城轨车辆装备领域轻量化复合材料的研究与应用

2022-08-18康兴东王浩宇杨国栋任玉鑫

现代城市轨道交通 2022年8期

康兴东，姜浩，刘鑫，王浩宇，杨国栋，任玉鑫

（中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东青岛 266011）

1 前言

交通运输不仅是居民生活和社会发展的重要组成部分，同时也是能源消耗及温室气体排放的重点领域。在“双碳”战略背景下，充分发挥干线铁路、城际铁路、城市轨道交通等绿色低碳的特点，是有效改善交通结构和优化运输方式的重要途径[1-3]。

城市轨道交通作为城市公共客运交通的重要方式，在保证便利出行、缓解交通拥堵、促进绿色可持续发展的同时，也会产生一定量的碳排放[4-5]。其中，运营维护阶段的能源消耗和二氧化碳排放与其车辆的整备重量密切相关，因此选择新型轻量化结构材料是实现城轨车辆轻量化设计和全寿命周期低碳运营的主要方法[6-7]。

随着全球轨道交通装备市场需求快速增长，传统轻量化金属材料再难满足更高的综合性需求。《美国国家创新战略》、欧盟《“地平线2020”计划》和《中国制造2025》都将轻量化复合材料的研制与应用作为高端制造业及国防工业的重要发展方向。毋庸置疑，先进复合材料的研究与应用必将引领轨道交通制造产业的变革。

2 复合材料的性能特点及优势

复合材料是由2种或2种以上不同物质组合而成的一种多相固体材料，拥有单一材料所不具备的材料特性[8]。复合材料的发展经历了3个历史阶段：20世纪40年代，以玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂、环氧树脂和酚醛树脂为代表的复合材料作为第1代复合材料，其比强度高，耐腐蚀性能好，但比模量较低；20世纪60年代相继开发了硼纤维、碳纤维和芳纶纤维，这种纤维增强的复合材料具有高比刚度和高比强度的特性，同时具有高比模量，被称为第2代复合材料；20世纪70年代，开发了耐热性更高的氧化铝纤维、碳化硅纤维及各种晶须，同时配有金属基、陶瓷基等基体材料，使得复合材料的性能向耐热、高韧性和多功能方向发展，认为是第3代复合材料[8-9]。

复合材料作为新型工程装备结构材料，已在航空航天、船舶制造、汽车工业等领域广泛应用。而随着轨道交通装备综合性能的要求日益增加，以玻璃纤维、碳纤维为增强体的轻量化复合材料也在此领域中得到推广应用。将复合材料用于轨道交通领域的结构部件具有如下优势：①轻质高强，有良好的耐腐蚀性、抗疲劳特性；② 有效实现轻量化设计，降低列车重心，提升列车的稳定性、抗振性和防噪性；③复合材料具有多功能设计性，可依据结构设计需求，开展复合材料多功能属性的整体设计；④复合材料可实现一体化成型，有效减少零部件数量，简化生产工序，控制制造成本；⑤运用预埋传感器、结构健康诊断（PHM）等手段，可对关键结构开展全寿命周期监控与评估。

3 国外轨道车辆中复合材料的研究与应用

3.1 复合材料与功能结构研究

M.Grasso等对3种不同的夹芯材料结构进行了仿真对比分析，并依据结果给出了用于轨道车辆车顶结构的可行性方案[10]。I.Sebeşans等将用于轨道车辆承载结构的复合材料进行了力学性能检测，发现各项指标均高于承载结构的相关要求[11]。A.Önder等对E-玻纤/环氧树脂/涤纶树脂（PET）泡沫组成的夹芯结构开展了准静态冲压试验和有限元仿真计算（图1），揭示了该材料结构抗冲击性能、失效模式及失效损伤的表现形式，所得结果用于复合材料轨道车辆的故障检修和损伤数据库的建立[12]。

图1 E-玻纤/环氧树脂/PET泡沫组成的夹芯结构样品件和准静态冲压试验

A.Genovese等对地铁用[0/90/+45/-45/0]S铺层方式的减振器安装座进行了静态试验与仿真计算（图2）。结果表明采用单元芯材3×6阵列排布的减振器安装座强度和刚度均处于弹性阶段，且未发生任何损伤与失效[13]。

图2 减振器安装座的静态试验与仿真计算

S.Bruni等基于“NEXTGER”项目提出了3种碳纤维复合材料-金属混合设计理念，综合分析后，选择方案c作为研究目标继续优化，如图3所示。最终设计的车轴仅74 kg，较空心钢制轴减重63%。此外，研究还详细分析探讨了金属-复合材料接口设计、结构健康检测与无损检测结合、复合材料层合板冲击性能及簧下质量减轻对轮对动力学性能影响等内容[14]。

图3 3种碳纤维复合材料-金属混合设计理念和最终方案

3.2 复合材料的研制与应用

意大利Bercella公司研制出一种安装在车厢墙壁的复合材料座椅悬臂支架（图4）。悬臂支架长1 m，质量不足5 kg，能满足EN 45545防火阻燃、静态载荷等要求。其采用的英国Composite Evolution公司生产的Evopreg PFC预浸料，获得了环保认证，且具有优异的耐火特性。

图4 Evopreg PFC预浸料的座椅悬臂支架

瑞典斯德哥尔摩C20FICAS地铁列车的侧墙、地板、顶盖都选用了聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）泡沫夹芯不锈钢三明治结构，侧墙的总厚度减少了120 mm，使得客椅间的宽度增加了30%（图5）。

图5 C20FICAS地铁列车

法国Stratiforme Industries公司研制出一款热塑性树脂司机室前端（图6）。在保证原有机械性能条件下减重约15%，同时选用符合最新安全标准的新型热塑性复合材料，使得报废树脂回收具有可行性。

图6 热塑性树脂司机室前端

德国Voith公司研制出用于故障列车牵引操作的碳纤维增强复合材料过渡车钩（图7），该过渡车钩结构极其紧凑，总质量仅约23 kg，可实现单人携带及安装作业[15]。

图7 碳纤维增强复合材料过渡车钩

2014年9 月，日本川崎重工在柏林展出一款新型碳纤维efWING转向架（图8）。主承载部件侧梁形似弓形弹簧，取消了传统轴箱弹簧和减振器。在美国交通技术中心（TTI）进行的4 500 km线路运行试验时，最高速度可达160 km/h，结果表明新型转向架运行平稳性好，可有效降低脱轨风险，安全性指标有明显提升[16-17]。

图8 efWING转向架及碳纤维侧梁

2019年12 月，一款新型碳纤维铁路车辆转向架CAFIBO在哈德斯菲尔德大学的“ UnlockingInnovation”会议上亮相（图9）。该转向架采用ELG公司提供的回收碳纤维并进行了材料测试，Magma Structures公司负责转向架的设计和制造，伯明翰大学传感器与复合材料小组为转向架开发了嵌入式健康监测系统，而样机则在哈德斯菲尔德大学开始全面测试。

图9 碳纤维铁路车辆转向架（CAFIBO）

2018年10 月，美国超级高铁运输技术公司（Hyperloop TT）公开展示了一款全尺寸超级高铁客车（图10）。该车体由Airtificial公司建造，全长32 m，内部空间长约15 m，整个车厢重5 t，包括82个碳纤维面板、72个传感器、75 000个铆钉和7 200 m2的光纤。这款名为“Quintero One”的超级高铁客车由双层智能复合材料制成，这种材料的强度比钢材强8倍，比同类铝制品强10倍。

图10 Quintero One超级高铁客车

英国Far-UK公司设计了一种新型轻轨车辆车架结构（图11）。该车架由热塑性碳纤维复合管编织而成，可通过粘接和简单焊接轻松组装。通过模块化设计，有效降低了投资和制造成本。

图11 新型轻轨车架结构

4 国内轨道车辆中复合材料的研发、应用与发展

4.1 复合材料和功能结构的研究

周洲等分析了纤维增强酚醛发泡材料、芳纶蜂窝夹层材料、有机硅泡沫材料及PMI泡沫夹层材料四大类车体新材料的特点和典型应用，并明确了需要深入探究的技术方向[18]。刘小芳等对比分析了夹芯结构中泡沫芯材的基本力学性能和防火性能，结合车体复合材料的应用情况，指出PMI泡沫/铝蒙皮夹芯结构的优势[19]。杨中甲等对轨道交通用复合材料分别从成型工艺、抗冲击性能、夹层结构的阻燃隔热特性等方面进行研究，并提出了复合材料低成本、多功能制备的研究路径[20]。陈书翔等针对轨道车辆敏感部位电磁屏蔽的应用需求，采用热压罐成型工艺使碳纤维与层间电磁增强材料有效结合，研制了一种低频电磁防护碳纤维复合材料。经测试，该材料具有轻质高强、屏蔽性能好、环境适用性强等优点[21]。蔡明君等以优化城轨车辆地板的吸音降噪性能为目标，提出了复合隔音铝蜂窝材料、PET泡沫复合铝材料和酚醛-巴沙木夹芯材料3种新型复合材料的地板结构（图12），并分别进行了测试与分析[22]。

4.2 复合材料的应用研究

晋军辉等对抗侧滚扭杆中若干活动关节部件采用聚甲醛复合材料的可行性进行了探讨，从材质特性、结构设计、试验情况及运用效果等方面开展研究[23]。

刘波等设计了一种碳纤维电气柜体，并进行了静强度和模态仿真计算以及冲击振动试验、防护等级试验。研究结果表明，该碳纤维复合材料柜体具有轻量化、整体成型等优势，且满足冲击振动和防护等级要求[24]。

方炅任等从碳纤维类型对比、成型工艺、连接方式、缺陷控制方法等方面着手开展碳纤维头罩的设计，并对产品进行静强度分析与铺层优化[25]。

汤腾等开发了一种碳纤维预埋金属嵌套的新型转向架垂向连杆结构，采用真空热压罐工艺制成的成品最终质量为2.4 kg，并通过各项测试证明其满足功能和使用寿命要求[26]。

中车南京浦镇车辆有限公司的转向架碳纤维产品取得良好运用效果，包括摇枕安全吊、天线梁、轴箱提吊等[27-28]。其中碳纤维摇枕安全吊的结构与原钢质安全吊结构基本一致（图13），采用热压罐成型，厚度由16 mm减至8 mm，质量由13 kg减至1.7 kg，且碳纤维安全吊的强度仍占优。现碳纤维安全吊已装车运行100 万km以上，运行状态良好。

图13 碳纤维摇枕安全吊

图14为中车长春轨道客车股份有限公司研发的新一代地铁列车和武汉东湖“光谷量子号”有轨电车车体。车体均采用碳纤维预浸料和蜂窝芯材组成的夹芯结构，通过模块化设计将车体结构分为U形车身、底架和端墙3大部件，有效实现地铁车辆车体结构减重35%。同时提高了车体的抗疲劳和耐腐蚀等性能，优化了节能降耗、防火减振等功能[29-30]。

图14 碳纤维地铁和有轨电车的车体结构

图15为中车青岛四方机车车辆股份有限公司开发的“下一代地铁列车”。2019年6月，下一代地铁列车完成了动态调试及5 km试验线型式试验；2019年9月，列车完成线路试验和运行示范；2019年12月17日，“下一代地铁列车项目”顺利通过专家组验收。该地铁的车体、转向架构架、设备舱及设备机体等均使用碳纤维复合材料制造，首次实现碳纤维复合材料在列车主结构上的全面应用。同时列车具有更节能、更舒适、更智能、适应性更强等优势，显示了地铁车辆未来技术发展方向。