碳纤维复合材料在转向架构架中的应用研究

陈硕

【摘 要】随着列车速度的不断提升，高速列车行驶安全性、稳定性成为当前重要课题，列车轻量化研究将在高速列车发展过程中起到重要的作用，新材料的应用是列车轻量化非常有效的途径。转向架构架作为列车重要组成部件，碳纤维复合材料在构架中合理使用会改变传统加工工艺中的难题，对列车轻量化意义重大。

【关键词】高速列车 碳纤维复合材料 转向架构架

近年来，中国第一条时速350公里的高速铁路—京津城际铁路，建设里程最长、运营速度最高的高速铁路—武广客运专线相继开通运营，列车最高运营速度不仅迈上300km/h的台阶，更发展到350～360km/h的更高水平，并有向更高速度目标冲击的趋向。为确保安全，高速列车的最高试验速度还需要提高约10%，由此时速360km列车试验时速度会高达400km/h，这样高的轮轨系列列车的高速甚至超高速运行，会对列车自身零部件及轮轨提出更高、更严格的要求。

列车行驶速度越高，对轨道冲击力越大，我国规定高速列车动车最大轴重为19.5t，拖车为14.5t；高速列车行驶速度大于250km/h时，需要的动能是现有列车的4倍多，而列车的运行靠消耗电能、化学能或其他能量实现；高速列车的巨大动能在制动停车的短时间内如何消散也是一个困难的问题。考虑以上方面，列车轻量化成为高速列车的技术关键，也成为列车速度提升的制约因素，因此，列车轻量化研究具有非常重要的意义。（高速列车轻量化技术）

新材料的应用是轻量化非常有效的途径，对于材料而言，除了要求轻质之外，还必须具有更高的强度、模量、韧性、耐磨、耐疲劳、耐老化等性能。而且在列车不同部位使用的材料会具有特殊的要求，本文主要研究碳纤维复合材料在列车转向架构架中应用的可行性。

由于碳纤维复合材料具有重量轻、高比强度、高比模量、耐疲劳、耐腐蚀、隔热、耐磨、低成本、可设计性强等一系列优点，碳纤维复合材料已经在高速列车内部装备和装饰等非结构件中展开应用，包括地板、墙板、门窗、座椅、车门、卫生间等。碳纤维复合材料在结构件中的应用还比较少，有车体、车头端部等，如图1所示，在转向架中应用仍处于研发阶段，目前制动盘已经尝试采用金属基复合材料、碳复合材料等。

构架在转向架中起着极其重要的作用，承受着纵向、横向和垂向的复合载荷，应力分布复杂，构架的疲劳性能对车辆的运行安全性影响极大。构架组成主要由钢板和钢管焊接而成，包括横梁、侧梁、空簧支撑梁等结构，横梁和侧梁设有电机吊座、齿轮箱吊座、扭杆安装座、制动吊座、管支架等多种结构，各个部件内部会布有加强筋板，采用焊接工艺连接，结构复杂，对材料及焊接工艺要求较高，如图2所示。

碳纤维复合材料加工工艺与以往转向架构架加工工艺存在根本不同，碳纤维复合材料讲究一体成型，采用国内外先进三维编织技术，直接加工生成所需要的零部件尺寸，但是，由于构架内部结构复杂，给碳纤维复合材料的应用带来许多困难：

（1）轨道交通行业缺少对新材料规范、标准，由于构架为列车非常重要的部件结构，直接决定列车使用寿命，所以材料使用前的静强度、疲劳试验以及动力学试验验证非常重要，而碳纤维复合材料缺少验证基础。（2）构架内部结构复杂，很难实现整体成型，而且构架为转向架安装基础结构，经常需要添加管支架、座体等结构。预浸料（碳纤维材料加工后产品）之间以及预浸料与金属件之间连接存在困难，碳纤维复合材料在成型产品连接处处理方法有两种：在预浸料成型时，预埋螺栓等紧固件；采用胶类粘贴固定。相比较预浸料之间的连接方式，钢板以及钢管之间焊接后强度会更加可靠。（3）碳纤维材料磨损后处理方式存在差异。由于列车行驶工况复杂，构架在使用过程中受损在所难免，金属件可以采用修磨方式处理，但碳纤维复合材料很难处理。

由于碳纤维复合材料优势、特点，在列车轻量化过程中，碳纤维复合材料必然会起到越来越重要的作用，但仍存在许多难题需要客服。

参考文献：

[1]21世纪初铁道高速列车特色[J].铁道机车车辆，2009，29（2）.

[2]高速铁路发展概况及展望[J].甘肃科技纵横，2005，6.