為解決軌道交通裝備減重提質(zhì)的問題，輕量化材料如碳纖維復合材料（CFRP）的應用需求日趨迫切。CFRP在軌道交通領(lǐng)域的應用情況正從非承載結(jié)構(gòu)零件向承載構(gòu)件、從零部件向大型結(jié)構(gòu)件延伸擴展；其用量正在逐漸提高，可謂潛力無限。但如何實現(xiàn)廣泛應用，本文將與大家一起來探討！

基本介紹

CFRP在軌道交通裝備中的應用優(yōu)勢如下:

1）可提高車體的使用壽命，可更好地提高部件一體化程度，減少零件數(shù)量，縮短制造周期，降低維修成本。

2）由于復合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)阻大，可極大地改善列車的抗振性能和聲學性能。

3）重量輕，可降低列車運行的能量損耗。

4）合理的設(shè)計還能有效降低墻體厚度，增大了室內(nèi)空間。

以常見的地鐵為例，裝備完整后，其各部分重量的分配如圖所示：

車身重量占 36%，其次是車載設(shè)備，約占29%，然后是內(nèi)部裝飾占16%。車載設(shè)備一般沒有多少減重空間，因此輕量化的重點主要是在車身和內(nèi)部裝飾。

新材料、新設(shè)計、新制造技術(shù)是軌道列車輕量化的主要途徑，具體體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、采用復合材料、采用輕金屬材料。以下是碳纖維增強復合材料在軌道交通中的具體應用。

國外應用情況

車體

國外對其在軌道交通裝備中的應用起步較早，技術(shù)也較成熟，其中車體結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)向架等都有應用案例。

20 世紀 90 年代初，瑞士的 Schindler 列車采用了石墨纖維、環(huán)氧復合材料面板蜂窩夾層復合材料整體車體。

2000 年法國 TGV 雙層客車的車體采用碳纖、玻纖混合織物夾層結(jié)構(gòu)，較鋁合金車身減重25%。該車 2010 年已成功投入商業(yè)化運營，在整個行業(yè)具有示范性作用。

2007年日本的N700系列采用碳纖維復合材料減重近10 t，加速性能和極速性能分別調(diào)高了 62.5% 和8%。

2008年韓國 TTX 列車的車頂、側(cè)墻和端墻均采用碳纖維夾層結(jié)構(gòu)，較鋁合金車身減重 39%。其中韓國TTX的碳纖維復合材料車體結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)歷了如下2個方案，方案內(nèi)容如下：

兩種方案對比可以看出：方案一會產(chǎn)生穩(wěn)定性差、底架變形大等缺陷；方案二中內(nèi)嵌骨架提高了剛度和穩(wěn)定性，在強度、疲勞等性能指標上更優(yōu)，其綜合性能能夠滿足設(shè)計要求。

轉(zhuǎn)向架

轉(zhuǎn)向架主要由構(gòu)架、牽引裝置、懸掛、制動裝置等組成，是軌道交通裝備的主承載件。

德國早在1985年就利用玻璃纖維生產(chǎn)了設(shè)計速度 200 km/h 的HLD_E轉(zhuǎn)向架，接著日本在1989 年生產(chǎn)了第1個CFRP 轉(zhuǎn)向架，之后法國、英國均進行了相應的輕量化設(shè)計。

德國聯(lián)邦鐵路MBB公司研制了用于城市間高速列車的碳纖維復合材料轉(zhuǎn)向架構(gòu)架使用了碳纖維、玻璃纖維和芳香族聚酰胺。原車整體組件重5.4 t，僅轉(zhuǎn)向架構(gòu)架由鋼改為碳纖維復合材料，整體重量降至4.4 t，減輕幅度25%, 并且其性能優(yōu)異，具有裂紋擴散速度慢、消聲性能好、幾何尺寸誤差小等特點。

德國MBB轉(zhuǎn)向架

2014年，川崎重工研發(fā)世界首個CFRP（增強碳纖維）構(gòu)架和懸掛功能的轉(zhuǎn)向架 ef WING。在研發(fā)ef WING 時，川崎重工利用CFRP代替鋼材來作為構(gòu)架的主體結(jié)構(gòu)，且在無需傳統(tǒng)的螺旋彈簧的條件下具有懸掛元件的功能，從而成功地開發(fā)了將彈簧功能集成化的結(jié)構(gòu)簡單和輕量化的轉(zhuǎn)向架。與傳統(tǒng)的鋼制構(gòu)架相比，重量降低約40%，相當于每車減900kg，這一顯著的減重效果提高了能源的利用率（更低的運營成本等）并降低了二氧化碳的排放。ef WING目前已在美國交通技術(shù)中心（TTCI）進行了 4500 km 的線路運行試驗，結(jié)果表明運行中滿足安全性要求且性能穩(wěn)定，特別是弓形的CFRP構(gòu)架能夠具有懸掛元件的功能從而將載荷穩(wěn)定地傳遞至鋼軌，在改善運行平穩(wěn)性的同時降低脫軌風險，由于軌道不平順而引發(fā)的輪重減載率只有先前的一半左右。

川崎重工交付新型鐵道車輛轉(zhuǎn)向架

其他部件

德國福伊特公司（Voith）研制的應用于故障列車牽引操作的碳纖維增強復合材料過渡車鉤，結(jié)構(gòu)極其緊湊，總質(zhì)量僅 23 kg，比鋼鐵過渡車鉤減重達50%，一個人就可攜帶進行安裝。

碳纖維增強復合材料過渡車鉤

國內(nèi)應用情況

在軌道交通裝備碳纖維材料的應用研究中，國內(nèi)起步較晚，但發(fā)展迅速，主要由中車集團牽頭研發(fā)探索。

碳纖維材料在長春客車的應用處于初級階段主要包括如下幾個方面：

①采用流線型車頭的試制樣車中的前端車鉤頭蓋；

②探討采用碳纖維制造受較大載荷的車頂導流罩，受成本制約未進行生產(chǎn)；

③新一代長客動車組內(nèi)飾部件。

青島四方在碳纖維復合材料的應用比較成功，采用模塊化設(shè)計理念，研制了某動車設(shè)備艙，該結(jié)構(gòu)既可單件拆裝，也可以模塊整體拆裝，并可承受振動、地面效應及風沙沖擊和高溫、高濕、風雪侵蝕，較鋁合金設(shè)備艙減重 35%，標志著碳纖維復合材料的應用取得了標志性的進展。

設(shè)備艙結(jié)構(gòu)

該設(shè)備艙結(jié)構(gòu)包括的主要部件及其相互聯(lián)接關(guān)系如下表所示?？梢钥闯觯捎诓捎昧嗽O(shè)計制造一體化的概念，復合材料設(shè)備艙的構(gòu)件數(shù)目僅為4個，較鋁合金設(shè)備艙的構(gòu)件數(shù)目減少了 30%。

設(shè)備艙構(gòu)件

經(jīng)過分析，設(shè)備艙的主承載件為彎梁和橫梁，其他構(gòu)件為次承載件。其中彎梁為矩形斷面箱型梁結(jié)構(gòu)，采用T700碳纖維預浸布交叉鋪覆，模壓加袋壓成型；橫梁采用工字梁結(jié)構(gòu)，T300 級國產(chǎn)碳纖維真空導入成型，粘接加鉚接組裝。裙板和底板為次承載件，由于抗礫石沖擊要求高，采用芳綸蜂窩夾芯，外側(cè)加2層芳綸纖維布提高沖擊性。在制成樣件后，測試了約4000個試樣，驗證了各項力學性能能夠滿足設(shè)計要求。其中比較重要的試驗為骨架靜強度試驗、模塊疲勞強度試驗以及模塊振動沖擊試驗。

新結(jié)構(gòu)件探索——碳纖維變流器柜體

作為軌道交通裝備的核心裝置，變流器可分為主變流器（為牽引電機提供電源）和輔助變流器（為空調(diào)、照明、通風等提供電源）等。其中動車、地鐵的變流器多安裝于車體底部，其柜體結(jié)構(gòu)輕則幾百公斤，重則數(shù)千公斤，因此，變流器柜體的安全性和輕量化意義重大。

以青島四方下一代地鐵平臺主變流器為例，其柜內(nèi)集成了高壓部件以及平波電抗器，集成度很高。為實現(xiàn)主變流器總重不超過1350 kg 的輕量化指標，一方面此柜體采用了碳化硅 SiC 等高功率密度的電氣元件，同時青島四方建議采用輕量化材料如碳纖維等進行柜體設(shè)計。在采用新材料如碳纖維進行設(shè)計時，首先要保障結(jié)構(gòu)基本的力學性能，保證主變流器在惡劣的振動沖擊環(huán)境下具有足夠的結(jié)構(gòu)剛度及強度，并能有效地防止腐蝕及疲勞破壞，從而確保列車安全運行。同時，碳纖維作為新型復合材料，由于其特殊的材料屬性，其設(shè)計及加工不同于傳統(tǒng)的金屬如鋼和鋁材設(shè)計加工，因此在設(shè)計過程中要充分考慮材料的可加工性、可用性，同時還要符合國家法規(guī)、行業(yè)標準所提出的要求。最后設(shè)計過程中需要盡量考慮變流器柜體后期的可維護性，特別是復合材料構(gòu)件后期的更換及修補等問題。

設(shè)計要求

考慮到原材料、模具價格，以及工藝和制件可修補等要求，所設(shè)計的柜體結(jié)構(gòu)最好兼顧以下高級要求：①可設(shè)計性和可成型性。要求成型工藝簡單，少模具或無模具化。②成本合理。③構(gòu)件具有可維修性。

應用趨勢和挑戰(zhàn)

綜合國內(nèi)外軌道列車領(lǐng)域碳纖維增強復合材料的應用情況，其發(fā)展趨勢呈現(xiàn)如下特點：

1）從車體內(nèi)飾、車內(nèi)設(shè)備等非常承載結(jié)構(gòu)零件向車體、構(gòu)架等承載構(gòu)件延伸、擴展。

2）從裙板、導流罩等零部件向頂蓋、司機室、整車車體等大型結(jié)構(gòu)發(fā)展。

3）以金屬與復合材料混雜結(jié)構(gòu)為主，碳纖維增強復合材料用量比例正大幅提高。

取得廣泛應用還存在一些挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）材料成本，CFRP結(jié)構(gòu)件中，原材料（即碳纖維材料）成本占總研發(fā)成本的 26%。而工程中，碳纖維復合材料構(gòu)件中的纖維材料一般占結(jié)構(gòu)件質(zhì)量的55%~68%。對于1節(jié)約7.0 t 的鋁合金地鐵車輛車體，如果減重目標為25%，碳纖維車體纖維成本約為鋁合金車體的2.5倍左右。

2）制造成本，一般來說，材料設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計及制作（包括模具、工裝和制造）費用占復合材料技術(shù)成本的60%。材料成本大幅度降低幾乎不可能，但可以提高構(gòu)件的整體化程度，減少零件和緊固件數(shù)量，控制制造成本。

3）車體的關(guān)鍵技術(shù)，要充分掌握車體的使用壽命、靜強度、剛度等技術(shù)要求。

4）結(jié)構(gòu)材料選擇與設(shè)計，結(jié)構(gòu)設(shè)計、增強材料、樹脂基體和界面處理四大要素必須同時達到最優(yōu)，才能保證復合材料構(gòu)件具有最佳的性能。在進行大型復合材料車體結(jié)構(gòu)設(shè)計時，必須根據(jù)車體的使用條件及不同部件的承載特性進行碳纖維材料的選擇，以及根據(jù)工藝要求，選擇碳纖維織物或預浸料、樹脂體系等。

5）整體成型技術(shù)及工藝選擇，對于大型的 CFRP車體，可以采用模塊化設(shè)計、模塊化成型，再通過機械、粘接等方式將模塊進行裝配連接的技術(shù)路線。

6）復合材料構(gòu)件裝配連接，碳纖維增強復合材料車體在研制過程中，必須合理考慮這些設(shè)備的安裝和連接，以保證設(shè)備的運行安全。

7）設(shè)計人員，一方面要加強復合材料設(shè)計人員的培養(yǎng)， 另一方面還必須加強復合材料在軌道交通領(lǐng)域的應用研究，才能提高復合材料產(chǎn)品的可靠性