轨道交通先进复合材料研发热点与思考

发布时间: 2024-09-01 19:25:42 人气：1 来源：产品中心

  轨道交通技术及产业蕴藏十分丰富的市场开拓机会与发展的潜在能力，在其发展中，对材料的轻量化需求愈加显著。一大批轻量化材料，如先进复合材料等，为轨道交通装备的轻量化、减重提供了保障。以碳纤维复合材料为主要发展的新趋势的先进复合材料，是国民经济与国防建设必不可少的重要新型战略材料，也是轨道交通轻量化的重要发展手段。《中国中车科技发展“十三五”规划》中就曾明白准确地提出“重点突破基于碳纤维等复合材料在轨道交通领域的应用”。

  轨道交通车体结构对牵引能耗的影响程度最大，是正常减重、轻量化的主要部件，其质量约占整车的15%～30%。若动车组车辆质量减轻100kg，则运行中可节能约100GJ牵引能量。目前的轨道车辆车体材料包括耐候钢或低合金钢、高强度钢、铝合金、不锈钢等。其中，海洋性气候的沿海地区和高原地区主要使用耐腐蚀的不锈钢；耐候钢和低合金高强度钢大多数都用在车体底架部件，牵引梁、枕梁、缓冲梁等；大多数国产车体结构端底架部位采用耐候钢、低合金高强度钢（主要因为其良好的焊接性和疲劳强度）；其余承载部分采用SUS301L系列奥氏体不锈钢。

  实现车体结构质量减轻的重要方法是轻量化选材和结构设计。与钢、铝等传统金属材料相比，碳纤维复合材料为主的先进复合材料在轻量化、节能、电磁屏蔽、碰撞吸能等方面有着非常明显的优势。例如，采用碳纤维复合材料制作的司机室头罩具，抗冲击性能显著提升，当承受350kN的静载荷时，抵挡1kg铝弹的660 km/h的高速冲击；高速列车车体和转向架采用碳纤维，减重49%，轻量化节约能源的效果显著。

  国际上碳纤维复合材料在轨道列车的应用集中于车体、转向架、车外设备和车内装饰。

  案例一：日本新型新干线系高速列车CFRP部件，利用碳纤维复合材料，设计和制造了分车体蒙皮、绝缘子（导电弓架边缘）和客车窗框等。

  案例二：日本KAWASAKI（川崎重工）采用碳纤维，开发了第1代铁道车辆用列车“efwing”。“efwing”采用为碳纤维侧梁的柔性构架，对原本刚性的转向架进行的革命性的改进，经过美国交通技术中心（TTCI）线路运行试验，轮重减载率下降50%，车体外壳总减重40%。

  针对复合材料在轨道交通上的应用，国内相比国外而言起步较晚，但发展较为迅速。

  2018年1月，中车长春轨道客车股份有限公司在轨道交通领域研制出具有完全自主知识产权的世界首辆全碳纤维复合材料地铁车体。全碳纤维复合材料整车较同类地铁金属车体减重约35%，从而对提高车体的运载能力、降低能源消耗等具有重大意义。

  2018年9月，德国柏林国际轨道交通技术展上，中国中车发布了下一代地铁产品取得了令人瞩目的成效，碳纤维复合材料车体、转向架、司机室、设备舱的成功研制，使得整车减重15%，轨道交通业界对碳纤维复合材料在轨道交通领域的应用充满期待。

  2018德国柏林国际轨道交通技术展上中国中车发布的采用碳纤维车体技术的下一代地铁

  尽管全球轨道交通行业在利用先进复合材料进行轻量化研究方面做出了很大的努力，但是碳纤维等先进复合材料的应用与推广，仍然受到了很大的限制。

  从发展现状能够准确的看出，碳纤维等先进复合材料在轨道交通领域的应用和发展还存在以下问题：处于研制早期阶段，技术发展较慢，工艺成本高，研制周期长，效率低；共性技术探讨研究严重不足，未形成统一研制流程规范；缺乏统一的产品平台，资源共享不足。目前限制先进复合材料在轨道交通车辆上应用的最突出矛盾是工艺成本高、生产效率低。为此，我们可借鉴航空航天的先进经验，利用网状结构对轨道交通车体进行设计和制造，实现降低工艺成本、提高生产效率的目标。

  为推进中车轨道交通装备的轻量化发展进程，中车研究院牵头组织各相关子企业与俄罗斯中央特种机械研究所进行了技术交流和工作对接。经过前期的技术交流，中俄双方认为复合材料网格结构技术在400km高速列车、600km磁悬浮列车车体、司机室以及过渡车钩等轨道交通车辆零部件领域有巨大的应用前景。以航空航天领域前期研究结果推测，采用网格结构的轨道交通复合材料装备，可比现有案例的复合材料轨道交通装备再减重10%，装配量降低20%，制造周期缩短15%，制造成本下降15%。

  在复合材料工业中，网格结构复合材料是最有希望实现长期寻求的轻量化和高强度双重目标的结构材料。复合材料网格结构是一种主要使用在于抗屈曲结构和加筋表面结构的网格，还在于复合材料网格结构具有较大的截面惯性矩，并且具有较高的柔性。随着近年来网格结构复合材料的迅速发展，其应用领域逐渐扩大，其潜在市场也变得十分可观。研究之后发现，网格结构复合材料拥有非常良好的承载能力，对损伤不敏感、易于修复，并且可靠性显著提升，与夹层复合材料相比，具有更加好的力学性能和多功能优势。不同的制备技术的出现，促进了网状结构复合材料的巨大发展，为其各种应用奠定了坚实的基础。

  根据应用的需要，在经编网格结构中使用不相同的原料：对于一般应用，通常使用聚酯、聚丙烯、玻璃纤维；对于一些特殊应用，使用高性能材料，如碳纤维和芳纶纤维；通常使用较细的涤纶纱线作为加固物。经编网格结构采用单一或复式纬纱双轴经编机进行全线生产。这种经编机的主要生产商为2家德国公司：卡尔·迈耶纺织机械公司和利巴纺织机械公司。一台直线式纬纱双轴向经编机包括衬经、纬纱和连接衬里。这3个系统被引入一个环形区域，然后通过编织运动连接成一个圆。将经纱和纬纱的衬里捆绑在一起，从而形成一个双轴向经编网。

  与夹层结构相比，网格结构的一个重要优点就是其可靠性高；网格结构对损伤不敏感，易于修复，而且多重承载也不会降低结构的承载能力，因此其应用广泛，市场潜力可观。

  然而，在网状结构在轨道交通领域的工程化应用，仍要设计和制造技术的基础研究方面，还需要对其微观结构和各种各样的性能进行进一步探索和优化，并且需要加强对复合网格结构研究成果的实际应用与理论研究的结合。随着网格结构在航空航天和汽车制造等民用工业中的应用日益广泛，该技术在轨道交通领域的的应用在不久的将来也会加快速度进行发展。（文/章潇慧 中车工业研究院有限公司）返回搜狐，查看更加多