复合新材料在地铁车辆轻量化设计中的应用

李 霞 张 楠

（1.太原理工大学机械与运载工程学院；2.大秦铁路股份有限公司）

随着城市轨道交通的发展，地铁车辆的数量不断增多，由地铁车辆运营而产生的噪声污染和能耗问题越来越严重，因此地铁车辆的节能、环保问题已成为行业高度关注的核心议题.而轻量化是地铁车辆的降低噪声、节能环保的研究方向。地铁车辆轻量化设计涉及系统集成、轻量化材料使用和结构轻量化优化。本文对复合新材料在地铁车辆轻量化设计中的应用方案及应用效果进行探讨，并分析复合新材料在地铁车辆轻量化设计中应用创新思路。

1 复合新材料特质及地铁车辆设计基础需求分析

为提升地铁车辆性能、提高地铁车辆质量和降低地铁车辆自重，进而降低地铁车辆运行过程中的噪声和减少能耗，在近些年的发展中，地铁车辆制造用材料发生了显著变化。地铁车辆制造用材料由早期的普通碳钢材料向耐候钢材料转变，并将不锈钢材料逐步应用于地铁车辆制造；现阶段，铝合金材料已成为主流地铁车辆制造用材料，大大提高了地铁车辆的性能与质量。发展至今，地铁车辆设计人员正逐步探索将新兴的复合材料应用于地铁车辆的设计与制造中。复合新材料在耐磨性、耐火性、坚韧性及可持续利用性方面均具有领先优势，且轻量化复合新材料的应用能在保证地铁车辆安全与稳定运行的条件下不断降低其自重。轻量化复合新材料的应用不但提高了地铁车辆的实际行驶性能，而且能够有效降低车辆运行中的噪声并实现节能降耗，这也恰恰满足了地铁车辆的现实需求，使城市轨道交通的整体运行效率与安全系数均得到了显著提升。

2 复合新材料在地铁车辆轻量化设计中的应用 方向及应用效果分析

为进一步实现地铁车辆轻量化设计的目标，现阶段各类新兴复合材料被应用于地铁车辆各个模块与组成部分的设计与生产之中，如碳纤维材料、复合碳纤维材料等多种新兴材料均在地铁车辆轻量化设计中得到了一定的应用。复合新材料的实际应用主要体现在地铁车辆外部结构、内部装饰、中间夹层以及动力元件的轻量化设计之中，而复合新材料在这些地铁车辆组成部分的使用使地铁车辆的运行效率得到了不同程度的提升。

（1）复合新材料在地铁车辆外部结构轻量化设计中的应用及优势分析。在地铁车辆的轻量化设计方案之中，外部结构是复合新材料最早应用的区域，如地铁车辆车体的外壳、车头和顶部等位置都采用了各类复合新材料来替代传统的制造材料。通过使用这些复合新材料，地铁车辆的整体自重进一步下降，一方面降低了地铁车辆行驶过程中所需消耗的能量和所产生的噪声，另一方面为地铁车辆外观设计等做出了相应贡献。这不但与我国节能、环保和降耗的发展理念相契合，而且也使地铁乘客获得了更好的视觉感官体验。

（2）复合新材料在地铁车辆内部装饰轻量化设计中的应用及优势分析。在地铁车辆的轻量化设计方案之中，车辆内部装饰材料的选择与使用也逐渐由传统的制造材料向复合新材料过渡。例如，在传统地铁车辆内部的装饰配件中，多采用合金制品、塑料制品和铁铜制品，该类材料或多或少具有一定的应用缺陷，如较为笨重、不耐磨、不耐腐蚀和不耐脏等。然而，通过使用新兴复合材料来替代传统材料，地铁车辆内的装饰品及各类装置的自重大大降低，这在一定程度上降低了地铁车辆的整体自重，且有效提升了地铁车辆内部装置的耐磨性、耐腐蚀性和耐脏性等各项性能。

（3）复合新材料在地铁车辆中间夹层轻量化设计中的应用及优势分析。地铁车辆的中间夹层主要是指地铁车辆外壳与地铁车辆内部空间之间的夹层。地铁车辆中间夹层的设计是决定地铁车辆总体自重最为关键的因素，也是实现地铁车辆轻量化设计最为重要的决定性因素。各种复合新材料在地铁车辆中间夹层中的使用能够充分满足地铁车辆的轻量化设计需求。为保证地铁车辆的行驶安全，在传统的设计方案中，地铁车辆中间夹层多采用高硬度和高密度的坚硬合金材料。随着新型复合新材料的研发和应用，该类材料能够在保持高硬度的同时显著的降低材料自重。如将复合合金这些复合新材料应用于地铁车辆的中间夹层能够在保证车身质量及车辆行驶安全性的基础上极大降低地铁车辆的自重，进而实现地铁车辆轻量化设计的目标。

（4）复合新材料在地铁车辆动力元件轻量化设计中的应用及优势分析。地铁车辆设计人员近年正在研究将复合新材料应用于地铁车辆动力元件的轻量化设计之中，以进一步达到地铁车辆轻量化设计的目标。通过使用各类新兴技术，如立体制造技术、3D打印技术等，地铁车辆的设计人员尝试将复合新材料作为制作材料用于一些地铁车辆动力元件的轻量化设计，这在保证地铁车辆能够在正常、安全行驶的基础上进一步的降低车辆自重。

3 地铁车辆轻量化设计方案中的复合新材料 应用创新思路

考虑到地铁车辆轻量化设计的迫切需求与复合新材料的蓬勃发展势头，在未来的地铁车辆的轻量化设计中，相关人员仍应对复合材料在地铁车辆中的应用进行创新与实践，不断提升地铁车辆运行效率，实现节能降噪。首先，地铁车辆设计人员应当进一步提高复合新材料在地铁车辆轻量化设计中的应用比例。尽管复合材料已经被应用于地铁车辆车体的外部、内部、中间夹层以及车辆动力元件的设计中，但地铁车辆中仍有大批部件可以使用复合新材料来制造，这有助于进一步实现地铁车辆轻量化设计目标。其次，应综合分析复合新材料应用于地铁车辆轻量化设计的安全系数，这是保证复合新材料应用可靠性与广泛性的重要基础。因此，设计人员应针对该方面问题进行充分的实验与测试，这对于复合新材料在地铁车辆轻量化设计中的进一步应用而言意义重大。另外，随着复合新材料在地铁车辆中应用比例的增加，逐步实现复合材料的绿色、可持续利用同样十分重要，如在地铁车辆轻量化设计中推广复合新材料循环使用等理念。