纖維復(fù)合材料在軌道車輛中的應(yīng)用

周晏云，吳偉萍，陳鈺，康鈺，韓琳，金一凡

摘要碳纖維復(fù)合材料作為一種新材料，以其輕質(zhì)、高強(qiáng)、可靈活設(shè)計等優(yōu)勢滿足了高速列車對安全、便捷、高效、綠色、經(jīng)濟(jì)的要求，成為軌道車輛重點(diǎn)研究方向，助力軌道交通事業(yè)向著“雙碳”發(fā)展目標(biāo)進(jìn)發(fā)。本文介紹了碳纖維復(fù)合材料在國內(nèi)外軌道車輛上的研究發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了國內(nèi)外碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于軌道交通領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢和性能優(yōu)勢，從材料、工藝和生產(chǎn)方面總結(jié)了碳纖維在軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)，提出了復(fù)合材料在軌道交通發(fā)展中存在的問題，并對復(fù)合材料在軌道交通中的發(fā)展方向進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞軌道交通;復(fù)合材料；碳纖維；輕量化

Application of Fiber Composites in Rail Vehicles

ZHOU Yanyun，WU Weiping，CHEN Yu， KANG Yu，HAN Lin，JIN Yifan

（Harbin FRP Institute Co.，Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACTCarbon fiber composite materials as a new material meet the requirements of high-speed trains for safety， convenience， efficiency， green， and economy with their advantages of lightweight， high strength， and flexible design， which have become a key research direction for rail vehicles， helping the rail transit industry to advance towards the “dual carbon” development goal. The research， development， and application status of carbon fiber composite materials was introduced in domestic and foreign rail vehicles， the technical and performance advantages of carbon fiber composite materials applied in the field of rail transportation at home and abroad was analyzed ， the challenges faced by carbon fiber in the application of rail transportation were summarized from the aspects of materials， processes， and production， the problems existing was proposed in the development of composite materials in rail transportation， and finally looking forward to the development direction of composite materials in rail transportation.

KEYWORDSrail transit; composite materials; carbon fiber; lightweight

1引言

我國自20世紀(jì)90年代開始部署和發(fā)展軌道交通產(chǎn)業(yè)，目前已在道路規(guī)劃、制造技術(shù)、運(yùn)行速度和安全節(jié)能等方面達(dá)到國際先進(jìn)水平［1］。2019年《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》中明確指出，我國鐵路建設(shè)應(yīng)構(gòu)建安全、便捷、高效、綠色、經(jīng)濟(jì)的交通體系，向著“雙碳”發(fā)展目標(biāo)進(jìn)發(fā)。現(xiàn)在正是重要的發(fā)展機(jī)遇期，是實現(xiàn)鐵路高質(zhì)量發(fā)展、建設(shè)交通強(qiáng)國、服務(wù)“兩個一百年”奮斗目標(biāo)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［2］。為深入貫徹我國交通強(qiáng)國建設(shè)，提供經(jīng)濟(jì)、舒適和安全的高速運(yùn)載工具，必須深入了解高速列車行業(yè)現(xiàn)狀、突破輕量化設(shè)計關(guān)卡、解決多功能結(jié)構(gòu)研發(fā)等關(guān)鍵技術(shù)難題。

近年來，被譽(yù)為“黑色黃金”的纖維復(fù)合材料以其輕質(zhì)、高強(qiáng)、可靈活設(shè)計等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用與各個領(lǐng)域，給新質(zhì)生產(chǎn)力帶來了無限可能。碳纖維復(fù)合材料的比剛度、比模量高，耐熱、導(dǎo)電、抗疲勞等性能突出，是替換傳統(tǒng)金屬材料的首選材料，在軌道交通領(lǐng)域，碳纖維復(fù)合材料可以滿足高速列車對安全、便捷、高效、綠色、經(jīng)濟(jì)的要求。本文主要介紹了纖維復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域的研究進(jìn)展和應(yīng)用發(fā)展方向。

2軌道車輛材料的發(fā)展

軌道交通具有成本低、效率高、運(yùn)力可控等優(yōu)點(diǎn)，是城市交通建設(shè)中不可缺少的環(huán)節(jié)，經(jīng)過半個世紀(jì)的建設(shè)與發(fā)展，我國城市軌道交通的正推動著 TOD（以公共交通為導(dǎo)向的開發(fā)）模式的興起。2022年政府工作報告指出，近五年我國城市軌道交通運(yùn)營里程約從4500 km增加到近10000 km［3］。軌道交通在滿足運(yùn)輸職能的同時，更要具有可持續(xù)發(fā)展力，向我國低碳綠色的發(fā)展理念靠近［4］。車輛重量作為影響運(yùn)行能耗的關(guān)鍵指標(biāo)，一直是復(fù)合材料設(shè)計人員的重點(diǎn)研究方向［5］。傳統(tǒng)的金屬材料雖擁有先進(jìn)的制備技術(shù)和成熟的制造產(chǎn)業(yè)鏈，但無法滿足軌道車輛對更高安全性和更快速度的發(fā)展需求，而先進(jìn)復(fù)合材料是推動軌道車輛向輕量化和更高安全性發(fā)展的首選。復(fù)合材料軌道車輛質(zhì)量更輕、力學(xué)性能更佳、成型能力更優(yōu)，軌道交通開始從金屬時代進(jìn)入復(fù)合材料時代［6］。隨著碳纖維復(fù)合材料在軌道車輛中的應(yīng)用越來越廣泛，軌道車輛的重量得到明顯降低，大幅降低運(yùn)行阻力，車輛表面光潔度也顯著提升［7］。碳纖維復(fù)合材料在逐步替代傳統(tǒng)金屬材料的過程中，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性是最基本的性能保障。軌道車輛常用的金屬材料與纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能對比如表1所示。

碳纖維復(fù)合材料具備比重小、比強(qiáng)度高、比模量高等優(yōu)異特性，在軌道車輛應(yīng)用中表現(xiàn)出良好的輕量化、減振隔熱、耐疲勞、壽命長以及阻燃等性能，且材料的設(shè)計可塑性高，能夠?qū)崿F(xiàn)各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式，提升了車輛的整體性能。碳纖維復(fù)合材料和傳統(tǒng)金屬材料的比強(qiáng)度和比模量對比如圖1和圖2所示［8］。

目前，國內(nèi)外碳纖維復(fù)合材料在軌道車輛車體結(jié)構(gòu)的應(yīng)用還不能完全滿足量產(chǎn)需求，這是制約碳纖維復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域規(guī)?；瘧?yīng)用的主因。第一，由于碳纖維復(fù)合材料相較金屬在設(shè)計和生產(chǎn)方面的前期投入成本高，現(xiàn)有的生產(chǎn)模式不能滿足量產(chǎn)需求；第二，碳纖維復(fù)合材料在制造、維護(hù)和回收等環(huán)節(jié)存在高耗能、高污染等問題，尚未達(dá)到低碳環(huán)保可持續(xù)發(fā)展的要求；第三，碳纖維復(fù)合材料的產(chǎn)品性能一致性有待進(jìn)一步提高，以形成成熟的操作規(guī)范和評價標(biāo)準(zhǔn)。

3國內(nèi)外復(fù)合材料軌道車輛研究進(jìn)展

3.1國外研究進(jìn)展

在軌道車輛上起初應(yīng)用在局部裝飾結(jié)構(gòu)的非承載和次承載部件上［9］。20世紀(jì)90年代初，瑞士Schindler公司設(shè)計制造了采用CFRP車體的辛德勒列車［10］，試驗運(yùn)行時速達(dá)到了140 km/h。2000年，法國雙層TGV掛車［11］表明了復(fù)合材料車體在抗振動和絕熱防火方面突出的性能，減重25? %，試驗運(yùn)行時速達(dá)到350 km/h。2003年，瑞典投入運(yùn)營C20FICA型列車［12］，減重約8? %，最高運(yùn)行時速為90 km/h。2005年，日本新型新干線N700系高速列車采用CFRP部件［13-14］，實現(xiàn)了輕量、高強(qiáng)和不燃的目標(biāo)，加速性能提高62.5 %，對于高速列車的研發(fā)和應(yīng)用具備重要指導(dǎo)意義。2010年，韓國TTX列車碳纖維復(fù)合材料車體輕量化效果顯著［15］，試驗運(yùn)行時速達(dá)到200 km/h。德國Voith公司研制碳纖維復(fù)合材料過渡車鉤總質(zhì)量僅23 kg，比傳統(tǒng)金屬材料減重50? %［16］。

3.2國內(nèi)研究進(jìn)展

我國研發(fā)纖維復(fù)合材料軌道車輛車體起步較晚，但發(fā)展速度非常迅猛。近年來，我國在軌道車輛復(fù)合材料領(lǐng)域取得了長足的進(jìn)步。2018年，中車長春軌道客車股份有限公司聯(lián)合江蘇恒神公司成功研制出“光谷量子號”，主承載結(jié)構(gòu)全采用CFRP加工成型，是全球首輛采用CFRP車體的地鐵列車之一［17］，于2018年8月在武漢東湖線實現(xiàn)商業(yè)運(yùn)營，最高運(yùn)行速度100 km/h。2018年，中車四方股份公司牽頭制造我國首型全碳纖維材料的地鐵車輛 CETROVO，在德國柏林閃亮登場，首次實現(xiàn)了我國碳纖維復(fù)合材料在軌道車輛主承載結(jié)構(gòu)上的全面應(yīng)用，整體減重13? %［18］，是CFRP材料在軌道機(jī)車上大規(guī)模應(yīng)用的重要里程碑。丁叁叁等［19］設(shè)計的碳纖維復(fù)合材料過渡車鉤取得良好的使用效果。周偉旭等［20］對全碳纖維車體應(yīng)用實例進(jìn)行了分析，證實了全碳纖維復(fù)合材料承載結(jié)構(gòu)應(yīng)用的可行性。王明舉等［21］設(shè)計的“碳纖維蒙皮-芯層”結(jié)構(gòu)車頂受力均勻，且無應(yīng)力集中點(diǎn)。張莉等［22］提出了一種軌道車輛碳纖維轉(zhuǎn)向架整體制造技術(shù)。王昕敏［23］認(rèn)為，采用碳纖維復(fù)合材料替代轉(zhuǎn)向架構(gòu)架中的金屬材料，能有效提升車輛走行部的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。越來越多的碳纖維復(fù)合材料軌道車輛部件被設(shè)計驗證并實際應(yīng)用于市場中，未來復(fù)合材料在軌道車輛的應(yīng)用將愈發(fā)成熟。

4軌道交通應(yīng)用中存在的問題及未來展望

4.1存在的問題

隨著科技的進(jìn)步，復(fù)合材料在軌道車輛車體中的應(yīng)用前景廣闊。從早期非承力構(gòu)件到主承力構(gòu)件，從小尺寸結(jié)構(gòu)到大尺寸結(jié)構(gòu)，從手糊為主的加工工藝到更先進(jìn)的成型工藝。但是，目前仍有許多難題需要解決。

（1）標(biāo)準(zhǔn)體系不足。復(fù)合材料的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)主要以航空航天行業(yè)為主，與軌道交通相關(guān)內(nèi)容較少，需要進(jìn)行試驗支撐理論分析從而總結(jié)出適用的標(biāo)準(zhǔn)。

（2）成型和連接工藝問題。高速列車內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以實現(xiàn)整體成型。復(fù)合材料轉(zhuǎn)向架等關(guān)鍵部位的連接強(qiáng)度和破壞模式仍需進(jìn)一步研究。

（3）磨損后處理差異。碳纖維、玻璃纖維等復(fù)合材料磨損后處理方式與金屬不同。現(xiàn)有檢測與監(jiān)控技術(shù)不能適應(yīng)復(fù)合材料的加工工藝和失效模式。

（4）成型工藝不成熟。復(fù)合材料成型工藝不夠成熟，生產(chǎn)線不夠完善，無法實現(xiàn)大規(guī)模批量生產(chǎn)。

4.2未來展望

（1）完善標(biāo)準(zhǔn)體系。通過參考國外FRP復(fù)合材料試驗和制造標(biāo)準(zhǔn)，完善國內(nèi)復(fù)合材料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。完善行業(yè)工藝規(guī)范，提升復(fù)合材料產(chǎn)品質(zhì)量。積極研發(fā)高新技術(shù)，持續(xù)推動新產(chǎn)品和新工藝的開發(fā)，為高速列車構(gòu)件提供更多選擇。

（2）整體設(shè)計和減少連接件。對三維曲面的車體結(jié)構(gòu)，采用整體設(shè)計，分塊制造。盡量減少螺栓、鉚釘?shù)冗B接件的使用，有利于提高產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能和外觀質(zhì)量。

（3）拓寬FRP應(yīng)用范圍。積極拓寬FRP在軌道車輛車體結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用范圍，不限于機(jī)車車頭前部、側(cè)墻、端墻，還應(yīng)推廣到司機(jī)室頂蓋、后端墻以及設(shè)備的骨架、臺面板、風(fēng)道等部件。

（4）優(yōu)化復(fù)合材料前期設(shè)計。通過進(jìn)一步優(yōu)化復(fù)合材料的前期設(shè)計，實現(xiàn)部件輕量化和安全性的保證。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)形式、鋪層和接頭的設(shè)計優(yōu)化是實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。

（5）研發(fā)高性能、低成本、輕質(zhì)化材料。著力研發(fā)高性能、低成本、輕量化的復(fù)合材料，用于軌道交通裝備制造，提高性能、降低成本。

5結(jié)語

碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用有助于軌道車輛的低碳化運(yùn)營和綠色發(fā)展，推動軌道交通領(lǐng)域緊跟國家節(jié)能減排戰(zhàn)略，對進(jìn)一步提高能源利用率具有重要意義。未來，可從完善標(biāo)準(zhǔn)體系、減少連接件、優(yōu)化前期設(shè)計和研發(fā)高性能、低成本、輕量化材料等方向?qū)?fù)合材料進(jìn)行深入研究，以實現(xiàn)軌道列車低能耗、高速度、低成本、高安全性的良好發(fā)展。

參 考 文 獻(xiàn)

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