軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架零部件應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料替代金屬材料研究

王昕敏

( 西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710026)

軌道交通對(duì)于我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)具有至關(guān)重要的作用，也直接影響著公共交通事業(yè)的進(jìn)步。軌道交通的車輛轉(zhuǎn)向架，是高速軌道列車核心結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)之一。轉(zhuǎn)向架約占軌道交通車輛整重的30%～40%，較高的重量無疑給車輛的輕量化發(fā)展帶來影響。此外，傳統(tǒng)的車輛轉(zhuǎn)向架多以鋼材焊接組裝而成，在長期高負(fù)荷、高強(qiáng)度工作狀態(tài)下，會(huì)因外力作用而在焊接部分形成疲勞斷裂等問題。因此，相關(guān)領(lǐng)域不斷嘗試使用新的材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬材料用于替換轉(zhuǎn)向架中的某些零部件。碳纖維復(fù)合材料便是替換材料中較為出色的一種。碳纖維復(fù)合材料由于具有密度低、高強(qiáng)度、耐腐蝕等性能優(yōu)勢(shì)，逐漸被軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用于車輛各部分，例如司機(jī)室頭罩、車輛車體等。然而，專門針對(duì)車輛轉(zhuǎn)向架應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料的研究尚且不多。本文以碳纖維復(fù)合材料為主要研究對(duì)象，對(duì)復(fù)合材料在車輛轉(zhuǎn)向架各零部件中的應(yīng)用可行性進(jìn)行分析，提出了針對(duì)現(xiàn)有某型號(hào)客用軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架的整改優(yōu)化方法。

1 碳纖維復(fù)合材料特性

（1）重量輕、強(qiáng)度高

傳統(tǒng)的軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架多采用碳鋼、不銹鋼或者鋁合金材料制備而成，這些材料中鋁合金材料的密度整體最低。但是與碳纖維復(fù)合材料相比，即便鋁合金材料的密度也要遠(yuǎn)超普通碳纖維復(fù)合材料［1］。表1 所示為軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架常用金屬材料性能參數(shù)與碳纖維復(fù)合材料性能參數(shù)的對(duì)比情況。

表1 轉(zhuǎn)向架用材料性能對(duì)比Table 1 Comparison of material properties of bogie

從密度方面分析，碳纖維復(fù)合材料能夠表現(xiàn)出明顯優(yōu)于碳素鋼或者不銹鋼的性能，即便與鋁合金材質(zhì)相比，碳纖維復(fù)合材料的密度優(yōu)勢(shì)也極為明顯。從材料的強(qiáng)度來看，碳纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)超普通金屬或合金材料，比強(qiáng)度與比模量更是遠(yuǎn)超一般碳素鋼。如果采用碳纖維復(fù)合材料替換傳統(tǒng)的金屬或鋁合金材料，不僅能夠全面降低軌道交通車輛的整體重量，還能夠一定程度上增強(qiáng)車輛的整體強(qiáng)度。

（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活

與傳統(tǒng)金屬材料相比，碳纖維復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為靈活。這種設(shè)計(jì)靈活優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在兩方面。首先，碳纖維復(fù)合材料的材料性能更加優(yōu)異，在使用碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)加工時(shí)，可以為設(shè)計(jì)人員提供更加寬泛的設(shè)計(jì)余量，設(shè)計(jì)人員可以靈活采用多種結(jié)構(gòu)進(jìn)行零部件設(shè)計(jì)，而不必?fù)?dān)心零部件結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度。其次，碳纖維復(fù)合材料本身的加工方式可以采用鋪層設(shè)計(jì)、模具加工等多種方式，可以幫助設(shè)計(jì)人員避免傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的諸多問題。

圖1 所示是一種典型的載客輕軌車輛轉(zhuǎn)向架，包括懸掛彈簧、構(gòu)架、車輪等零部件。這種轉(zhuǎn)向架基本全部由金屬材料制備而成，除了車身較重這一負(fù)面問題外，在長期高負(fù)荷運(yùn)載狀態(tài)下，車輛的構(gòu)架、車輪、制動(dòng)盤等部位均有可能因?yàn)檩d荷的作用而產(chǎn)生裂縫或缺口，進(jìn)而造成安全事故。

表2 所示為載荷由0 增加至107N 過程中，完整碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件、有缺口的碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件以及原始粘合短碳纖維材料的材料延伸率變化情況［2-4］。

表2 碳纖維復(fù)合材料耐久性能比較( 延伸率：%)Table 2 Comparison of durability of carbon fiber composites

由表2 數(shù)據(jù)可知，盡管完整的結(jié)構(gòu)件在最初的材料延伸率方面表現(xiàn)出明顯高于缺口結(jié)構(gòu)件以及原始短纖維材料的性能，但是隨著材料載荷的不斷提升，三者在材料延伸率方面的差異越來越小，最終基本達(dá)到同一水平?？梢?，對(duì)于碳纖維復(fù)合材料而言，并不會(huì)因?yàn)椴牧铣霈F(xiàn)缺口或者裂紋而呈現(xiàn)過于明顯的性能變化，即材料本身對(duì)缺口、裂紋的敏感度較低，材料的綜合抗疲勞性能較為優(yōu)越。

2.2.3 懸掛彈簧

軌道交通車輛的轉(zhuǎn)向架是一種需要長期高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的零部件。以金屬材料制備而成的轉(zhuǎn)向架在長期高強(qiáng)度動(dòng)態(tài)載荷的作用下，極容易在焊接或組裝部分發(fā)生擴(kuò)展/擠壓，最終形成不斷擴(kuò)大的裂紋。由于碳素鋼或者一般鋁合金材料的抗疲勞強(qiáng)度通常并不高，在面對(duì)這種高載荷、高強(qiáng)度動(dòng)態(tài)沖擊時(shí)，容易因?yàn)椴牧狭觿?shì)而出現(xiàn)缺陷擴(kuò)張，最終造成事故［5-7］。碳纖維復(fù)合材料的抗疲勞性能遠(yuǎn)比一般的金屬或合金材料更強(qiáng)。這種性能優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在兩方面：首先，碳纖維材料本身的材料強(qiáng)度、剛性較一般金屬材料更好，更不容易在高載荷作用下形成裂紋或缺口等；其次，碳纖維復(fù)合材料在出現(xiàn)裂紋或缺口以后，由于材料本身為鋪層加工而成，不同層之間會(huì)在材料結(jié)構(gòu)作用下形成相互作用，缺口或者裂紋的影響將會(huì)大大降低。

2 轉(zhuǎn)向架應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料可行性分析

2.1 轉(zhuǎn)向架基本結(jié)構(gòu)

（3）抗疲勞性能強(qiáng)

圖1 典型載客輕軌車輛金屬轉(zhuǎn)向架Fig.1 Metal bogie of typical passenger light rail vehicle

2.2 轉(zhuǎn)向架各零部件應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料可行性

2.2.2 軸箱體

其次，碳纖維復(fù)合材料弓形板簧可以在車輛產(chǎn)生運(yùn)載負(fù)荷時(shí)使整個(gè)轉(zhuǎn)向架產(chǎn)生撓曲效應(yīng)，保證轉(zhuǎn)向架中各個(gè)車輪能夠穩(wěn)定、均勻地向鐵軌施加作用力，此時(shí)車輛內(nèi)部的乘坐舒適性能夠大幅提升。尤其當(dāng)輕軌運(yùn)行軌跡不是直線時(shí)，這種撓曲抑制能夠充分減少“輪重減載”現(xiàn)象，能夠有效避免輕軌脫軌。

軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架，是整個(gè)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的框架，基本上其他各個(gè)零部件均是以構(gòu)架為基礎(chǔ)并安裝在構(gòu)架之上的。轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架承擔(dān)了轉(zhuǎn)向架各個(gè)方向上的力和載荷，對(duì)構(gòu)架本身的設(shè)計(jì)強(qiáng)度具有較高要求。當(dāng)前絕大多數(shù)國家的輕軌系統(tǒng)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架都是以碳素鋼為主要材質(zhì)，構(gòu)架的重量約占車輛轉(zhuǎn)向架整重的15%～～30%，是占能耗比例較大的車輛零部件［8-10］。最早以復(fù)合材料代替車架構(gòu)架碳素鋼材料的構(gòu)想，起源于20 世紀(jì)80 年代的德國某公司，該公司對(duì)復(fù)合材料構(gòu)架的耐久性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，表明材料替換以后能夠顯著提升轉(zhuǎn)向架的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并降低轉(zhuǎn)向架的自重；之后全球各國均開始嘗試以碳纖維等復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)碳素鋼材料制備轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，我國最新研發(fā)的碳纖維地鐵車輛“CETROVO”采用了大量碳纖維材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬材料，使轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在有效降低自重約20% 左右的基礎(chǔ)上，有效提升了構(gòu)架屈服強(qiáng)度和抗疲勞性能。

2.2.1 構(gòu)架

軸箱體在車輛轉(zhuǎn)向架中的作用主要是保護(hù)車輛的車軸并且傳遞車輛車輪對(duì)構(gòu)架的作用力。因此，軸箱體也需要長期承擔(dān)主要來自縱向的載荷。不過當(dāng)前關(guān)于開發(fā)碳纖維復(fù)合材料軸箱體的有關(guān)研究較少，僅有我國的部分輕軌研究人員開發(fā)了某些一體成型的碳纖維復(fù)合材料軸箱體［11-13］。這種設(shè)計(jì)主要有兩方面的優(yōu)勢(shì)：一方面可以使軸箱體的自重進(jìn)一步降低，實(shí)現(xiàn)車身輕量化設(shè)計(jì)；另一方面此時(shí)的軸箱體在碳纖維復(fù)合材料高強(qiáng)、高彈的性能支持下，還可以起到一定的板簧作用，增強(qiáng)車身的穩(wěn)定性以及車內(nèi)乘坐舒適感。

統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理是應(yīng)用的前提和保障，是服務(wù)的基礎(chǔ)。平臺(tái)通過數(shù)據(jù)傳輸、業(yè)務(wù)管理等模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)圖書館業(yè)務(wù)的管理和分析，支持各種類型服務(wù)點(diǎn)的業(yè)務(wù)統(tǒng)計(jì)查詢、數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。同時(shí)，平臺(tái)結(jié)合用戶歷史閱讀日志，基于數(shù)據(jù)挖掘方法構(gòu)建用戶畫像，并以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)對(duì)讀者的個(gè)性化服務(wù)。

下述表1統(tǒng)計(jì)呈現(xiàn)為B超診斷檢查與最終病理檢查結(jié)果的同向比較。從結(jié)果統(tǒng)計(jì)中可以看到，本組70例根據(jù)最終的病理結(jié)果顯示，包括結(jié)節(jié)性甲狀腺腫55例、橋本甲狀腺炎2例、甲狀腺腺瘤11例、甲狀腺癌2例。在B超診斷檢查中，直接檢出結(jié)節(jié)性甲狀腺腫50例，檢出符合率高達(dá)90.9%；橋本甲狀腺炎2例全部檢出，符合率100%；甲狀腺腺瘤11例成功檢出9例，符合率為81.8%；此外，早期相對(duì)難診斷的甲狀腺癌2例檢出1例?？傮w來看，70例患者成功檢出62例，符合率高達(dá)88.6%。

用碳纖維復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬懸掛彈簧，是車輛轉(zhuǎn)向架與復(fù)合材料融合領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向。碳纖維復(fù)合材料具有高強(qiáng)、高彈的特性，以復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)彈簧作為板簧，具有以下兩方面優(yōu)勢(shì)。

甲洛洛回到家里，想著自己家里，老婆帶著三個(gè)兒子，也是飽一頓餓一頓，但還好，自己每個(gè)月有個(gè)十三塊錢的工資。平時(shí)在食堂里節(jié)約好午飯，早飯和晚飯也就基本夠吃了，可近來由于小阿布，自己也得捏緊褲袋。

首先，碳纖維復(fù)合材料板簧可以將轉(zhuǎn)向架側(cè)梁與螺旋彈簧的功能進(jìn)行整合，弓形碳纖維板簧可以同時(shí)提供原來兩種部件的作用，同時(shí)還能大幅降低轉(zhuǎn)向架重量。

在了解頂板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律、保證安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)有支架進(jìn)行升級(jí)。目前支架存在的主要問題是其工作阻力無法充分發(fā)揮，對(duì)頂板控制效果差，來壓時(shí)支架動(dòng)載系數(shù)及活柱縮量大。提高現(xiàn)有支架對(duì)頂板控制效果，主要從提高支架額定工作阻力和支架工作阻力發(fā)揮效率2個(gè)方面著手。

詩歌開篇的“連朝急遞達(dá)光明，沁衛(wèi)滹沱水驟狂”兩句敘述了滹沱河水急劇漲高引發(fā)水災(zāi)的急報(bào)接踵而來，反映了當(dāng)時(shí)情勢(shì)的急迫，表明阻水治水之事已經(jīng)刻不容緩。而“奉使總能如汲黯，便宜先發(fā)海陵倉”兩句則反映了詩人的賑災(zāi)主張，詩人希望朝廷能夠不拘陳規(guī)，盡早開啟海陵倉賑濟(jì)災(zāi)民。

2.2.4 車軸

車軸是軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架的重要承力部件，需要承擔(dān)很大一部分車身整重在垂直方向的載荷以及其他轉(zhuǎn)向架部件帶來的其他方向的載荷。因此，車軸部分的受力情況較為復(fù)雜。車軸材料的選擇除了輕量化要求以外，還必須同時(shí)具備較高的可加工性、較高的材料剛性等，以避免車軸在承受彎矩或力矩時(shí)產(chǎn)生過大的形變量等。不過對(duì)于當(dāng)前的復(fù)合材料研究領(lǐng)域而言，尚未能發(fā)現(xiàn)某種碳纖維復(fù)合材料或其他復(fù)合材料能夠替代現(xiàn)有的金屬材料。這主要是因?yàn)槿舯３脂F(xiàn)有車軸結(jié)構(gòu)不變的情況，碳纖維等復(fù)合材料并不能長期保持良好的彈性模量，無法承擔(dān)圓柱形結(jié)構(gòu)帶來的材料性能衰減。因此，本文認(rèn)為車軸部分暫時(shí)無法以碳纖維復(fù)合材料完全替代。

2.2.5 制動(dòng)盤、剎車片

票務(wù)查詢系統(tǒng)所需要的數(shù)據(jù)通過編寫網(wǎng)絡(luò)爬蟲程序來實(shí)現(xiàn)定向抓取，通過對(duì)數(shù)據(jù)的過濾、分析以及存儲(chǔ)來得到系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的可視化模塊通過jsp頁面進(jìn)行展示，后臺(tái)服務(wù)器采用tomcat+SpringMVC的技術(shù)，使用開源的MySQL進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，這些技術(shù)都是業(yè)界成熟多年的技術(shù)，完全可以滿足本項(xiàng)目的要求。

制動(dòng)盤、剎車片主要承擔(dān)的是制動(dòng)時(shí)車輛的車輪以及車軸帶來的摩擦力。此外，制動(dòng)盤與剎車片還必須擁有良好的耐磨性和耐高溫性能。當(dāng)前最常用的制動(dòng)盤、剎車片復(fù)合材料為超高分子聚乙烯、聚酰胺結(jié)構(gòu)等［14］。而這種材料在長期高負(fù)荷作用下會(huì)出現(xiàn)異常磨損甚至融化，對(duì)于車輛的正常運(yùn)行危害性極大。因此，部分學(xué)者嘗試使用其他復(fù)合材料制備制動(dòng)盤和剎車片。有學(xué)者開發(fā)了增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與碳/ 碳復(fù)合材料顆粒進(jìn)行混合的方法制備剎車片材料，能夠有效提升剎車片的耐磨性，但是這種剎車片材料一旦遇到潮濕條件會(huì)一定程度上降低部分摩擦力［14］。因此，盡管這種復(fù)合材料混合剎車片自重較低，耐磨性也較好，但仍然不值得進(jìn)行推廣。目前還沒有更多的研究表明碳纖維材料可以明顯取代傳統(tǒng)金屬、高分子材料用于制備制動(dòng)盤和剎車片。

2.2.6 車輪

車輪是軌道交通車輛整體結(jié)構(gòu)中最核心的零部件，需要為車輛提供垂直于鐵軌方向的支撐力以及鐵軌對(duì)車輪在平行方向的約束力等，受力載荷極大。車輪部分所承受的載荷突出表現(xiàn)為高強(qiáng)度、長周期、極端沖擊、高磨損、高腐蝕以及高熱量等。車輪部位材料的應(yīng)用與選擇，對(duì)車輛整體運(yùn)行穩(wěn)定性、功耗等均會(huì)產(chǎn)生極大影響。我國某企業(yè)開發(fā)了一種金屬搭配復(fù)合材料的新型車輪，該車輪最外圍輪轂以及最內(nèi)層襯套均是傳統(tǒng)的碳鋼材質(zhì)，而輪心部位則采用了碳纖維復(fù)合材料，利用粘膠和嵌襯工藝將三者進(jìn)行連接［15］。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一方面能夠顯著降低車輪自重20% 左右，還能有效降低車輪部分在高載荷作用下與鐵軌之間的沖擊載荷，進(jìn)而有效提供緩沖作用的同時(shí)，降低轉(zhuǎn)向架其他部件受到的運(yùn)動(dòng)沖擊。

2.3 轉(zhuǎn)向架各零部件應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料方案

經(jīng)以上分析可知，在軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架各零部件中，構(gòu)架、軸箱體、懸掛彈簧以及車輪這四個(gè)部件具有以碳纖維復(fù)合材料替代傳統(tǒng)金屬材料的可行性；而車軸以及剎車系統(tǒng)方面，本文認(rèn)為當(dāng)前并沒有太多的材料替換可行性。因此，本文建議在今后的軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)上應(yīng)用復(fù)合材料時(shí)，應(yīng)將主要的設(shè)計(jì)重心集中在構(gòu)架、軸箱體、懸掛彈簧以及車輪四個(gè)零部件方面。在這四處應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料，能夠?qū)崿F(xiàn)車輛整體的輕量化從而顯著提升車輛能耗效率，還能夠增強(qiáng)車輛轉(zhuǎn)向架整體剛性、彈性和舒適性等。

在機(jī)械手設(shè)計(jì)中，通常既要滿足任務(wù)要求，保證軌跡的平滑，又要降低機(jī)械手的慣性力，即降低機(jī)構(gòu)的加速度。為了綜合權(quán)重機(jī)械手的完成任務(wù)能力和減小慣性力，該項(xiàng)目采用ASA自適應(yīng)模擬退火算法對(duì)機(jī)械手構(gòu)件尺寸進(jìn)行優(yōu)化，此算法具有優(yōu)良的全局求解能力和計(jì)算效率，可有效找到合理的參數(shù)。

3 結(jié)語

綜上所述，碳纖維復(fù)合材料因具備高強(qiáng)、高彈、低密度和抗老化疲勞的性能而被廣泛應(yīng)用于軌道交通領(lǐng)域。然而，并不是所有的轉(zhuǎn)向架零部件均適合采用碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行材料替代。相關(guān)研究領(lǐng)域工作人員應(yīng)根據(jù)各部件的具體特征和現(xiàn)實(shí)需求，靈活選擇是否以復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)碳素鋼或者選用何種復(fù)合材料進(jìn)行新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。