軌道交通先進復(fù)合材料研發(fā)熱點與思考

　　

　　軌道交通先進復(fù)合材料應(yīng)用和現(xiàn)狀

　　

　　軌道交通車體結(jié)構(gòu)對牽引能耗的影響程度最大，是正常減重、輕量化的主要部件，其質(zhì)量約占整車的15%～30%。若動車組車輛質(zhì)量減輕100kg，則運行中可節(jié)能約100GJ牽引能量。目前的軌道車輛車體材料包括耐候鋼或低合金鋼、高強度鋼、鋁合金、不銹鋼等。其中，海洋性氣候的沿海地區(qū)和高原地區(qū)主要使用耐腐蝕的不銹鋼；耐候鋼和低合金高強度鋼主要用于車體底架部件，牽引梁、枕梁、緩沖梁等；大多數(shù)國產(chǎn)車體結(jié)構(gòu)端底架部位采用耐候鋼、低合金高強度鋼（主要因為其良好的焊接性和疲勞強度）；其余承載部分采用SUS301L系列奧氏體不銹鋼。

　　

　　實現(xiàn)車體結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕的重要方法是輕量化選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計。與鋼、鋁等傳統(tǒng)金屬材料相比，碳纖維復(fù)合材料為主的先進復(fù)合材料在輕量化、節(jié)能、電磁屏蔽、碰撞吸能等方面具有明顯的優(yōu)勢。例如，采用碳纖維復(fù)合材料制作的司機室頭罩具，抗沖擊性能明顯提升，當(dāng)承受350kN的靜載荷時，抵擋1kg鋁彈的660 km/h的高速沖擊；高速列車車體和轉(zhuǎn)向架采用碳纖維，減重49%，輕量化節(jié)能效果顯著。國際上碳纖維復(fù)合材料在軌道列車的應(yīng)用集中于車體、轉(zhuǎn)向架、車外設(shè)備和車內(nèi)裝飾。

　　

　　案例一：日本新型新干線N700系高速列車CFRP部件，利用碳纖維復(fù)合材料，設(shè)計和制造了分車體蒙皮、絕緣子（導(dǎo)電弓架邊緣）和客車窗框等。

　　

　　案例二：日本KAWASAKI（川崎重工）采用碳纖維，開發(fā)了第1代鐵道車輛用列車“efwing”。“efwing”采用為碳纖維側(cè)梁的柔性構(gòu)架，對原本剛性的轉(zhuǎn)向架進行的革命性的改進，經(jīng)過美國交通技術(shù)中心（TTCI）線路運行試驗，輪重減載率下降50%，車體外殼總減重40%。

　　

　　案例三：德國SIEMENS在新開發(fā)的列車車體側(cè)部使用了碳纖維復(fù)合材料。

　　

　　針對復(fù)合材料在軌道交通上的應(yīng)用，國內(nèi)相比國外而言起步較晚，但發(fā)展較為迅速。2018年1月，中車長春軌道客車股份有限公司在軌道交通領(lǐng)域研制出具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的世界首輛全碳纖維復(fù)合材料地鐵車體。全碳纖維復(fù)合材料整車較同類地鐵金屬車體減重約35%，從而對提高車體的運載能力、降低能源消耗等具有重大意義。

　　

　　2018年9月，德國柏林國際軌道交通技術(shù)展上，中國中車發(fā)布了下一代地鐵產(chǎn)品取得了令人矚目的成效，碳纖維復(fù)合材料車體、轉(zhuǎn)向架、司機室、設(shè)備艙的成功研制，使得整車減重15%，軌道交通業(yè)界對碳纖維復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用充滿期待。

　　

　　

　　

　　2018德國柏林國際軌道交通技術(shù)展上

　　

　　中國中車發(fā)布的采用碳纖維車體技術(shù)的下一代地鐵

　　

　　軌道交通先進復(fù)合材料研發(fā)思考

　　

　　盡管全球軌道交通行業(yè)在利用先進復(fù)合材料進行輕量化研究方面做出了很大的努力，但是碳纖維等先進復(fù)合材料的應(yīng)用與推廣，仍然受到了很大的限制。

　　

　　從發(fā)展現(xiàn)狀可以看出，碳纖維等先進復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展還存在以下問題：處于研制早期階段，技術(shù)發(fā)展較慢，工藝成本高，研制周期長，效率低；共性技術(shù)研究嚴(yán)重不足，未形成統(tǒng)一研制流程規(guī)范；缺乏統(tǒng)一的產(chǎn)品平臺，資源共享不足。目前限制先進復(fù)合材料在軌道交通車輛上應(yīng)用的最突出矛盾是工藝成本高、生產(chǎn)效率低。為此，我們可借鑒航空航天的先進經(jīng)驗，利用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對軌道交通車體進行設(shè)計和制造，實現(xiàn)降低工藝成本、提高生產(chǎn)效率的目標(biāo)。

　　

　　軌道交通先進復(fù)合材料研發(fā)方向

　　

　　為推進中車軌道交通裝備的輕量化發(fā)展進程，中車研究院牽頭組織各相關(guān)子企業(yè)與俄羅斯中央特種機械研究所進行了技術(shù)交流和工作對接。經(jīng)過前期的技術(shù)交流，中俄雙方認(rèn)為復(fù)合材料網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)在400km高速列車、600km磁懸浮列車車體、司機室以及過渡車鉤等軌道交通車輛零部件領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景。以航空航天領(lǐng)域前期研究結(jié)果推測，采用網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的軌道交通復(fù)合材料裝備，可比現(xiàn)有案例的復(fù)合材料軌道交通裝備再減重10%，裝配量降低20%，制造周期縮短15%，制造成本下降15%。

　　

　　在復(fù)合材料工業(yè)中，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是最有希望實現(xiàn)長期尋求的輕量化和高強度雙重目標(biāo)的結(jié)構(gòu)材料。復(fù)合材料網(wǎng)格結(jié)構(gòu)是一種主要應(yīng)用于抗屈曲結(jié)構(gòu)和加筋表面結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格，主要是因為復(fù)合材料網(wǎng)格結(jié)構(gòu)具有較大的截面慣性矩，并且具有較高的柔性。隨著近年來網(wǎng)格結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的迅速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴大，其潛在市場也變得十分可觀。研究發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)復(fù)合材料具有良好的承載能力，對損傷不敏感、易于修復(fù)，并且可靠性明顯提高，與夾層復(fù)合材料相比，具有更好的力學(xué)性能和多功能優(yōu)勢。不同的制備技術(shù)的出現(xiàn)，促進了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的巨大發(fā)展，為其各種應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。

　　

　　根據(jù)應(yīng)用的需要，在經(jīng)編網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中使用不同的原料：對于一般應(yīng)用，通常使用聚酯、聚丙烯、玻璃纖維；對于一些特殊應(yīng)用，使用高性能材料，如碳纖維和芳綸纖維；通常使用較細(xì)的滌綸紗線作為加固物。經(jīng)編網(wǎng)格結(jié)構(gòu)采用單一或復(fù)式緯紗雙軸經(jīng)編機進行全線生產(chǎn)。這種經(jīng)編機的主要生產(chǎn)商為2家德國公司：卡爾·邁耶紡織機械公司和利巴紡織機械公司。一臺直線式緯紗雙軸向經(jīng)編機包括襯經(jīng)、緯紗和連接襯里。這3個系統(tǒng)被引入一個環(huán)形區(qū)域，然后通過編織運動連接成一個圓。將經(jīng)紗和緯紗的襯里捆綁在一起，從而形成一個雙軸向經(jīng)編網(wǎng)。

　　

　　與夾層結(jié)構(gòu)相比，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的一個重要優(yōu)點就是其可靠性高；網(wǎng)格結(jié)構(gòu)對損傷不敏感，易于修復(fù)，而且多重承載也不會降低結(jié)構(gòu)的承載能力，因此其應(yīng)用廣泛，市場潛力可觀。

　　

　　然而，在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在軌道交通領(lǐng)域的工程化應(yīng)用，仍需要設(shè)計和制造技術(shù)的基礎(chǔ)研究方面，還需要對其微觀結(jié)構(gòu)和各種性能進行進一步探索和優(yōu)化，并且需要加強對復(fù)合網(wǎng)格結(jié)構(gòu)研究成果的實際應(yīng)用與理論研究的結(jié)合。隨著網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在航空航天以及汽車制造等民用工業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛，該技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域的的應(yīng)用在不久的將來也會快速發(fā)展。