碳纤维复合材料在轨道交通车辆转向架上的应用

袁代标

（江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江212013）

随着全国各大城市轨道交通系统建设工作快速推进，人民群众对新型城市轨道交通车辆的需求也逐渐高涨。当前轨道交通已经从其交通纾解功能扩展到了乘坐舒适性功能，减少车辆行驶中的噪音和颠簸、振动等设计制造需求，对车辆转向架设计工艺提出新的要求[1-2]。从转向架功能出发，目前亟待寻求一种不影响其结构强度前提下弹性表现更好的转向架材料[3]。

碳纤维复合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastic，CFRP）是当前取代传统钢材、铝合金设计高强度机械构件的新型材料，其抗压、抗拉、抗剪性能优于钢材和铝合金，且其弹性性能也优于钢材和铝合金，该材料已经在航空航天工业、汽车工业等广泛使用，国际上也有部分转向架厂家将其应用于轨道交通转向架的生产制造工艺中[4]。

该研究在仿真环境下探讨碳纤维复合材料转向架的实际运行效果，分析其在转向架材料中的应用效果[5]。

1 碳纤维复合材料在车辆转向架的适用性

车辆转向架的核心功能是实现车厢与轮轴的可靠连接，且在车辆驶过弯道时，允许车辆沿测方向小幅度滑动，确保外侧车轮的接触轮缘直径大于内侧，实现车辆的无滑动转向。但因为有此小幅度滑动的影响，车辆在直道行驶时，因为各种受力扰动，车辆转向架也可能发生左右位移，最终导致了车辆运行不平稳的颠簸状态[6]。从轮轴轨道配合角度进行分析，轨道交通的转向原理如图1所示。

图1 轨道交通转向原理图Fig.1 Schematic diagram of rail transit steering

图1中，D1与D2的关系配合轨距决定了车辆的转弯半径，因为该研究并非研究轮轴与轨道的配合关系，所以此处不展开讨论，但此过程产生的轮轴倾斜对转向架产生的应力影响以及车辆行驶过程中产生的车辆不可控左右位移量控制方式应在该研究中得到充分考察[7]。

早期技术条件下，为了满足车辆转向架的结构力学需求，一般选用钢材或者铝合金进行转向架主体设计、加工。所以应对比碳纤维复合材料（CFRP）与钢材、铝合金的材料力学特性，对比数据结果见表1。

表1中，碳纤维复合材料（CFRP）的强度性能和弹性性能均优于传统模式下使用的钢材或者铝合金，密度也更低，所以其在轨道交通车辆转向架系统中具有较强的适应性[8]。

表1 常见材料的材料力学特征对比Table 1 Comparison of mechanical characteristics of common materials

2 碳纤维复合材料转向架的结构力学仿 真分析

在轨道交通CAE软件平台上加载SimuWorks仿真组件，输入前文表1中的材料力学相关数据，构建轨道交通车辆转向架的试验模型，按照车辆设计满载载重输入车辆静压力、动压力参数，得到三种材料（钢材、铝合金、碳纤维复合材料）的结构力学特性，见表2。

表2 常见材料的结构力学特征对比Table 2 Comparison of structural mechanical characteristics of common materials

表2中，转向架总重量指车辆转向架主体结构的重量，不包含悬挂弹簧、轮轴等子系统重量；车辆纵向颠簸为转向架悬挂弹簧的最大压缩距离，因为转向架自身弹性特性可能吸收部分纵向冲击，所以应对其悬挂弹簧最大承受压力带来的弹性应变进行分析；转向架最大挠度指转向架自身弹性特征带来的弹性形变最大值；应力冗余指转向架受到最大应力条件下，距离其破溃应力保留的设计冗余；综合上述数据可以发现，采用碳纤维复合材料（CFRP）进行转向架设计后，其总重量显著降低，纵向颠簸显著降低，应力冗余显著增大，最大挠度有所升高。

综合观察该结构力学仿真结果可以发现碳纤维复合材料与传统的钢材和铝合金相比，其自身弹性化解了较大程度的车辆纵向颠簸，CFRP较钢材纵向颠簸下降42.4%，较铝合金纵向颠簸下降31.8%，但其自身挠度方面，较钢材提升119.4%，较铝合金提升49.1%。即可认为CFRP通过自身弹性形变吸收了较大程度的车辆纵向颠簸能量，最终实现车辆纵向稳定性的提升。因为CFRP转向架自身最大挠度增加，所以考察其应力冗余，即在最苛刻工况下的系统可靠性，发现CFRP较钢材应力冗余提升2.18倍，较铝合金应力冗余提升2.02倍，系统自身挠度增加并未影响到其运行可靠性[9]。

3 碳纤维复合材料转向架的工程应用仿 真分析

同样在轨道交通CAE软件平台上加载SimuWorks仿真组件，输入前文表1中的材料力学相关数据，并模拟车辆在仿真道路上的行驶过程，比较车辆在不同道路条件下的轮轨滑动摩擦占比。因为当转向架在直轨发生不可控横向位移时，轮对半径发生偏差，导致双侧轮轨均发生滑动摩擦，且在弯道中横向位移不满足设计需求时，其也因为轮对转速差与设计转速差发生偏移而发生滑动摩擦。对轮轨滑动摩擦进行仿真，可以有效判断三种转向架设计方案的实际运行稳定性。上述仿真结果见表3。

表3 轮对滑动摩擦发生概率(%)对比表Table 3 Comparison of occurrence probability of wheelset sliding friction

表3中，铝合金转向架在40kmph车速下滑动摩擦发生率的增长速度开始放大，后续显著超过钢材转向架，但碳纤维复合材料（CFRP）转向架即便在80kmph车速条件下，其实滑动摩擦发生率仍然处于低位，约为钢材转向架的5.46%，约为铝合金转向架的1.66%。证实CFRP转向架的运行稳定性显著优于传统模式下的钢材转向架和铝合金转向架。分析其原因，主要因为其自身重量较轻且其弹性特征较为显著，对冲击力的吸收效果显著优于前两者。

综合上述分析，CFRP转向架在材料力学、结构力学、工程力学方面均显著优于传统的钢材转向架和铝合金转向架，证明其在转向架制造工艺中的应用具有较强的竞争力。但也应考虑到CFRP的本质是一种高分子复合材料，其在高温环境中会快速失稳分解，造成运行事故，所以应比较三种转向架实现模式的实际运行温度，因为要考察转向架的抗高温特性，所以在仿真中设定环境温度为40℃、静风、空气相对湿度为45%的较严苛自然环境。三种转向架在对应车速下运行1h后的结构温度见表4。

表4 转向架运行温度(℃)对比表Table 4 Comparison of bogie operating temperature

表4中，碳纤维复合材料（CFRP）转向架升温效应显著高于钢材转向架和铝合金转向架。根据材料特性进行分析，CFRP虽然在材料学角度散热性能强于钢材和铝合金，但其运行过程中自身弹性变化幅度较大，弹性做功效应更为显著，所以导致其升温效应明显。但相关文献表明，CFRP的高温失稳临界阈值为350℃，在该仿真中模拟的高温室外条件下以80kmph时速连续运行1h时，CFRP转向架温度达到215.6℃，距离失稳温度仍有38.4%的安全冗余。且城市轨道交通的站点距离一般较短，车辆很难发生连续高速运行1h的实际运行状态，所以CFRP转向架在温度控制方面表现略差，但仍在工程允许范围内。

考虑到运行时高温对CFRP转向架的结构稳定性影响，在上述仿真环境中比较三种转向架的理论安全运行距离，考察地铁、高架轻轨等城市轨道交通实现形式，得到表5。

表5 转向架理论安全运行距离(km)比较表Table 5 Comparison of theoretical safe running distance of bogies

表5中，碳纤维复合材料（CFRP）转向架的理论安全运行距离显著低于传统模式下的钢材转向架和铝合金转向架，而前两者的理论安全运行距离基本一致。该数据的产生原因为CFRP材料本身的高分子特性较金属材料在大负荷运行环境中的稳定性仍有不足。可以认为CFRP转向架可以有效提升车辆运行舒适性的同时可能因为更频换更换转向架带来更高的运行成本。

4 总结

仿真分析条件下，发现采用碳纤维复合材料（CFRP）设计制造城市轨道交通转向架，可以有效提升车辆运行稳定性，增加车辆乘坐舒适性，减少颠簸和不可控侧向位移，其在材料力学、结构力学、工程力学方面均优于传统的钢材转向架和铝合金转向架。但是，CFRP转向架也有诸多先天不足，如其运行过程中的结构温度较高且其自身结构稳定性对高温耐受性较差，以及CFRP转向架的理论安全运行距离显著短于传统材料转向架。这就要求在后续研究中重点开发CFRP转向架的材料复合结构模式以进一步提升其温度控制能力，同时通过后续研究提升其理论安全运行距离。可以展望到未来短期内，CFRP转向架会成为城市轨道交通车辆转向架的主流选型方向。