軌道交通車輛新材料應(yīng)用前景分析

王德鵬 余黎明

一、軌道交通市場概述

軌道車輛包括高速鐵路、中低速磁懸浮線、地鐵、高架城軌、市域快軌、城際高速、市區(qū)單軌和磁懸浮車輛等，延續(xù)著半個(gè)世紀(jì)以來的高速化、重載化、電氣化的技術(shù)進(jìn)步之路，促進(jìn)全球大都市圈的城市形態(tài)發(fā)生重要的演變和轉(zhuǎn)型。尤其是完善的區(qū)域和城市的軌道交通系統(tǒng)（地鐵、輕軌和城際鐵路）改變了城市人口、經(jīng)濟(jì)等要素的分布和城市職住空間關(guān)系的變化。

目前，全球運(yùn)營高速鐵路線路里程已超過3萬km，主要國家高鐵運(yùn)營里程如表1所示。

目前，軌道客運(yùn)裝備每年需求超過400億歐元[1]，未來年均增長速率約3%～4%。其中，發(fā)達(dá)國家市場需求以更新?lián)Q代為主；新興經(jīng)濟(jì)體及發(fā)展中國家市場需求以新購為主。預(yù)計(jì)2020年全國鐵路營運(yùn)里將達(dá)到14萬～15萬km，基本建成高速鐵路網(wǎng)骨架，覆蓋80%以上的大城市。

全球50多個(gè)國家的150多座城市開通了地鐵，線路超過1萬km。截至2015年底，我國共有25個(gè)城市開通城市軌道交通運(yùn)營線路，總長度3 293km[2]，在建線路超過4 000km[3]。“十三五”期間，我國將完善優(yōu)化超大和特大城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)，加快300萬以上人口城市軌道交通成網(wǎng)，預(yù)計(jì)2020年我國超過50座城市開通運(yùn)營城市軌道交通，城市軌道交通新增運(yùn)營里程約 3 000km，預(yù)計(jì)2030年全國城際軌道線路建成運(yùn)營線路約2萬km，我國將進(jìn)入城市軌道交通快速全面發(fā)展的新時(shí)期。

簡言之，軌道交通裝備制造業(yè)是我國自主創(chuàng)新程度最高、國際創(chuàng)新競爭力最強(qiáng)、產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)效應(yīng)最明顯的高端裝備制造行業(yè)之一。在新的發(fā)展時(shí)期，綠色、環(huán)保、智能、可持續(xù)等理念使公眾對軌道交通安全、舒適、環(huán)保和可靠的期望不斷提高，金屬材料制造的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)車體在高原、沙漠、高溫、高寒和高海拔等復(fù)雜多變的服役環(huán)境中面臨諸多性能挑戰(zhàn)。例如，碳鋼車體的易腐蝕、不利于輕量化、焊接變形大等問題；不銹鋼車體的封閉性、局部屈曲、焊接變形等問題。

因此，必須持續(xù)吸收和利用包括材料在內(nèi)的高新科技成果，不斷提高軌道交通工程建設(shè)和運(yùn)營水平，材料的多元化則是實(shí)現(xiàn)軌道交通性能平衡（強(qiáng)度、振動(dòng)、噪聲、隔熱、輻射）的主要途徑。

二、軌道交通車體材料

目前，軌道車輛車體結(jié)構(gòu)主要包括耐候鋼（或低合金）高強(qiáng)度鋼車體、鋁合金車體和不銹鋼車體。通常，耐腐蝕性的不銹鋼車體結(jié)構(gòu)更適合海洋性氣候的沿海地區(qū)和高原地區(qū)；車體底架主要部件（例如，牽引梁、枕梁、緩沖梁等）通常采用耐候鋼和低合金高強(qiáng)度鋼制造（具有良好的焊接性能和疲勞強(qiáng)度），大多數(shù)我國生產(chǎn)的軌道車輛車體結(jié)構(gòu)端底架部位采用耐候鋼、低合金高強(qiáng)度鋼，其余承載部分均采用SUS301L系列奧氏體不銹鋼[4]。

近年來，軌道車輛車體選材的重要指標(biāo)是輕量化和安全性，不同材料密度和抗拉強(qiáng)度如表2所示。

1.輕量化

牽引能耗是軌道交通系統(tǒng)能耗的重要組成部分，約占總能耗的50%[6]，主要包括牽引系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)列車運(yùn)行的能耗、空調(diào)照明等車載輔助設(shè)備運(yùn)行的能耗、再生制動(dòng)反饋回牽引電網(wǎng)的能耗。其中，輔助能耗主要受車載輔助設(shè)備、氣溫、線路敷設(shè)方式的影響[7]；再生制動(dòng)能耗主要由列車到發(fā)時(shí)刻、列車運(yùn)行過程、牽引供電電壓、能量吸收裝置決定[8]。

車體結(jié)構(gòu)質(zhì)量占整車質(zhì)量比例15%～30%，對牽引能耗的影響程度最大。例如，高速軌道車輛質(zhì)量減輕100kg，運(yùn)行過程中可節(jié)能約100GJ。以德國ICE動(dòng)車組為例，輕量化材料部分技術(shù)參數(shù)[8]如表3所示。

因此，通過輕量化選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)車體結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕，提高同等動(dòng)力裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)性能，降低編組列車中的空車比率或縮短運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，直接降低運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)力費(fèi)用，間接減少軌道維護(hù)費(fèi)用。

2.安全性

軌道車輛的投資費(fèi)用約占其全壽命周期費(fèi)用的12%～34%，運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用則占其全壽命周期費(fèi)用66%～88%[10]，提高車體材料的安全可靠性水平則可減少修復(fù)維修費(fèi)用。

現(xiàn)代耐候鋼、低合金高強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)車體為骨架蒙皮硬殼式結(jié)構(gòu)（型鋼框架支撐蒙皮），材料失效和失穩(wěn)均易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)毀壞。其中，材料失效是載荷超過材料的強(qiáng)度能力；材料失穩(wěn)則表現(xiàn)為大部分材料保持完好，結(jié)構(gòu)以折疊或起皺等方式損壞。通常，結(jié)構(gòu)過載失效往往以局部失穩(wěn)開始，然后逐步發(fā)展到局部斷裂或整體結(jié)構(gòu)損壞。

高速鐵路涉及大量橋梁和隧道，車輛運(yùn)行環(huán)境比較復(fù)雜，容易出現(xiàn)異物撞擊。其中，高速?zèng)_擊（沖擊速度≥90km/h）會(huì)造成明顯面板破損；低速?zèng)_擊往往產(chǎn)生目視不可察覺的損傷形態(tài)，材質(zhì)內(nèi)部則具有大量的損傷，潛在危害影響較大。

三、軌道交通車體材料發(fā)展趨勢

在軌道交通的材料領(lǐng)域，未來重要的復(fù)合材料主要包括高質(zhì)量低成本的鋁合金材料、碳纖維等高強(qiáng)度復(fù)合材料、結(jié)構(gòu)/功能一體化的新型夾層材料。

1.鋁合金材料

鋁合金以鋁為基礎(chǔ)元素，合金元素由主加元素（硅、銅、鎂、鋅、錳）和輔加元素（鎳、鈦、鉻、鐵、鋰）組成，抗拉強(qiáng)度≥500MPa。根據(jù)《軌道交通焊接用鋁合金線材》（GB/T32181-2015）和《軌道交通用鋁及鋁合金板材》（GB/ T32182-2015）標(biāo)準(zhǔn)，鋁合金分為9個(gè)系列，車體結(jié)構(gòu)主要采用5000、6000和7000系列（AI-Mg-Si），主要采用5083、6005、6008、6063、6082和7020等牌號(hào)。

以內(nèi)裝墻板基材為例，城市軌道車輛多采用復(fù)合鋁板、鋁蜂窩板和玻璃鋼等。在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和防火環(huán)保等技術(shù)指標(biāo)的前提下，復(fù)合鋁板具有較為明顯的輕量化優(yōu)勢，如表4所示。

目前，時(shí)速超過200km的高鐵和磁懸浮車輛均已采用鋁合金車體結(jié)構(gòu)，其他軌道車輛廂體的鋁化率已超過40%[11]（例如，轉(zhuǎn)向架箱體）。例如，日本新干線、德國ICE和TGV系列已普遍采用高強(qiáng)度鋁合金制造的傳動(dòng)齒輪箱；日本多孔性薄壁空心鋁合金型材已應(yīng)用于機(jī)車車輛的側(cè)板、地板和天花板等結(jié)構(gòu)。

軌道車輛鋁合金車體由底板（大擠壓型材焊接）、側(cè)墻、頂板、端墻組成，車廂內(nèi)裝包括座椅、空調(diào)系統(tǒng)、門窗、衛(wèi)生設(shè)施、照明系統(tǒng)、電視、行李架、隔聲隔熱材料等，車體和臺(tái)車帶有制動(dòng)器和連接器。

鋁合金車體多采用大型中空擠壓型材縱向焊接筒形結(jié)構(gòu)，客運(yùn)軌道車輛材料消耗量約2.5t材料，如表5所示。車體、座椅架、行李架、門窗、空調(diào)系統(tǒng)等也可采用鋁合金制造，如表6所示。

根據(jù)《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，我國新材料產(chǎn)業(yè)將加強(qiáng)上下游協(xié)作配套，在航空鋁材等領(lǐng)域開展協(xié)同應(yīng)用試點(diǎn)示范，搭建協(xié)同應(yīng)用平臺(tái)。

2016年，科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)“重點(diǎn)基礎(chǔ)材料技術(shù)提升與產(chǎn)業(yè)化”立項(xiàng)支持《高性能鋁合金大規(guī)格板帶材制造與應(yīng)用技術(shù)》項(xiàng)目（2016YFB0300800），將開展軌道交通高性能鋁合金擠壓材，以及鋁合金車體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)與示范的研究，解決高性能擠壓材產(chǎn)品多種性能協(xié)同調(diào)控困難、大規(guī)格產(chǎn)品組織性能均勻性差、大型復(fù)雜構(gòu)件在制造與使用過程中性能退化嚴(yán)重等關(guān)鍵技術(shù)問題。

2.碳纖維復(fù)合材料

碳纖維復(fù)合材料（CFRP）具有密度低、無蠕變、耐超高溫、耐疲勞性和耐腐蝕性等優(yōu)異性能，可以滿足車體設(shè)計(jì)的阻燃、隔熱保溫和減震等設(shè)計(jì)指標(biāo)，應(yīng)用范圍正逐漸由次承載結(jié)構(gòu)零部件向主承載結(jié)構(gòu)發(fā)展。例如，碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂材料的比強(qiáng)度和比模量是現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中是最高的，主要性能如表7所示。

與傳統(tǒng)的軌道車輛材料（例如，鋼、鋁等）相比，碳纖維復(fù)合材料在輕量化、節(jié)能、電磁屏蔽、碰撞吸能等方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢和較突出的特點(diǎn)。例如，采用碳纖維復(fù)合材料制作的司機(jī)室頭罩具有優(yōu)良的抗沖擊性能，能承受350kN的靜載荷，可以抵擋1kg鋁彈的660km/h的高速?zèng)_擊[13]；高速列車車體和轉(zhuǎn)向架采用碳纖維復(fù)合材料可實(shí)現(xiàn)減重49%，帶來的輕量化和節(jié)能效果顯著[14]。

以車輛電氣接線箱為例，軌道交通材料性能對比分析如表8所示。

目前，碳纖維復(fù)合材料在軌道列車的應(yīng)用主要集中在車體、轉(zhuǎn)向架、車外設(shè)備和車內(nèi)內(nèi)裝領(lǐng)域。例如：

①日本新型新干線N700系高速列車CFRP部件包括部分車體蒙皮、絕緣子（導(dǎo)電弓架邊緣）和客車窗框等。

②日本KAWASAKI（川崎重工）成功開發(fā)世界首例主構(gòu)造采用碳纖維復(fù)合材料增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的第一代鐵道車輛用列車“efwing”，剛性焊接轉(zhuǎn)向架構(gòu)架改為碳纖維側(cè)梁的柔性構(gòu)架，經(jīng)過美國交通技術(shù)中心（TTCI）時(shí)速150km的4500公路的線路運(yùn)行試驗(yàn)，輪重減載率下降50%，車體外殼總質(zhì)量降低40%[15]。

③德國SIEMENS（西門子公司）在新開發(fā)的列車車體側(cè)部使用了碳纖維復(fù)合材料。

④Voith故障列車牽引操作過渡車鉤采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，總質(zhì)量約23kg，比鋼鐵過渡車鉤減重50%（結(jié)構(gòu)緊湊），單人可進(jìn)行攜帶安裝操作。

我國中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司首次在高速列車中應(yīng)用CFRP大型結(jié)構(gòu)件（2015年6月出廠），設(shè)備艙減重35%（相對于鋁合金結(jié)構(gòu)），各項(xiàng)指標(biāo)滿足時(shí)速350km運(yùn)營要求，可承受振動(dòng)、地面效應(yīng)、風(fēng)沙沖擊、高溫、高濕和風(fēng)雪侵蝕，已在大西線進(jìn)行350km試驗(yàn)考核和長期跟蹤，狀態(tài)良好，其主要結(jié)構(gòu)件包括：

①彎梁（箱型梁結(jié)構(gòu)）：設(shè)備艙主承載結(jié)構(gòu)件（斷面矩形），采用CFRP預(yù)浸料交叉鋪覆設(shè)計(jì)和袋壓成型工藝制造，樣品成品率較高，相應(yīng)降低制造成本。

②橫梁（工字梁結(jié)構(gòu)）：設(shè)備艙的主承載結(jié)構(gòu)件，選用T300級(jí)CFRP，采用真空導(dǎo)入技術(shù)成型，主要組裝方式為膠接和鉚接。

根據(jù)《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，我國將加強(qiáng)新材料產(chǎn)業(yè)上下游協(xié)作配套，在碳纖維復(fù)合材料等領(lǐng)域開展協(xié)同應(yīng)用試點(diǎn)示范，搭建協(xié)同應(yīng)用平臺(tái)。

根據(jù)工業(yè)和信息化部發(fā)布的《石化和化學(xué)工業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》，我國將重點(diǎn)發(fā)展高強(qiáng)和高模碳纖維，加快開發(fā)碳纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料（≥200℃）等耐高溫高強(qiáng)度工程塑料，重點(diǎn)突破高強(qiáng)碳纖維的低成本、連續(xù)穩(wěn)定、規(guī)?；a(chǎn)技術(shù)，加快高強(qiáng)中模、高強(qiáng)高模級(jí)碳纖維產(chǎn)業(yè)化突破，加快高強(qiáng)碳纖維穩(wěn)定工業(yè)化生產(chǎn)等技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和推廣應(yīng)用。

3.中空夾芯復(fù)合材料

纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料由基體和增強(qiáng)材料構(gòu)成，具有較明顯的材料界面，宏觀上呈現(xiàn)各向異性和非均質(zhì)性，特別是層剪性能遠(yuǎn)低于層內(nèi)性能等。中空夾芯復(fù)合材料是面板（高強(qiáng)度、高模量材料）、芯子（蜂窩、泡沫等輕質(zhì)材料）和連接膠層組成的輕質(zhì)多功能結(jié)構(gòu)材料，面層材料和芯層材料整體連接成型，面壓縮和沖擊性能優(yōu)異，具有較好的隔音、隔熱和耐疲勞等性能，顯著彌補(bǔ)傳統(tǒng)蜂窩、泡沫芯材等夾芯復(fù)合材料易分層、耐沖擊性能差的缺點(diǎn)，其優(yōu)異特性如表9所示。

目前，中空夾芯復(fù)合材料在軌道交通的車輛構(gòu)件的結(jié)構(gòu)/功能一體化方面具有突出優(yōu)勢，已應(yīng)用于軌道交通的車門、內(nèi)裝飾板和整流罩等部件。例如：

①英國Intercity125駕駛室外蒙皮整體成型和內(nèi)蒙皮3件拼合，中空芯材采用聚氨酯泡沫，司機(jī)室整體總量較傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)減重30%～35%，可耐時(shí)速的300km的0.9kg鋼塊的沖擊。

②意大利高速列車ETR500采用高比剛度復(fù)合材料夾層板（2層Tedlar聚氟乙烯塑料薄層，中間層為Nomex蜂窩芯材）制造內(nèi)部結(jié)構(gòu)邊墻、天花板和行李艙。

③瑞典斯德哥爾摩地鐵列車的側(cè)墻、地板和頂蓋均為不銹鋼夾聚甲基丙烯酰亞胺（PMI）泡沫芯結(jié)構(gòu)。其中，側(cè)墻總厚度減少120mm，增加車體內(nèi)部空間。

④玻璃纖維夾層復(fù)合材料內(nèi)外蒙皮采用玻纖增強(qiáng)不飽和聚酯樹脂，芯材為阻燃低密度泡沫，經(jīng)常溫真空袋技術(shù)壓制成型，均勻傳遞荷載（有利于沖擊荷載的擴(kuò)散），多用于替代傳統(tǒng)的玻璃鋼材料，同結(jié)構(gòu)減重30%。

根據(jù)工業(yè)和信息化部發(fā)布的《石化和化學(xué)工業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》，我國將重點(diǎn)加快樹脂基復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造技術(shù)。

四、結(jié)語

隨著現(xiàn)代材料技術(shù)和生產(chǎn)工藝的發(fā)展，軌道車輛車體的可選材料將日益增多，應(yīng)根據(jù)具體用途和應(yīng)用環(huán)境考量耐候鋼、低合金高強(qiáng)度鋼、不銹鋼、鋁合金和碳纖維等材料的綜合性能指標(biāo)，在滿足輕量化、安全性和環(huán)保性的基礎(chǔ)上，最大限度的滿足市場對軌道交通舒適性和美觀性的日益增長的需求。

未來5～10年，軌道車輛車體材料的發(fā)展方向主要包括4個(gè)方面：

①材料：以高強(qiáng)、超高高強(qiáng)度鋼、鋁鎂合金和碳纖維等為主的復(fù)合材料。

②制造：采用激光拼焊技術(shù)、變厚度軋制技術(shù)和型材設(shè)計(jì)。

③部件：軌道車輛車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化、力分布均衡化、加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)。

④結(jié)構(gòu)：改變以材料強(qiáng)度為基本依據(jù)的設(shè)計(jì)理念，整車結(jié)構(gòu)集成優(yōu)化設(shè)計(jì)綜合反映材料性能、加工工藝和組織結(jié)構(gòu)等因素，不同材料性能對應(yīng)不同構(gòu)件功能要求和標(biāo)準(zhǔn)。

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