características de humectación deseadas, u otras consideraciones de fabricación discutidas a continuación. A pesar de lo anterior, la presente descripción no se limita a ningún diámetro de filamento particular. Por ejemplo, los nanofilamentos (por ejemplo, nanofilamentos de carbono) también pueden ser útiles.
La relación volumétrica de fibra de refuerzo y resina en el material compuesto 542 puede ser de al menos aproximadamente 60:40, tal como al menos aproximadamente 65:35 o incluso al menos aproximadamente 70:30. Aunque normalmente es deseable que esta relación sea lo más alta posible, las relaciones superiores a 75:25 no son fáciles de obtener.
El material compuesto 542 también puede incluir fibras discontinuas (por ejemplo, bigotes) en combinación con fibras de refuerzo continuas. Las fibras discontinuas pueden opcionalmente estar alineadas dentro de la matriz de unión, o pueden estar orientadas aleatoriamente dentro de la matriz de unión. En una caracterización, las fibras discontinuas incluyen nanofibras de carbono (por ejemplo, nanofibras de carbono discontinuas).
Las fibras de refuerzo están dispuestas dentro y unidas por una matriz de unión. El material de la matriz de unión se selecciona para que sea compatible con las fibras y con la aplicación prevista como un miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra para un alambre mensajero. La matriz de unión en la que están incrustadas las fibras de refuerzo puede incluir cualquier tipo de material inorgánico u orgánico que pueda incrustar y unir operativamente las fibras de refuerzo en un material compuesto 542 reforzado con fibra. En una caracterización, la matriz de unión puede incluir predominantemente un material orgánico, tal como un polímero, por ejemplo, un polímero sintético. En una caracterización, la matriz de unión es una matriz de resina, por ejemplo, una matriz de resina epoxi.
Por ejemplo, la matriz de unión puede incluir un polímero termoplástico, incluidos los termoplásticos semicristalinos. Los ejemplos específicos de termoplásticos útiles incluyen, pero sin limitación, polieteretercetona (PEEK), polipropileno (PP), sulfuro de polifenileno (PPS), polieterimida (PEI), polímero de cristal líquido (LCP), polioximetileno (POM o acetal), poliamida (PA o nailon), polietileno (PE), fluoropolímeros y poliésteres termoplásticos. Otros ejemplos de materiales poliméricos útiles para una matriz de unión pueden incluir resinas fenólicas curadas por adición, por ejemplo, bismaleimidas (BMI), polieteramidas, diversos anhídridos o imidas.
En una caracterización, la matriz de unión incluye un polímero termoendurecible. Los ejemplos de polímeros termoendurecibles útiles incluyen, pero sin limitación, benzoxazina, poliimidas termoendurecibles (PI), resina de poliéter amida (PERA), resinas fenólicas, resinas de éster vinílico a base de epoxi, resinas de policianato y resinas de éster de cianato. En un ejemplo de realización, se utiliza una resina de éster vinílico en la matriz de unión. Otra realización incluye el uso de una resina epoxi, tal como una resina epoxi que es un producto de reacción de epiclorhidrina y bisfenol A, bisfenol A diglicidil éter (DGEBA).
Los agentes de curado (por ejemplo, endurecedores) para resinas epoxi se pueden seleccionar de acuerdo con las propiedades deseadas del miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra y el método de procesamiento. Por ejemplo, los agentes de curado pueden seleccionarse de poliaminas alifáticas, poliamidas y versiones modificadas de estos compuestos. También se pueden usar anhídridos e isocianatos como agentes de curado.
La resina también puede seleccionarse para proporcionar resistencia a un amplio espectro de productos químicos agresivos, y puede seleccionarse para que tenga propiedades dieléctricas y aislantes estables. Puede ser ventajoso que la resina cumpla con las normas de desgasificación ASTME595 y las normas de inflamabilidad UL94, y sea capaz de operar al menos de manera intermitente a temperaturas que oscilan entre aproximadamente 100 °C y 200 °C sin degradación sustancial (por ejemplo, degradación térmica o mecánica) del material compuesto reforzado con fibra. La resina también puede seleccionarse para mantener su integridad en condiciones extremadamente frías, como -50 °C o menos.
La resina también puede incluir componentes para ayudar en la fabricación y/o mejorar las propiedades de la matriz de unión. Por ejemplo, un sistema de resina epoxi termoendurecible para lograr las propiedades deseadas del miembro de refuerzo, así como la facilidad de fabricación del material compuesto, puede incorporar un catalizador (por ejemplo, un "acelerador") y/o un iniciador que puede seleccionarse para facilitar el curado de los componentes de la resina epoxi en un tiempo corto y/o con reacciones secundarias reducidas que pueden causar el agrietamiento de la matriz de resina curada. También puede ser deseable que el catalizador sea relativamente inactivo a bajas temperaturas para aumentar la vida de la resina (por ejemplo, "vida útil"), y muy activo a temperaturas más altas para una mayor velocidad de fabricación durante la fabricación del material compuesto 542. Las resinas epoxi también pueden modificarse adicionalmente con coadyuvantes de procesamiento adicionales (por ejemplo, agentes de desmoldeo y cargas), así como aditivos que mejoran el rendimiento, por ejemplo, para endurecer o atiesar la matriz, por ejemplo, con elastómeros, termoplásticos y similares.
A lo largo de esta descripción, el término "resina epoxi" puede usarse para identificar el material de matriz de unión del material compuesto reforzado con fibra. Sin embargo, los materiales compuestos reforzados con fibra abarcados por esta descripción no se limitan a los mismos y debe entenderse expresamente que los materiales compuestos reforzados con fibra descritos a continuación pueden incluir otros materiales de matriz de unión en lugar de, o además de, resinas epoxi.
En referencia a la Figura 5, el miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra 540 consiste esencialmente en el material compuesto 542 y tiene una sección transversal generalmente circular. Aunque el miembro de refuerzo ilustrado en la Figura 5 tiene una sección transversal sustancialmente circular, la presente descripción no se limita a este respecto y se apreciará que otras secciones transversales (por ejemplo, ovalada) también se pueden utilizar. Mediante la cuidadosa selección de las fibras de refuerzo y la matriz de resina epoxi, las propiedades del miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra 540 pueden ser suficientes para formar un alambre mensajero que tenga un conjunto de propiedades que contribuyan a la capacidad de eliminar los complejos sistemas de tensión constante que se emplean actualmente, como el ilustrado en la Figura 4. En una caracterización, el miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra tiene un módulo de elasticidad de al menos aproximadamente 110 GPa, tales como al menos aproximadamente 120 GPa, o incluso al menos aproximadamente 130 GPa, tal como al menos aproximadamente 140 GPa. El módulo de elasticidad generalmente debe ser lo más alto posible, teniendo en cuenta el coste y otros factores como la disponibilidad de materiales de módulo de elasticidad alto para las fibras de refuerzo. En la práctica, el módulo de elasticidad del miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra generalmente no excederá de aproximadamente 200 GPa.
También es deseable que el miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra que se forme tenga un CET relativamente bajo. Por ejemplo, el miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra puede tener un valor CTE absoluto no superior a aproximadamente 2x10-6/°C, tal como no mayor de aproximadamente 1x10-6/°C, o incluso no mayor de aproximadamente 0,8x10-6/°C. Un CTE relativamente bajo asegurará que la expansión térmica del miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra (por ejemplo, en un intervalo de aproximadamente -50 °C a aproximadamente 200 °C) no contribuirá significativamente al combado del alambre mensajero y, por lo tanto, no contribuirá significativamente al combado del alambre de contacto.
El miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra también puede tener una resistencia a la tracción relativamente alta para reducir el riesgo de que el miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra se rompa bajo una carga de tracción alta. Por ejemplo, el miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra puede tener una resistencia a la tracción de al menos aproximadamente 2100 MPa, tal como al menos aproximadamente 2150 MPa, o incluso al menos aproximadamente 2200 MPa. El límite superior de la resistencia a la tracción es una función de la resistencia a la tracción de las fibras de refuerzo disponibles, teniendo en cuenta consideraciones como el coste. En la práctica, la resistencia a la tracción del miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra no excederá normalmente de 2800 MPa, aunque en el futuro se pueden lograr resistencias a la tracción más altas.
En otra caracterización, el miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra tendrá una resistencia nominal a la rotura que es relativamente alta. La resistencia a la rotura nominal es una función de la resistencia a la tracción discutida anteriormente y el diámetro del miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra. Para su uso como miembro de refuerzo en un alambre mensajero de tren, el miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra 540 puede tener un diámetro de al menos aproximadamente 5 mm, tal como al menos aproximadamente 7 mm. Generalmente, el diámetro no será superior a aproximadamente 14 mm, tal como no mayor de aproximadamente 12,7 mm, tal como no mayor de aproximadamente 11 mm, tal como no mayor de aproximadamente 10,5 mm. La resistencia nominal a la rotura del miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra puede ser de al menos aproximadamente 80 kN, tal como al menos aproximadamente 120 kN o incluso al menos aproximadamente 150 kN. Al igual que con la resistencia a la tracción, el límite superior de la resistencia nominal a la rotura es función de la resistencia a la tracción de las fibras de refuerzo disponibles, teniendo en cuenta consideraciones como el coste. En la práctica, la resistencia nominal a la rotura del miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra no excederá típicamente de aproximadamente 230 kN.
En otra caracterización, el alambre mensajero incluye una capa aislante dispuesta entre el material compuesto y la capa conductora exterior, por ejemplo, una capa aislante que rodea el material compuesto. Por ejemplo, la capa aislante puede ser un componente del miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra, uno que esté formado integralmente con el material compuesto o se coloque de otro modo sobre el material compuesto durante la fabricación del miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra. Unas capas de material adicionales (por ejemplo, capas conductoras) también se pueden incorporar entre el material compuesto y la capa conductora exterior, siempre que si una capa de material adicional está en contacto directo con la capa conductora exterior (cobre o aleación de cobre), el material debe ser compatible (por ejemplo, galvánicamente compatible) con el cobre.
La Figura 6 ilustra un ejemplo de una estructura de miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra de este tipo. El miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra 640 incluye un material compuesto reforzado con fibra 642 como el descrito en detalle anteriormente con respecto a la Figura 5. Una capa aislante 644 rodea el material compuesto reforzado con fibra 642, por ejemplo, está dispuesto alrededor de la circunferencia exterior del material compuesto reforzado con fibra 642.
En una caracterización, la capa aislante 644 comprende un material polimérico, por ejemplo, uno que se aplica al material compuesto como revestimiento. A este respecto, el material eléctricamente aislante que comprende la capa aislante 644 puede ser un material polimérico, tal como un termoplástico. En una caracterización, el material eléctricamente aislante se selecciona del grupo que consiste en poliimidas, politetrafluoroetileno (PTFE), polímero de etileno fluorado (FEP), polioximetileno (POM) y polieteretercetona (PEEK). En una caracterización particular, el material eléctricamente aislante comprende polieteretercetona (PEEK).
En otra caracterización, la capa aislante 644 comprende fibras eléctricamente aislantes, tal como fibras aislantes de vidrio. Por ejemplo, las fibras aislantes de vidrio se pueden seleccionar de entre fibras de Vidrio A, Vidrio B, Vidrio C, Vidrio D, Vidrio E, Vidrio H, Vidrio S, Vidrio AR, Vidrio R, o basalto (por ejemplo, vidrio volcánico). También se pueden utilizar fibra de vidrio y paraglass. Por ejemplo, Vidrio S-2758-AB-225, Vidrio S-2758-AB-675; Vidrio E 366-AC-250; Vidrio E 366-AB-450, Vidrio E 366-AB-675 y Vidrio E que contiene basalto pueden ser útiles para las fibras aislantes. En un ejemplo, un vidrio sin boro tal como el Vidrio E se utiliza como fibra aislante de vidrio. En otra caracterización, las fibras de vidrio aislantes pueden seleccionarse entre fibras de vidrio H, fibras de vidrio S y fibras de basalto.
En otra caracterización, la capa aislante puede incluir otros tipos de fibras aislantes, tales como fibras aislantes poliméricas. Por ejemplo, las fibras aislantes poliméricas pueden incluir fibras de aramida. Cuando las fibras sustancialmente continuas (por ejemplo, fibras aislantes de vidrio o fibras aislantes poliméricas) se utilizan en la capa aislante 644, las fibras pueden disponerse en una matriz de unión tal como una matriz de resina. En una caracterización, la capa aislante 644 comprende fibras aislantes sustancialmente continuas en una matriz de resina que está formada integralmente con el material compuesto 642, por ejemplo, donde las fibras aislantes y las fibras de refuerzo están dispuestas dentro de la misma matriz de unión. En una alternativa, las fibras aislantes pueden disponerse en una matriz de unión que es diferente de la matriz de unión utilizada en el material compuesto 642.
En otra caracterización más, la capa aislante 644 está formado por la resina epoxi que se utiliza como matriz de unión en el material compuesto 642. Es decir, el material compuesto 642 está rodeado por una capa aislante 644 que incluye la matriz de enlace, pero no incluye las fibras de refuerzo que se encuentran en el material compuesto 642. Dicho de otra manera, una cubierta de resina epoxi aislante está formada integralmente con y rodea el material compuesto 642, que se compone de fibras de refuerzo y la resina epoxi.
En cualquier caso, la capa aislante 644 debe tener un espesor suficiente para aislar adecuadamente el material compuesto 642, por ejemplo, aislar eléctricamente el material compuesto 642 de la capa eléctricamente conductora que está dispuesta alrededor del miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra 640. En una caracterización, la capa aislante 644 tiene un espesor de al menos aproximadamente 100 pm (por ejemplo, cuando la capa aislante comprende un revestimiento polimérico o la matriz de unión), y en otra caracterización tiene un espesor de al menos aproximadamente 0,5 mm (por ejemplo, cuando la capa aislante comprende fibras aislantes que están formadas integralmente con el material compuesto reforzado con fibra de gradiente funcional). En general, el espesor de la capa aislante 644 no excederá de aproximadamente 1 mm.
En una caracterización particular del miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra 640, el material compuesto 642 comprende fibras de carbono sustancialmente continuas de módulo de elasticidad alto (por ejemplo, estopas de fibra de carbono) en una matriz de resina epoxi y la capa aislante 644 comprende fibras de vidrio eléctricamente aislantes sustancialmente continuas en la misma matriz de resina epoxi, es decir, donde el material compuesto 642 y la capa aislante 644 están formados integralmente.
Estructura de hueco
El alambre mensajero descrito en la presente memoria también incluye una estructura "con huecos", donde existe un pequeño hueco entre el miembro de refuerzo y la capa conductora, es decir, entre una superficie exterior del miembro de refuerzo y una superficie interior de la capa conductora. En referencia a la Figura 7, un alambre mensajero 702 incluye un miembro de refuerzo 740 y una capa conductora 750 que se soporta por el miembro de refuerzo 740. Como se ilustra en la Figura 7, el miembro de refuerzo 740 incluye un material compuesto 742 rodeado por una capa aislante 744, similar a la estructura ilustrada en la Figura 6. El alambre mensajero 702 se forma con un hueco 760 entre la capa conductora 750 y el miembro de refuerzo 740. Aunque se ilustra como dispuesto debajo del miembro de refuerzo 740, se apreciará que dependiendo de la orientación del alambre mensajero 702, el hueco 760 se puede distribuir uniformemente alrededor de toda la circunferencia del miembro de refuerzo 740. El hueco 760 puede estar vacío (por ejemplo, comprender aire). En una caracterización, el hueco 760 entre el miembro de refuerzo 740 y la capa conductora 750 está lleno de un material para reducir la fricción entre el miembro de refuerzo 740 y la capa conductora 750, como una grasa térmicamente estable.
La presencia del hueco 760 entre el miembro de refuerzo 740 y la capa conductora 750 permite que el miembro de refuerzo y la capa conductora se muevan independientemente uno del otro. De esta forma, sustancialmente toda la tensión se puede colocar en el miembro de refuerzo 740 (por ejemplo, durante la instalación del alambre mensajero 702) sin poner ninguna tensión sustancial en la capa conductora 750. Cuando se usa en combinación con un miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra que tiene un coeficiente de expansión térmica muy bajo, tal como el miembro de refuerzo 740, el coeficiente de expansión térmica muy bajo del miembro de refuerzo 740 dictará el combado en función de la temperatura del alambre mensajero 702. Esto permitirá una tensión casi constante en el alambre mensajero 702 a cualquier temperatura, estabilizando su combado y mejorando el contacto del alambre de contacto con el pantógrafo. El tamaño del hueco puede ser, por ejemplo, al menos aproximadamente de 0,1 mm alrededor de toda la circunferencia del miembro de refuerzo, por ejemplo, al menos aproximadamente 0,2 mm alrededor de toda la circunferencia del miembro de refuerzo, o incluso al menos aproximadamente 0,5 mm alrededor de toda la circunferencia del miembro de refuerzo. Dicho de otra manera, el radio de la superficie interior de la capa conductora 750 puede ser al menos aproximadamente 0,1 mm mayor que el radio exterior del miembro de refuerzo 740, incluida la capa aislante 744, por ejemplo, al menos aproximadamente 0,2 mm, o incluso al menos aproximadamente 0,5 mm mayor que el radio exterior del miembro de refuerzo 740, incluida la capa aislante 744.
Como se ilustra en la Figura 7 , el alambre mensajero 702 incluye una capa conductora 750 que comprende una pluralidad de hebras conductoras individuales 752a y 752b. Las hebras conductoras 752a son de forma trapezoidal. Las hebras conductoras de forma trapezoidal 752a están rodeadas por hebras conductoras circulares más pequeñas 752b. De este modo, las hebras trapezoidales 752a pueden enrollarse helicoidalmente alrededor del miembro de refuerzo 740, y las hebras conductoras redondas más pequeñas 752b pueden enrollarse helicoidalmente alrededor de las hebras trapezoidales 752a. Las hebras conductoras 752a/752b están fabricadas con cobre o aleaciones de cobre de alta conductividad.
La Figura 8 ilustra una vista en perspectiva seccionada de un alambre mensajero 802 según una realización de la presente descripción. El alambre mensajero 802 incluye un solo miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra 840 que incluye un material compuesto reforzado con fibra 842. Es notable que los alambres mensajeros descritos en la presente memoria pueden incluir un solo miembro de refuerzo unitario, es decir, en comparación con los alambres mensajeros conocidos en donde el miembro de refuerzo está formado por una pluralidad de hebras individuales enrolladas helicoidalmente de acero revestido de cobre. Una capa aislante 844 (por ejemplo, una capa de fibra de vidrio) está dispuesta entre el material compuesto 842 y la capa conductora 850. La capa conductora 850 incluye una pluralidad de hebras conductoras eléctricas individuales 852 que son de forma trapezoidal, por ejemplo, como se describe con referencia a la FIG 7. Aunque no se ilustra en la Figura 8 , el alambre mensajero 802 también puede tener una forma de hueco entre la capa conductora 850 y el miembro de refuerzo 840. Además, la capa conductora 850 también puede comprender hebras conductoras circulares enrolladas helicoidalmente alrededor de las hebras trapezoidales como se ilustra en la Figura 7. Como alternativa, las hebras conductoras eléctricas pueden tener una sección transversal que tiene la forma general de una "Z", por ejemplo, donde las hebras conductoras eléctricas se entrelazan con las hebras conductoras adyacentes.
En cualquier caso, las hebras conductoras 852 están fabricadas de cobre o una aleación de cobre que se compone predominantemente de cobre. El cobre es típicamente deseable debido a su muy alta conductividad.
Métodos para la fabricación de miembros de refuerzo compuestos reforzados con fibra
Según una caracterización, los miembros de refuerzo compuestos reforzados con fibra pueden fabricarse mediante un proceso de pultrusión. A modo de ejemplo, la Figura 9 es una ilustración esquemática de un aparato de pultrusión 900 que puede ser útil en un método para la fabricación de un material compuesto reforzado con fibra para el miembro de refuerzo. Las fibras de refuerzo se proporcionan típicamente como estopas de fibra que se colocan en carretes, paquetes de extracción central o dispositivos similares (denominados colectivamente en la presente memoria "carretes"), para facilitar la extracción continua de las fibras de refuerzo. Los carretes de fibra 904 puede incluir tramos continuos de estopas de fibra 902 que tienen varios kilómetros o más de longitud, tal como 8 kilómetros, 10 kilómetros o más de 12 kilómetros de longitud, permitiendo así la producción de miembros de refuerzo compuestos reforzados con fibra de longitudes similares. En referencia a la Figura 9, las estopas de fibra de refuerzo 902 se pueden extraer de una pluralidad de carretes de fibra 904. A este respecto, múltiples carretes de estopas de fibra se pueden contener en un estante 906 para proporcionar simultáneamente múltiples estopas de las fibras de refuerzo a las operaciones unitarias. En un ejemplo, el estante 906 puede contener varios carretes 904 de estopas de fibra de refuerzo 902 que se hacen avanzar simultáneamente a través de las operaciones de conformado subsiguientes.
Después de sacarse de sus carretes 904, las estopas de fibra de refuerzo 902 se pueden guiar para disponer espacialmente las estopas de fibra de refuerzo 902 de la manera deseada. Por ejemplo, las fibras de un primer tipo (por ejemplo, fibras de módulo de elasticidad alto) pueden guiarse de manera que las fibras del primer tipo estén dispuestas cerca de un eje central del material compuesto reforzado con fibra resultante y las fibras de un segundo tipo (por ejemplo, fibras secundarias) pueden guiarse de modo que las fibras del segundo tipo se coloquen en una sección de material exterior que rodea la sección de material interior.
Los carretes de fibra 904 pueden configurarse de modo que las estopas de fibra 902 se sometan a tracción no tangencial (por ejemplo, de un paquete de extracción central). Ventajosamente, las estopas de fibra 902 pueden someterse a tracción tangencial de los carretes de fibra 904 para prevenir o reducir el potencial de torsión de las fibras de refuerzo, lo que puede ser perjudicial para las propiedades físicas del miembro de refuerzo. Por ejemplo, las fibras retorcidas pueden crear zonas secas en el miembro compuesto como resultado de la humectación incompleta de las fibras de refuerzo durante las siguientes etapas de humectación de la resina, dando como resultado una zona débil en el miembro de refuerzo.
Las estopas de fibra de refuerzo 902 se hacen avanzar a través de las operaciones de conformado al ser extraídas. Por ejemplo, el material compuesto reforzado con fibra 922 que sale de un troquel de curado 910 se puede extraer para hacer avanzar las fibras de refuerzo. De este modo, las estopas de fibra de refuerzo 902 pueden extraerse de forma sustancialmente continua de los carretes de fibra 904, como por un motor eléctrico o cualquier otro accionamiento apropiado, o por un sistema de reciprocidad 930 como se ilustra en la Figura 9. En una caracterización, la tensión en cada carrete de fibra 904 también se puede controlar de forma independiente. Por ejemplo, el estante dispensador 906 puede incluir un dispositivo (por ejemplo, un mecanismo de freno) que permite el ajuste de la tensión para cada carrete de fibra 904. El ajuste de tensión se puede utilizar para reducir la formación de catenarias (nudos) y reducir el cruce de las estopas de fibra 902 a medida que avanzan a través de las operaciones de conformado. El ajuste de tensión de las estopas de fibra de refuerzo 902 también puede ayudar en el proceso de humectación de la resina.
Las fibras de refuerzo se someten a una etapa de humectación, por lo que las estopas de fibra se ponen en contacto con una resina (por ejemplo, una resina epoxi líquida) para revestir e impregnar las fibras de refuerzo con la resina para formar un manojo de fibras impregnadas de resina. Se pueden emplear diversas técnicas alternativas conocidas en la técnica para aplicar e impregnar las fibras con resina. Tales técnicas pueden incluir, por ejemplo, pulverización, inmersión, revestimiento inverso, revestimiento en rollo, cepillado e inyección de resina. También se pueden utilizar resinas secas, tales como resinas termoplásticas secas.
Como se ilustra en la Figura 9, las estopas de fibra 902 se ponen en contacto con una resina líquida 913 en un baño de resina 912 extrayendo las estopas de fibra de refuerzo 902 a través del baño de resina 912 para formar un manojo de fibras impregnadas de resina 914. La viscosidad de la resina 913 durante la humectación puede afectar a la tasa de fabricación, es decir, la velocidad a la que las estopas de fibra 902 se pueden extraer a través de las operaciones unitarias. Para lograr la proporción deseada de fibra respecto a resina para la formación de un material compuesto reforzado con fibra para un miembro de refuerzo, la viscosidad de la resina 913 durante la humectación puede ser, por ejemplo, al menos aproximadamente 0,2 Pas (200 cPs) y no más de aproximadamente 10 Pas (10000 cPs) a la temperatura de humectación (por ejemplo, aproximadamente 20 °C). Después de la humectación de las estopas de fibra, el manojo de fibras impregnadas de resina 914 puede someterse a una etapa de limpieza para eliminar una porción de la resina de las fibras. La etapa de limpieza se puede adaptar para eliminar una porción de la resina de modo que se pueda lograr la relación deseada de fibra respecto a resina en el material compuesto reforzado con fibra. Por ejemplo, el manojo de fibras impregnadas de resina 914 se puede extraer por encima o por debajo de una pluralidad de barras de limpieza 918 para eliminar el exceso de resina. El exceso de resina eliminado del manojo de fibras 914 se puede reciclar de nuevo al baño de resina 912 para conservar la resina.
El manojo de fibras impregnadas de resina 914 luego puede someterse a una etapa de curado para curar sustancialmente la resina para formar el material compuesto reforzado con fibra 922. Por ejemplo, la etapa de curado puede incluir pasar el manojo de fibras impregnadas de resina 914 a través de una o más zonas de calentamiento con temperatura controlada en un troquel de curado 910 que tiene una perforación 920 de troquel de curado. En general, la temperatura de la(s) zona(s) de calentamiento es al menos aproximadamente 100 °C y no es mayor que aproximadamente 800 °C. En un ejemplo, la temperatura de las zonas de calentamiento controladas aumenta gradualmente a medida que el manojo de fibras impregnadas de resina 914 se mueve a través del troquel de curado 910. La longitud del troquel de curado 910 y la velocidad del manojo de fibras 914 a través del troquel de curado 910 determinan la cantidad de tiempo que la resina estará sometida a la temperatura de curado. Pueden emplearse otros métodos de curado, como el curado ultravioleta (UV), curado por haz de electrones y curado por rayos X.
El material compuesto reforzado con fibra 922 que sale del troquel de curado 910 puede someterse a una etapa de curado posterior y una etapa de enfriamiento. La etapa de curado posterior puede incluir, por ejemplo, mantener una temperatura elevada durante un período de tiempo, tal como una temperatura de aproximadamente 200 °C. El enfriamiento del material compuesto reforzado con fibra 922 puede lograrse exponiendo el material compuesto 922 a condiciones sustancialmente ambientales durante un período de tiempo suficiente para enfriar el material compuesto 922 para que se pueda enrollar o disponer de otro modo en un carrete de almacenamiento 926 o estructura similar para almacenamiento y/o transporte.
De este modo, el material compuesto reforzado con fibra 922 puede estar enrollado alrededor de un carrete de almacenamiento 926 (por ejemplo, un tambor de transporte) al final del proceso de pultrusión para el almacenamiento y/o transporte del material compuesto 922. En una configuración, el carrete de almacenamiento 926 puede tener un tamaño (por ejemplo, un diámetro interno) que sea suficiente para contener al menos unos 500 metros de miembro de refuerzo 922, tal como al menos aproximadamente 1 km, al menos aproximadamente 2 km, al menos aproximadamente 5 km, e incluso al menos aproximadamente 7,5 km. Por ejemplo, el carrete de almacenamiento 926 puede ser un carrete de almacenamiento de madera y puede tener un diámetro interno alrededor del cual se enrolla el miembro compuesto de al menos aproximadamente 0,3 metros, tal como al menos aproximadamente 0,5 metros, o incluso al menos aproximadamente 1 metro.
Una capa aislante (por ejemplo, un revestimiento) se puede aplicar alrededor del material compuesto reforzado con fibra. Tal capa de material se puede aplicar antes de enrollar el material compuesto reforzado con fibra en un carrete de almacenamiento (por ejemplo, la colocación de la capa de material puede integrarse con el proceso de pultrusión), o la capa de material puede disponerse sobre el material compuesto reforzado con fibra en un momento posterior, por ejemplo, después de la colocación inicial del compuesto reforzado con fibra en el carrete de almacenamiento. A este respecto, el material compuesto reforzado con fibra se puede desenrollar del carrete, revestirse con una capa de material (por ejemplo, un polímero tal como PEEK), y luego volver a enrollarse en otro carrete de almacenamiento para el almacenamiento y transporte posteriores del miembro de refuerzo completo. Cuando el miembro de refuerzo incluye una capa aislante que comprende fibras de vidrio sustancialmente continuas, las fibras de vidrio pueden integrarse directamente en el proceso de pultrusión descrito anteriormente de modo que las fibras de vidrio se dispongan en una resina que se cura con la resina que une las fibras de refuerzo (de módulo de elasticidad alto).
Instalación de alambres mensajeros
Usando la(s) configuración(es) de alambre mensajero descritas en la presente memoria, puede ser posible instalar el alambre mensajero en un sistema de catenaria de manera que las propiedades relevantes del alambre mensajero sean dictadas enteramente por el miembro de refuerzo. Para que el alambre mensajero exhiba solo las propiedades del miembro de refuerzo, la capa conductora no soportará ninguna carga de tracción. El intervalo de temperatura ambiente sobre el que el alambre mensajero no debe cambiar de tensión es de aproximadamente -30 °C a aproximadamente 100 °C. Por lo tanto, el punto de inflexión térmico del alambre mensajero, que es la temperatura a la que se libera toda la carga de las hebras conductoras de cobre, debe estar a la temperatura más baja posible para garantizar una tensión casi constante sobre el intervalo de temperatura ambiente de funcionamiento deseado para los trenes eléctricos. Por lo tanto, el alambre mensajero debe instalarse de tal manera que el punto de inflexión térmico descienda hasta la temperatura ambiente más baja deseada. Esto garantiza que a temperaturas muy bajas (bajo cero), el alambre no se "acapare", lo que también puede cambiar la elevación del alambre de contacto sobre las vías del tren, lo que también puede influir en la velocidad de los trenes que se puede obtener con seguridad.
Las realizaciones anteriores de un alambre mensajero de tren eléctrico pueden permitir que el alambre mensajero se instale usando métodos únicos. Por ejemplo, los alambres mensajeros pueden instalarse en un sistema de catenaria de tal manera que prácticamente toda la tensión del alambre mensajero se aplique al miembro de refuerzo, y sustancialmente no se aplique tensión, directa o indirectamente, a la capa conductora. El alambre mensajero también se puede instalar sin el uso de contrapesos, como los ilustrados en la Figura 4, o sistemas similares que anteriormente se requerían para mantener una tensión constante en el alambre mensajero, que pueden reducir los costes de capital y los costes operativos (por ejemplo, de mantenimiento).
En una realización, el alambre mensajero se puede instalar (encordar) sin el uso de un sistema de voladizo.
Si bien se han descrito en detalle diversas realizaciones de un alambre mensajero para trenes eléctricos, es evidente que a los expertos en la técnica se les ocurrirán modificaciones y adaptaciones de esas realizaciones. Sin embargo, debe entenderse expresamente que tales modificaciones y adaptaciones están dentro del alcance de la presente invención, siempre que entren dentro del alcance de las reivindicaciones.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Un alambre mensajero de tren eléctrico, comprendiendo el alambre mensajero:
un miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra; y
una capa conductora que rodea el miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra, comprendiendo la capa conductora cobre o una aleación de cobre;
en donde el alambre mensajero comprende un hueco entre el miembro de refuerzo compuesto y la capa conductora.
2. El alambre mensajero de tren eléctrico según la reivindicación 1, en donde el hueco entre el miembro de refuerzo compuesto y la capa conductora tiene un tamaño de al menos aproximadamente 0,5 mm entre una circunferencia completa del miembro de refuerzo compuesto y la capa conductora.
3. El alambre mensajero de tren eléctrico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la capa conductora comprende una pluralidad de hebras conductoras entrelazadas y enrolladas helicoidalmente.
4. El alambre mensajero de tren eléctrico según la reivindicación 3, en donde las hebras conductoras tienen una sección transversal en forma de Z.
5. El alambre mensajero de tren eléctrico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la capa conductora comprende una pluralidad de hebras conductoras de cobre.
6. El alambre mensajero de tren eléctrico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra comprende fibras de refuerzo sustancialmente continuas de módulo de elasticidad alto.
7. El alambre mensajero de tren eléctrico según la reivindicación 6, en donde las fibras de refuerzo de módulo de elasticidad alto comprenden fibras de carbono.
8. El alambre mensajero de tren eléctrico según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 7, en donde las fibras de refuerzo de módulo de elasticidad alto están dispuestas en una matriz de polímero.
9. El alambre mensajero de tren eléctrico según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, en donde el miembro de refuerzo reforzado con fibra comprende fibras de refuerzo secundarias que son diferentes de las fibras de refuerzo de módulo de elasticidad alto.
10. El alambre mensajero de tren eléctrico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el alambre mensajero comprende además una capa aislante dispuesta entre el miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra y la capa conductora.
11. El alambre mensajero de tren eléctrico según la reivindicación 10, en donde la capa aislante comprende una capa de vidrio o comprende un revestimiento polimérico sobre el miembro de refuerzo.
12. El alambre mensajero de tren eléctrico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el miembro de refuerzo compuesto reforzado con fibra tiene un coeficiente de expansión térmica (CTE) que no es mayor de aproximadamente 2x10-6/°C.
13. El alambre mensajero de tren eléctrico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el miembro de refuerzo reforzado con fibra tiene un diámetro de al menos aproximadamente 5 mm y no mayor de aproximadamente 14 mm.
14. Un sistema de catenaria para un tren electrificado, que comprende:
una pluralidad de estructuras de soporte separadas;
un alambre mensajero unido operativamente a la pluralidad de estructuras de soporte; y
un alambre de contacto eléctricamente conductor dispuesto operativamente debajo del alambre mensajero y soportado por el alambre mensajero,
en donde el alambre mensajero es un alambre mensajero según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13.
15. El sistema de catenaria mencionado según la reivindicación 14, en donde el sistema de catenaria no incluye un ancla de peso equilibrado.
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