纤维增强复合材料在转向架上的应用研究

门永林， 楚永萍， 冯遵委

(中车南京浦镇车辆有限公司， 南京 210031)

纤维增强复合材料(简称FRP)，也称纤维增强塑料，是由增强纤维材料，如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等与基体材料经过缠绕、挤压或模压等成型工艺而形成的高分子复合材料。纤维增强复合材料的性能和功能可以根据不同的需要进行设计，通过选择合适的基体和纤维增强体，合适的配比，从而获得单一材料无法达到的综合性能。纤维增强复合材料在航天航空、医疗、民用、建筑工程、汽车制造、体育器械、轨道交通等领域得到了大量的应用[1]。

近年来，随着城市轨道交通及城际铁路的快速发展，车辆的轻量化、减振降噪以及乘坐舒适度成了轨道交通重点研究课题。轨道车辆转向架的结构和性能直接关系到整列车的运行品质，直接影响乘客乘坐的舒适度和安全性。对转向架设计而言，高速、安全、舒适、智能将成为其未来发展的重点。如何在保证转向架安全、舒适的前提下减轻转向架质量及簧下质量是转向架设计永远追求的目标。从成本、设计方法、关键技术等方面就纤维增强复合材料在转向架上的应用进行探讨，并提出设计建议指导后续纤维增强复合材料转向架的设计工作。

1 纤维增强复合材料的分类及性能

目前常见的纤维增强复合材料根据纤维增强体的不同分为碳纤维增强复合材料(简称CFRP，以碳纤维或其制品作为增强体 )、玻璃纤维增强复合材料(简称GFRP，以玻璃纤维或其制品作为增强体)以及芳纶纤维增强复合材料(简称AFRP，以芳纶纤维或其制品作为增强体)3种[3]。

纤维增强复合材料具有：(1)比强度高，比模量大；(2)可设计性强；(3)高温性能好；(4)抗腐蚀性和耐久性能好；(5)热稳定性好；(6)抗氧化性能好；(7)可整体成型，减少零件和连接、装配等优点。表1为常用金属材料与纤维增强复合材料的性能对比。由表1可以看出，纤维增强复合材料的力学性能普遍优于金属材料，而且质量更轻。

表1 常用金属材料与纤维增强复合材料的性能对比

2 国内外转向架相关纤维增强复合材料零部件的开发应用

德国是全世界最早将纤维增强复合材料应用在转向架零部件上的国家。第1台复合材料构架(FVW构架)的转向架(型号为HLD-E，见图1)，在20世纪80年代就由德国的AEG和MBB公司联合研制成功。该转向架后续完成的静态模拟试验和1 000万次耐久性试验结果表明，构架表面的延伸率在40‰以下，完全满足当初的设计要求。后续研制的第2台复合材料构架(HLD-L)以及1992年12月研制的HLD-300型转向架(ICE高速列车用)，都采用了复合材料。

图1 德国HLD-E转向架

第1台由GFRP材料制成的转向架于2012年在英国雷丁大学研制成功(见图2)，该转向架构架由上、下两层构架分别整体成型，每层构架均包含两根侧梁和一根横梁。

图2 英国雷丁大学GFRP转向架

2016年日本川崎重工发布了新一代复合材料转向架-efWING转向架(见图3)。efWING转向架主体结构构架采用碳纤维增强复合材料(CFRP)制成。CFRP构架边梁比传统的碳钢梁减重约40%。

efWING转向架已在美国交通技术中心(TTCI)进行了4 500 km的线路运行试验，满足美国公共交通协会静态均衡测试(APTA SS-M-014-06 CLASS G)标准要求。特别是弓形的CFRP构架(见图3)具有悬挂元件的功能，将车辆载荷稳定传递至钢轨，在改善车辆运行平稳性的同时降低了车辆脱轨的风险。

图3 日本川崎efWING转向架和CFRP构架

除转向架构架外，国外还正在研究采用纤维增强复合材料制作车轮、车轴、制动盘等转向架承力件的可行性，已经取得了实质性的研究成果，并开始了样件的试制。

综合纤维增强复合材料在国外轨道车辆转向架领域的应用情况，可以发现以下几个特点：(1)纤维增强复合材料零部件从转向架非承载零部件向构架、车轮、车轴、安装支架等承载构件扩展；(2)转向架采用金属与纤维增强复合材料混杂结构为主，碳纤维增强复合材料的比例正大幅提高；(3)转向架的运行条件越来越苛刻，陆续出现了构架裂纹、天线支架断裂等影响行车安全的隐患，各转向架生产厂家均将目光转向了综合性能更优的纤维增强复合材料。

纤维增强复合材料将是轨道交通领域未来新材料应用的发展趋势。从目前的发展态势来看，碳纤维增强复合材料在轨道交通车辆车体及内装上已经得到了应用[2]。相关科研单位、制造企业及关键部件供应商都开展了碳纤维增强复合材料零部件的开发和应用研究，但在转向架领域的应用研究目前还是空白。目前仅有中车南京浦镇车辆有限公司2016年试制了209P转向架用CFRP材料摇枕安全吊并实现了批量装车运用考核(见图4)，目前已安全运营超过100万km。中车青岛四方机车车辆股份有限公司在2018年柏林工业展上发布了其研制的碳纤维转向架(见图5)。

图4 中车南京浦镇车辆有限公司CFRP摇枕安全吊

图5 中车青岛四方机车车辆股份有限公司CFRP转向架

3 转向架上应用纤维增强复合材料的成本分析

由于纤维增强复合材料具有金属材料不可比拟的优越性能，将其应用在以安全、可靠为首要目标的转向架上，会有很大的潜在市场和发展前景。但转向架作为一个工业产品，要想纤维增强材料大面积的应用则必须同时考虑成本、工艺等多个因素，而成本因素是直接影响其推广的最主要因素。

以国外某CFRP构架的研制成本组成预算为例，碳纤维构架中碳纤维增强复合材料约占总研发成本的20%，成型加工(包括模具、工装和制造)约占70%，质量控制和检测成本约占10%。以1个约1.0 t重的转向架构架为例，如果设定减重目标为30%，则CFRP转向架构架质量为1.0×(1-30%)=0.7(t)，其中碳纤维用量(质量比取60%)为0.7×0.6=0.42(t)[1，5]。而碳钢材料的成本仅为碳纤维增强复合材料成本的1/3。想要纤维增强复合材料在转向架上得到大量应用，如何解决这多出来的2/3成本，就摆在了每个转向架设计研发人员的面前。

从目前情况来看，纤维增强复合材料的高成本短期内不会大幅的降低，那么目前只能想办法降低复合材料零部件的制造费用，通过一次成型技术避免金属材料所需要的二次加工，从而大大降低产品的消耗，减少人力和物力的浪费，以此来弥补与金属材料之间的成本劣势。可喜的是目前国内已有多家非常有实力的纤维增强复合材料生产商投入到了转向架关键零部件的设计开发工作中，专业生产商的积极介入，必将推动纤维增强复合材料在转向架上的大面积应用。

4 纤维增强复合材料转向架零部件设计研究

国外陆续出现的纤维增强复合材料转向架为国内轨道车辆转向架的设计带来了新的思路。排障器、挡泥板等非承力的零部件完全可以采用价格较低的玻璃纤维复合材料生产；构架、车轴、车轮轮毂、各种安装支架等承力件可采用碳纤维增强复合材料生产制造；受流器受电靴等对耐磨要求较高的零部件可采用芳纶纤维复合材料生产。

碳纤维增强复合材料与金属材料对磨时，很少磨损，用碳纤维增强复合材料代替石棉制成的高级摩擦材料，已经作为汽车和飞机的刹车片材料，同样的道理是否可考虑作为轨道车辆转向架的制动闸片和闸瓦值得所有转向架设计人员去认真思考。

对纤维增强复合材料在性能、设计、分析、制造、检测等各方面知识的欠缺导致使用不广泛。对转向架设计而言，考虑到其苛刻的安全性要求，以前更多关注的是金属材料的设计，对于纤维增强复合材料零部件的设计是极其缺乏的。由于对纤维增强复合材料缺乏了解，很大程度上阻碍了纤维增强复合材料的推广。转向架设计人员必须打破原有的思维定势，加强纤维增强复合材料的学习，时刻关注纤维增强复合材料的发展动态和研究，才能像设计金属材料零部件一样设计纤维增强复合材料零部件。应该从整体上去完善材料知识架构体系，并通过零部件的试点来逐步提升材料的应用范围，大面积的推广应用是一个漫长的过程。

纤维增强复合材料的优越性能对转向架的轻量化、结构强度等有着重要的意义。建议从纤维增强复合材料性能、结构设计、分析计算、成形工艺、性能检测、加工装配、无损检测、运用维护等方面开展重点研究。逐步建立适用于转向架复杂运用工况的纤维增强复合材料评价技术体系。通过建立产、学、研、用一体化研究平台，深入研究具有自主知识产权的复合材料制造技术及其批量化产品，进一步推动FRP材料在轨道车辆转向架领域的大规模应用。

5 纤维增强复合材料转向架零部件设计注意事项

考虑纤维增强复合材料特性和成型工艺，转向架零部件采用纤维增强复合材料时在设计方面需着重注意以下几点：

(1)纤维增强复合材料零部件结构需平滑过渡，尽量考虑流线型结构，方便制造；

(2)充分利用纤维增强复合材料的各向异性与可设计性，沿纤维纵、横向性能的差别会导致单向带呈现各向异性。

(3)设计结构需贯穿结构选材、构件成形、检测验收、加工装配、使用过程等全过程。

(4)合理选择应用部位，才能有效发挥增强复合材料的优势，大大降低成本，提高零部件质量。

(5)设计必须与材料、制造工艺相结合，结构选材时，应同时考虑构件成型工艺，并与材料、工艺协调，选择更适合纤维增强复合材料生产的成型工艺。

6 结束语

纤维增强复合材料的发展及应用程度体现了国家先进材料技术的发展水平[4]。我国纤维增强复合材料技术在向着高性能化、多功能化、低成本化等方向发展的同时，要坚持独立自主与技术创新，以实现我国先进复合材料技术的可持续发展。随着我国纤维增强复合材料研究的深入，工艺水平、评价技术体系逐步完善，材料成本不断降低，转向架设计能力不断提高，必定可以让纤维增强复合材料在转向架上得到大面积应用，推动我国转向架设计水平更上一层楼。