重載鐵路貨車披上碳纖維“輕裝”

近日，全球首批碳纖維復(fù)合材料輕量化重載鐵路貨車成功開展循環(huán)裝卸試驗。該型鐵路貨車裝卸貨適應(yīng)性和運用可靠性得到試驗驗證，為其后續(xù)線路運用奠定堅實基礎(chǔ)。

該型鐵路貨車由國能鐵路裝備有限責任公司、北京低碳清潔能源研究院和中車齊齊哈爾車輛有限公司聯(lián)合研制。“它的成功研制，開創(chuàng)了重載鐵路貨車碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用的先河，對促進我國重載鐵路運輸綠色低碳轉(zhuǎn)型具有重要示范意義?！?月21日，國能鐵路裝備有限責任公司科技信息部經(jīng)理王文剛接受筆者采訪時說。

制備碳纖維復(fù)合板材

在軌道交通技術(shù)領(lǐng)域，車輛的輕量化，即在保證車輛性能的前提下盡可能減輕車身重量，降低運行能耗，是實現(xiàn)軌道車輛綠色化、低碳化的關(guān)鍵技術(shù)。

傳統(tǒng)重載鐵路貨車主要采用鋼、鋁合金等金屬材料，受制于材料特性，車輛面臨減重瓶頸。被稱為“新材料之王”的碳纖維，具有輕質(zhì)、高強度、抗疲勞、耐腐蝕等優(yōu)點，是實現(xiàn)重載鐵路貨車輕量化的理想材料。

那么，碳纖維到底需要經(jīng)過怎樣的變化，才能被制成堅硬耐用的鐵路貨車板材？

北京低碳清潔能源研究院先進材料研究中心復(fù)合材料部經(jīng)理吳福梅告訴筆者，想要以碳纖維為原材料，制備成適合鐵路貨車的碳纖維復(fù)合板材，關(guān)鍵環(huán)節(jié)是浸漬。

“我們先對高分子樹脂進行改性，顯著提升其機械性能和環(huán)境適應(yīng)性。改性后的高分子樹脂再與碳纖維絲束經(jīng)過浸漬工藝處理，形成碳纖維預(yù)浸料?！眳歉Ｃ方忉專酶男缘臉渲烟祭w維絲束黏合在一起，就形成了碳纖維復(fù)合板材。

由于重載鐵路貨車的運用工況較為惡劣，對碳纖維復(fù)合材料的強度、耐磨、阻燃和抗紫外線等性能都有特殊要求?？蒲腥藛T又開展了碳纖維復(fù)合板材相應(yīng)性能的適用性研究。

“我們研發(fā)的碳纖維復(fù)合板材，是一種以樹脂為基體、以碳纖維為增強材料的復(fù)合材料?！眳歉Ｃ氛f，該材料通過了水、火、低溫、高強度等一系列極限測試，各項性能優(yōu)良。其比強度是鋁合金材質(zhì)的3～5倍、比模量是鋁合金材質(zhì)的1.5～1.8倍，能更好滿足重載鐵路貨車的輕量化和大部件生產(chǎn)使用要求。

設(shè)計“三明治”夾層結(jié)構(gòu)

有了碳纖維復(fù)合板材，科研人員接下來就要考慮如何設(shè)計貨車結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)最高的承載強度。

“由于制造技術(shù)限制，金屬材質(zhì)鐵路貨車的端墻、側(cè)墻等大部件難以采用整體成型方法制成，通常采用尺寸較小的板材、型材，通過焊接或鉚接方式制備。”王文剛告訴筆者，這就容易存在勞動強度高、組裝效率低等問題。

“碳纖維只有在纖維保持連續(xù)時，才能充分發(fā)揮其高強度的優(yōu)勢。我們研發(fā)的碳纖維復(fù)合材料，很適合采用整體成型的方式制造重載鐵路貨車的相關(guān)部件。這樣可以避免分體式結(jié)構(gòu)纖維不連續(xù)等不利影響。”王文剛說。

基于此，科研人員采用大規(guī)模碳纖維縱橫預(yù)制梁與碳纖維蒙皮共固化、共膠接技術(shù)，制備出重載鐵路貨車一體成型的側(cè)墻、端墻。

“為了保障重載列車運行安全，我們本著循序漸進的設(shè)計原則，目前只有貨車側(cè)墻、端墻使用了碳纖維復(fù)合材料?！蓖跷膭偨榻B。

同時，科研人員設(shè)計出“內(nèi)蒙皮+夾芯+外蒙皮”組成的“三明治”夾層結(jié)構(gòu)。這種整體式夾層結(jié)構(gòu)車體，可在材料重量同等的條件下成倍提高材料的抗彎能力，提高承載強度。

“碳纖維鐵路貨車車體自重較同類鋁合金材料車體降低20%以上，自重系數(shù)低至0.22，實現(xiàn)了車輛自重降低、載重增加、容積增大的同步協(xié)同提升，對提高鐵路運輸效率具有重要意義?！眳歉Ｃ氛f。

提高智能化運行水平

當前，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)，正在與傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)深度融合，引發(fā)影響深遠的產(chǎn)業(yè)變革。智能化正在成為當今世界鐵路貨車發(fā)展的新熱點和新趨勢。

王文剛介紹，目前，國內(nèi)外鐵路貨車普遍采用地面監(jiān)測系統(tǒng)對車輛技術(shù)狀態(tài)進行監(jiān)測，但監(jiān)測設(shè)備只能在鐵路沿線定點布置，相隔距離一般超過30公里，在區(qū)間內(nèi)無監(jiān)測能力，存在較長時間和距離的監(jiān)測盲區(qū)。因此，地面監(jiān)測系統(tǒng)只能實現(xiàn)間斷性監(jiān)測，可能無法及時預(yù)警車輛運行故障或異常情況，從而導(dǎo)致發(fā)生安全事故。

值得關(guān)注的是，目前澳大利亞等國家的車輛運行監(jiān)測雖然仍以地面軌邊設(shè)備監(jiān)測為主，但已在此基礎(chǔ)上開始大量應(yīng)用具備實時監(jiān)測能力的車載智能監(jiān)測系統(tǒng)。

“通過融合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等新一代信息技術(shù)，我們牽頭開發(fā)適用于重載鐵路貨車的車載智能監(jiān)測系統(tǒng)?！蓖跷膭傉f，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r回傳車輛關(guān)鍵運行狀態(tài)和參數(shù)，為列車調(diào)度中心提供及時、準確的數(shù)據(jù)支持，不僅提升了運輸效率與安全性，更為重載鐵路貨運的智能化管理提供了有力支撐。

碳纖維車輛上配備了自發(fā)電裝置，車輛行駛過程中可以通過車輪轉(zhuǎn)動來發(fā)電，從而為車載監(jiān)測裝置等設(shè)備提供電源。

該型鐵路貨車的成功研制，突破了適用于重載鐵路貨車領(lǐng)域的碳纖維復(fù)合材料配方及大部件一體化制備等關(guān)鍵技術(shù)，在保證產(chǎn)品強度和性能不降低的條件下大幅降低車體自重，提高了列車的智能化運行水平，有力推動了重載鐵路高質(zhì)量發(fā)展。