軌道交通先進復合材料應用和現(xiàn)狀

　　

　　軌道交通車體結構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，其質量約占整車的15%～30%。若動車組車輛質量減輕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)車體結構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)車體結構質量減輕的重要方法是輕量化選材和結構設計。與鋼、鋁等傳統(tǒng)金屬材料相比，碳纖維復合材料為主的先進復合材料在輕量化、節(jié)能、電磁屏蔽、碰撞吸能等方面具有明顯的優(yōu)勢。例如，采用碳纖維復合材料制作的司機室頭罩具，抗沖擊性能明顯提升，當承受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。國際上碳纖維復合材料在軌道列車的應用集中于車體、轉向架、車外設備和車內裝飾。

　　

　　案例一：日本新型新干線N700系高速列車CFRP部件，利用碳纖維復合材料，設計和制造了分車體蒙皮、絕緣子（導電弓架邊緣）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”采用為碳纖維側梁的柔性構架，對原本剛性的轉向架進行的革命性的改進，經(jīng)過美國交通技術中心（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)的列車車體側部使用了碳纖維復合材料。

　　

　　針對復合材料在軌道交通上的應用，國內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域研制出具有完全自主知識產(chǎn)權的世界首輛全碳纖維復合材料地鐵車體。全碳纖維復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，碳纖維復合材料車體、轉向架、司機室、設備艙的成功研制，使得整車減重15%，軌道交通業(yè)界對碳纖維復合材料在軌道交通領域的應用充滿期待。

　　

　　

　　

　　2018德國柏林國際軌道交通技術展上

　　

　　中國中車發(fā)布的采用碳纖維車體技術的下一代地鐵

　　

　　軌道交通先進復合材料研發(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合材料的應用與推廣，仍然受到了很大的限制。

　　

　　從發(fā)展現(xiàn)狀可以看出，碳纖維等先進復合材料在軌道交通領域的應用和發(fā)展還存在以下問題：處于研制早期階段，技術發(fā)展較慢，工藝成本高，研制周期長，效率低；共性技術研究嚴重不足，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。目前限制先進復合材料在軌道交通車輛上應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)狀結構對軌道交通車體進行設計和制造，實現(xiàn)降低工藝成本、提高生產(chǎn)效率的目標。

　　

　　軌道交通先進復合材料研發(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子企業(yè)與俄羅斯中央特種機械研究所進行了技術交流和工作對接。經(jīng)過前期的技術交流，中俄雙方認為復合材料網(wǎng)格結構技術在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域有巨大的應用前景。以航空航天領域前期研究結果推測，采用網(wǎng)格結構的軌道交通復合材料裝備，可比現(xiàn)有案例的復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%。

　　

　　在復合材料工業(yè)中，網(wǎng)格結構復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的結構材料。復合材料網(wǎng)格結構是一種主要應用于抗屈曲結構和加筋表面結構的網(wǎng)格，主要是因為復合材料網(wǎng)格結構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)格結構復合材料的迅速發(fā)展，其應用領域逐漸擴大，其潛在市場也變得十分可觀。研究發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)格結構復合材料具有良好的承載能力，對損傷不敏感、易于修復，并且可靠性明顯提高，與夾層復合材料相比，具有更好的力學性能和多功能優(yōu)勢。不同的制備技術的出現(xiàn)，促進了網(wǎng)狀結構復合材料的巨大發(fā)展，為其各種應用奠定了堅實的基礎。

　　

　　根據(jù)應用的需要，在經(jīng)編網(wǎng)格結構中使用不同的原料：對于一般應用，通常使用聚酯、聚丙烯、玻璃纖維；對于一些特殊應用，使用高性能材料，如碳纖維和芳綸纖維；通常使用較細的滌綸紗線作為加固物。經(jīng)編網(wǎng)格結構采用單一或復式緯紗雙軸經(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)。

　　

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

　　

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