碳纖維復(fù)合材料在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架中的應(yīng)用研究

陳碩

【摘 要】隨著列車速度的不斷提升，高速列車行駛安全性、穩(wěn)定性成為當前重要課題，列車輕量化研究將在高速列車發(fā)展過程中起到重要的作用，新材料的應(yīng)用是列車輕量化非常有效的途徑。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架作為列車重要組成部件，碳纖維復(fù)合材料在構(gòu)架中合理使用會改變傳統(tǒng)加工工藝中的難題，對列車輕量化意義重大。

【關(guān)鍵詞】高速列車 碳纖維復(fù)合材料 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架

近年來，中國第一條時速350公里的高速鐵路—京津城際鐵路，建設(shè)里程最長、運營速度最高的高速鐵路—武廣客運專線相繼開通運營，列車最高運營速度不僅邁上300km/h的臺階，更發(fā)展到350～360km/h的更高水平，并有向更高速度目標沖擊的趨向。為確保安全，高速列車的最高試驗速度還需要提高約10%，由此時速360km列車試驗時速度會高達400km/h，這樣高的輪軌系列列車的高速甚至超高速運行，會對列車自身零部件及輪軌提出更高、更嚴格的要求。

列車行駛速度越高，對軌道沖擊力越大，我國規(guī)定高速列車動車最大軸重為19.5t，拖車為14.5t；高速列車行駛速度大于250km/h時，需要的動能是現(xiàn)有列車的4倍多，而列車的運行靠消耗電能、化學(xué)能或其他能量實現(xiàn)；高速列車的巨大動能在制動停車的短時間內(nèi)如何消散也是一個困難的問題?？紤]以上方面，列車輕量化成為高速列車的技術(shù)關(guān)鍵，也成為列車速度提升的制約因素，因此，列車輕量化研究具有非常重要的意義。（高速列車輕量化技術(shù)）

新材料的應(yīng)用是輕量化非常有效的途徑，對于材料而言，除了要求輕質(zhì)之外，還必須具有更高的強度、模量、韌性、耐磨、耐疲勞、耐老化等性能。而且在列車不同部位使用的材料會具有特殊的要求，本文主要研究碳纖維復(fù)合材料在列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架中應(yīng)用的可行性。

由于碳纖維復(fù)合材料具有重量輕、高比強度、高比模量、耐疲勞、耐腐蝕、隔熱、耐磨、低成本、可設(shè)計性強等一系列優(yōu)點，碳纖維復(fù)合材料已經(jīng)在高速列車內(nèi)部裝備和裝飾等非結(jié)構(gòu)件中展開應(yīng)用，包括地板、墻板、門窗、座椅、車門、衛(wèi)生間等。碳纖維復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用還比較少，有車體、車頭端部等，如圖1所示，在轉(zhuǎn)向架中應(yīng)用仍處于研發(fā)階段，目前制動盤已經(jīng)嘗試采用金屬基復(fù)合材料、碳復(fù)合材料等。

構(gòu)架在轉(zhuǎn)向架中起著極其重要的作用，承受著縱向、橫向和垂向的復(fù)合載荷，應(yīng)力分布復(fù)雜，構(gòu)架的疲勞性能對車輛的運行安全性影響極大。構(gòu)架組成主要由鋼板和鋼管焊接而成，包括橫梁、側(cè)梁、空簧支撐梁等結(jié)構(gòu)，橫梁和側(cè)梁設(shè)有電機吊座、齒輪箱吊座、扭桿安裝座、制動吊座、管支架等多種結(jié)構(gòu)，各個部件內(nèi)部會布有加強筋板，采用焊接工藝連接，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對材料及焊接工藝要求較高，如圖2所示。

碳纖維復(fù)合材料加工工藝與以往轉(zhuǎn)向架構(gòu)架加工工藝存在根本不同，碳纖維復(fù)合材料講究一體成型，采用國內(nèi)外先進三維編織技術(shù)，直接加工生成所需要的零部件尺寸，但是，由于構(gòu)架內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，給碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用帶來許多困難：

（1）軌道交通行業(yè)缺少對新材料規(guī)范、標準，由于構(gòu)架為列車非常重要的部件結(jié)構(gòu)，直接決定列車使用壽命，所以材料使用前的靜強度、疲勞試驗以及動力學(xué)試驗驗證非常重要，而碳纖維復(fù)合材料缺少驗證基礎(chǔ)。（2）構(gòu)架內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難實現(xiàn)整體成型，而且構(gòu)架為轉(zhuǎn)向架安裝基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，經(jīng)常需要添加管支架、座體等結(jié)構(gòu)。預(yù)浸料（碳纖維材料加工后產(chǎn)品）之間以及預(yù)浸料與金屬件之間連接存在困難，碳纖維復(fù)合材料在成型產(chǎn)品連接處處理方法有兩種：在預(yù)浸料成型時，預(yù)埋螺栓等緊固件；采用膠類粘貼固定。相比較預(yù)浸料之間的連接方式，鋼板以及鋼管之間焊接后強度會更加可靠。（3）碳纖維材料磨損后處理方式存在差異。由于列車行駛工況復(fù)雜，構(gòu)架在使用過程中受損在所難免，金屬件可以采用修磨方式處理，但碳纖維復(fù)合材料很難處理。

由于碳纖維復(fù)合材料優(yōu)勢、特點，在列車輕量化過程中，碳纖維復(fù)合材料必然會起到越來越重要的作用，但仍存在許多難題需要客服。

參考文獻：

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