碳纖維復合材料在軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架上的應用

袁代標

（江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇鎮(zhèn)江212013）

隨著全國各大城市軌道交通系統(tǒng)建設(shè)工作快速推進，人民群眾對新型城市軌道交通車輛的需求也逐漸高漲。當前軌道交通已經(jīng)從其交通紓解功能擴展到了乘坐舒適性功能，減少車輛行駛中的噪音和顛簸、振動等設(shè)計制造需求，對車輛轉(zhuǎn)向架設(shè)計工藝提出新的要求[1-2]。從轉(zhuǎn)向架功能出發(fā)，目前亟待尋求一種不影響其結(jié)構(gòu)強度前提下彈性表現(xiàn)更好的轉(zhuǎn)向架材料[3]。

碳纖維復合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastic，CFRP）是當前取代傳統(tǒng)鋼材、鋁合金設(shè)計高強度機械構(gòu)件的新型材料，其抗壓、抗拉、抗剪性能優(yōu)于鋼材和鋁合金，且其彈性性能也優(yōu)于鋼材和鋁合金，該材料已經(jīng)在航空航天工業(yè)、汽車工業(yè)等廣泛使用，國際上也有部分轉(zhuǎn)向架廠家將其應用于軌道交通轉(zhuǎn)向架的生產(chǎn)制造工藝中[4]。

該研究在仿真環(huán)境下探討碳纖維復合材料轉(zhuǎn)向架的實際運行效果，分析其在轉(zhuǎn)向架材料中的應用效果[5]。

1 碳纖維復合材料在車輛轉(zhuǎn)向架的適用性

車輛轉(zhuǎn)向架的核心功能是實現(xiàn)車廂與輪軸的可靠連接，且在車輛駛過彎道時，允許車輛沿測方向小幅度滑動，確保外側(cè)車輪的接觸輪緣直徑大于內(nèi)側(cè)，實現(xiàn)車輛的無滑動轉(zhuǎn)向。但因為有此小幅度滑動的影響，車輛在直道行駛時，因為各種受力擾動，車輛轉(zhuǎn)向架也可能發(fā)生左右位移，最終導致了車輛運行不平穩(wěn)的顛簸狀態(tài)[6]。從輪軸軌道配合角度進行分析，軌道交通的轉(zhuǎn)向原理如圖1所示。

圖1 軌道交通轉(zhuǎn)向原理圖Fig.1 Schematic diagram of rail transit steering

圖1中，D1與D2的關(guān)系配合軌距決定了車輛的轉(zhuǎn)彎半徑，因為該研究并非研究輪軸與軌道的配合關(guān)系，所以此處不展開討論，但此過程產(chǎn)生的輪軸傾斜對轉(zhuǎn)向架產(chǎn)生的應力影響以及車輛行駛過程中產(chǎn)生的車輛不可控左右位移量控制方式應在該研究中得到充分考察[7]。

早期技術(shù)條件下，為了滿足車輛轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)力學需求，一般選用鋼材或者鋁合金進行轉(zhuǎn)向架主體設(shè)計、加工。所以應對比碳纖維復合材料（CFRP）與鋼材、鋁合金的材料力學特性，對比數(shù)據(jù)結(jié)果見表1。

表1中，碳纖維復合材料（CFRP）的強度性能和彈性性能均優(yōu)于傳統(tǒng)模式下使用的鋼材或者鋁合金，密度也更低，所以其在軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)中具有較強的適應性[8]。

表1 常見材料的材料力學特征對比Table 1 Comparison of mechanical characteristics of common materials

2 碳纖維復合材料轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)力學仿 真分析

在軌道交通CAE軟件平臺上加載SimuWorks仿真組件，輸入前文表1中的材料力學相關(guān)數(shù)據(jù)，構(gòu)建軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架的試驗模型，按照車輛設(shè)計滿載載重輸入車輛靜壓力、動壓力參數(shù)，得到三種材料（鋼材、鋁合金、碳纖維復合材料）的結(jié)構(gòu)力學特性，見表2。

表2 常見材料的結(jié)構(gòu)力學特征對比Table 2 Comparison of structural mechanical characteristics of common materials

表2中，轉(zhuǎn)向架總重量指車輛轉(zhuǎn)向架主體結(jié)構(gòu)的重量，不包含懸掛彈簧、輪軸等子系統(tǒng)重量；車輛縱向顛簸為轉(zhuǎn)向架懸掛彈簧的最大壓縮距離，因為轉(zhuǎn)向架自身彈性特性可能吸收部分縱向沖擊，所以應對其懸掛彈簧最大承受壓力帶來的彈性應變進行分析；轉(zhuǎn)向架最大撓度指轉(zhuǎn)向架自身彈性特征帶來的彈性形變最大值；應力冗余指轉(zhuǎn)向架受到最大應力條件下，距離其破潰應力保留的設(shè)計冗余；綜合上述數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，采用碳纖維復合材料（CFRP）進行轉(zhuǎn)向架設(shè)計后，其總重量顯著降低，縱向顛簸顯著降低，應力冗余顯著增大，最大撓度有所升高。

綜合觀察該結(jié)構(gòu)力學仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)碳纖維復合材料與傳統(tǒng)的鋼材和鋁合金相比，其自身彈性化解了較大程度的車輛縱向顛簸，CFRP較鋼材縱向顛簸下降42.4%，較鋁合金縱向顛簸下降31.8%，但其自身撓度方面，較鋼材提升119.4%，較鋁合金提升49.1%。即可認為CFRP通過自身彈性形變吸收了較大程度的車輛縱向顛簸能量，最終實現(xiàn)車輛縱向穩(wěn)定性的提升。因為CFRP轉(zhuǎn)向架自身最大撓度增加，所以考察其應力冗余，即在最苛刻工況下的系統(tǒng)可靠性，發(fā)現(xiàn)CFRP較鋼材應力冗余提升2.18倍，較鋁合金應力冗余提升2.02倍，系統(tǒng)自身撓度增加并未影響到其運行可靠性[9]。

3 碳纖維復合材料轉(zhuǎn)向架的工程應用仿 真分析

同樣在軌道交通CAE軟件平臺上加載SimuWorks仿真組件，輸入前文表1中的材料力學相關(guān)數(shù)據(jù)，并模擬車輛在仿真道路上的行駛過程，比較車輛在不同道路條件下的輪軌滑動摩擦占比。因為當轉(zhuǎn)向架在直軌發(fā)生不可控橫向位移時，輪對半徑發(fā)生偏差，導致雙側(cè)輪軌均發(fā)生滑動摩擦，且在彎道中橫向位移不滿足設(shè)計需求時，其也因為輪對轉(zhuǎn)速差與設(shè)計轉(zhuǎn)速差發(fā)生偏移而發(fā)生滑動摩擦。對輪軌滑動摩擦進行仿真，可以有效判斷三種轉(zhuǎn)向架設(shè)計方案的實際運行穩(wěn)定性。上述仿真結(jié)果見表3。

表3 輪對滑動摩擦發(fā)生概率(%)對比表Table 3 Comparison of occurrence probability of wheelset sliding friction

表3中，鋁合金轉(zhuǎn)向架在40kmph車速下滑動摩擦發(fā)生率的增長速度開始放大，后續(xù)顯著超過鋼材轉(zhuǎn)向架，但碳纖維復合材料（CFRP）轉(zhuǎn)向架即便在80kmph車速條件下，其實滑動摩擦發(fā)生率仍然處于低位，約為鋼材轉(zhuǎn)向架的5.46%，約為鋁合金轉(zhuǎn)向架的1.66%。證實CFRP轉(zhuǎn)向架的運行穩(wěn)定性顯著優(yōu)于傳統(tǒng)模式下的鋼材轉(zhuǎn)向架和鋁合金轉(zhuǎn)向架。分析其原因，主要因為其自身重量較輕且其彈性特征較為顯著，對沖擊力的吸收效果顯著優(yōu)于前兩者。

綜合上述分析，CFRP轉(zhuǎn)向架在材料力學、結(jié)構(gòu)力學、工程力學方面均顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的鋼材轉(zhuǎn)向架和鋁合金轉(zhuǎn)向架，證明其在轉(zhuǎn)向架制造工藝中的應用具有較強的競爭力。但也應考慮到CFRP的本質(zhì)是一種高分子復合材料，其在高溫環(huán)境中會快速失穩(wěn)分解，造成運行事故，所以應比較三種轉(zhuǎn)向架實現(xiàn)模式的實際運行溫度，因為要考察轉(zhuǎn)向架的抗高溫特性，所以在仿真中設(shè)定環(huán)境溫度為40℃、靜風、空氣相對濕度為45%的較嚴苛自然環(huán)境。三種轉(zhuǎn)向架在對應車速下運行1h后的結(jié)構(gòu)溫度見表4。

表4 轉(zhuǎn)向架運行溫度(℃)對比表Table 4 Comparison of bogie operating temperature

表4中，碳纖維復合材料（CFRP）轉(zhuǎn)向架升溫效應顯著高于鋼材轉(zhuǎn)向架和鋁合金轉(zhuǎn)向架。根據(jù)材料特性進行分析，CFRP雖然在材料學角度散熱性能強于鋼材和鋁合金，但其運行過程中自身彈性變化幅度較大，彈性做功效應更為顯著，所以導致其升溫效應明顯。但相關(guān)文獻表明，CFRP的高溫失穩(wěn)臨界閾值為350℃，在該仿真中模擬的高溫室外條件下以80kmph時速連續(xù)運行1h時，CFRP轉(zhuǎn)向架溫度達到215.6℃，距離失穩(wěn)溫度仍有38.4%的安全冗余。且城市軌道交通的站點距離一般較短，車輛很難發(fā)生連續(xù)高速運行1h的實際運行狀態(tài)，所以CFRP轉(zhuǎn)向架在溫度控制方面表現(xiàn)略差，但仍在工程允許范圍內(nèi)。

考慮到運行時高溫對CFRP轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響，在上述仿真環(huán)境中比較三種轉(zhuǎn)向架的理論安全運行距離，考察地鐵、高架輕軌等城市軌道交通實現(xiàn)形式，得到表5。

表5 轉(zhuǎn)向架理論安全運行距離(km)比較表Table 5 Comparison of theoretical safe running distance of bogies

表5中，碳纖維復合材料（CFRP）轉(zhuǎn)向架的理論安全運行距離顯著低于傳統(tǒng)模式下的鋼材轉(zhuǎn)向架和鋁合金轉(zhuǎn)向架，而前兩者的理論安全運行距離基本一致。該數(shù)據(jù)的產(chǎn)生原因為CFRP材料本身的高分子特性較金屬材料在大負荷運行環(huán)境中的穩(wěn)定性仍有不足?？梢哉J為CFRP轉(zhuǎn)向架可以有效提升車輛運行舒適性的同時可能因為更頻換更換轉(zhuǎn)向架帶來更高的運行成本。

4 總結(jié)

仿真分析條件下，發(fā)現(xiàn)采用碳纖維復合材料（CFRP）設(shè)計制造城市軌道交通轉(zhuǎn)向架，可以有效提升車輛運行穩(wěn)定性，增加車輛乘坐舒適性，減少顛簸和不可控側(cè)向位移，其在材料力學、結(jié)構(gòu)力學、工程力學方面均優(yōu)于傳統(tǒng)的鋼材轉(zhuǎn)向架和鋁合金轉(zhuǎn)向架。但是，CFRP轉(zhuǎn)向架也有諸多先天不足，如其運行過程中的結(jié)構(gòu)溫度較高且其自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性對高溫耐受性較差，以及CFRP轉(zhuǎn)向架的理論安全運行距離顯著短于傳統(tǒng)材料轉(zhuǎn)向架。這就要求在后續(xù)研究中重點開發(fā)CFRP轉(zhuǎn)向架的材料復合結(jié)構(gòu)模式以進一步提升其溫度控制能力，同時通過后續(xù)研究提升其理論安全運行距離?？梢哉雇轿磥矶唐趦?nèi)，CFRP轉(zhuǎn)向架會成為城市軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架的主流選型方向。