纤维复合材料在轨道车辆中的应用

周晏云，吴伟萍，陈钰，康钰，韩琳，金一凡

摘要碳纤维复合材料作为一种新材料，以其轻质、高强、可灵活设计等优势满足了高速列车对安全、便捷、高效、绿色、经济的要求，成为轨道车辆重点研究方向，助力轨道交通事业向着“双碳”发展目标进发。本文介绍了碳纤维复合材料在国内外轨道车辆上的研究发展和应用现状，分析了国内外碳纤维复合材料应用于轨道交通领域的技术优势和性能优势，从材料、工艺和生产方面总结了碳纤维在轨道交通领域应用中面临的挑战，提出了复合材料在轨道交通发展中存在的问题，并对复合材料在轨道交通中的发展方向进行展望。

关键词轨道交通;复合材料；碳纤维；轻量化

Application of Fiber Composites in Rail Vehicles

ZHOU Yanyun，WU Weiping，CHEN Yu， KANG Yu，HAN Lin，JIN Yifan

（Harbin FRP Institute Co.，Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACTCarbon fiber composite materials as a new material meet the requirements of high-speed trains for safety， convenience， efficiency， green， and economy with their advantages of lightweight， high strength， and flexible design， which have become a key research direction for rail vehicles， helping the rail transit industry to advance towards the “dual carbon” development goal. The research， development， and application status of carbon fiber composite materials was introduced in domestic and foreign rail vehicles， the technical and performance advantages of carbon fiber composite materials applied in the field of rail transportation at home and abroad was analyzed ， the challenges faced by carbon fiber in the application of rail transportation were summarized from the aspects of materials， processes， and production， the problems existing was proposed in the development of composite materials in rail transportation， and finally looking forward to the development direction of composite materials in rail transportation.

KEYWORDSrail transit; composite materials; carbon fiber; lightweight

1引言

我国自20世纪90年代开始部署和发展轨道交通产业，目前已在道路规划、制造技术、运行速度和安全节能等方面达到国际先进水平［1］。2019年《交通强国建设纲要》中明确指出，我国铁路建设应构建安全、便捷、高效、绿色、经济的交通体系，向着“双碳”发展目标进发。现在正是重要的发展机遇期，是实现铁路高质量发展、建设交通强国、服务“两个一百年”奋斗目标的关键环节［2］。为深入贯彻我国交通强国建设，提供经济、舒适和安全的高速运载工具，必须深入了解高速列车行业现状、突破轻量化设计关卡、解决多功能结构研发等关键技术难题。

近年来，被誉为“黑色黄金”的纤维复合材料以其轻质、高强、可灵活设计等优势被广泛应用与各个领域，给新质生产力带来了无限可能。碳纤维复合材料的比刚度、比模量高，耐热、导电、抗疲劳等性能突出，是替换传统金属材料的首选材料，在轨道交通领域，碳纤维复合材料可以满足高速列车对安全、便捷、高效、绿色、经济的要求。本文主要介绍了纤维复合材料在轨道交通领域的研究进展和应用发展方向。

2轨道车辆材料的发展

轨道交通具有成本低、效率高、运力可控等优点，是城市交通建设中不可缺少的环节，经过半个世纪的建设与发展，我国城市轨道交通的正推动着 TOD（以公共交通为导向的开发）模式的兴起。2022年政府工作报告指出，近五年我国城市轨道交通运营里程约从4500 km增加到近10000 km［3］。轨道交通在满足运输职能的同时，更要具有可持续发展力，向我国低碳绿色的发展理念靠近［4］。车辆重量作为影响运行能耗的关键指标，一直是复合材料设计人员的重点研究方向［5］。传统的金属材料虽拥有先进的制备技术和成熟的制造产业链，但无法满足轨道车辆对更高安全性和更快速度的发展需求，而先进复合材料是推动轨道车辆向轻量化和更高安全性发展的首选。复合材料轨道车辆质量更轻、力学性能更佳、成型能力更优，轨道交通开始从金属时代进入复合材料时代［6］。随着碳纤维复合材料在轨道车辆中的应用越来越广泛，轨道车辆的重量得到明显降低，大幅降低运行阻力，车辆表面光洁度也显著提升［7］。碳纤维复合材料在逐步替代传统金属材料的过程中，其结构强度、刚度和稳定性是最基本的性能保障。轨道车辆常用的金属材料与纤维复合材料的力学性能对比如表1所示。

碳纤维复合材料具备比重小、比强度高、比模量高等优异特性，在轨道车辆应用中表现出良好的轻量化、减振隔热、耐疲劳、寿命长以及阻燃等性能，且材料的设计可塑性高，能够实现各种复杂的结构形式，提升了车辆的整体性能。碳纤维复合材料和传统金属材料的比强度和比模量对比如图1和图2所示［8］。

目前，国内外碳纤维复合材料在轨道车辆车体结构的应用还不能完全满足量产需求，这是制约碳纤维复合材料在轨道交通领域规模化应用的主因。第一，由于碳纤维复合材料相较金属在设计和生产方面的前期投入成本高，现有的生产模式不能满足量产需求；第二，碳纤维复合材料在制造、维护和回收等环节存在高耗能、高污染等问题，尚未达到低碳环保可持续发展的要求；第三，碳纤维复合材料的产品性能一致性有待进一步提高，以形成成熟的操作规范和评价标准。

3国内外复合材料轨道车辆研究进展

3.1国外研究进展

在轨道车辆上起初应用在局部装饰结构的非承载和次承载部件上［9］。20世纪90年代初，瑞士Schindler公司设计制造了采用CFRP车体的辛德勒列车［10］，试验运行时速达到了140 km/h。2000年，法国双层TGV挂车［11］表明了复合材料车体在抗振动和绝热防火方面突出的性能，减重25  %，试验运行时速达到350 km/h。2003年，瑞典投入运营C20FICA型列车［12］，减重约8  %，最高运行时速为90 km/h。2005年，日本新型新干线N700系高速列车采用CFRP部件［13-14］，实现了轻量、高强和不燃的目标，加速性能提高62.5 %，对于高速列车的研发和应用具备重要指导意义。2010年，韩国TTX列车碳纤维复合材料车体轻量化效果显著［15］，试验运行时速达到200 km/h。德国Voith公司研制碳纤维复合材料过渡车钩总质量仅23 kg，比传统金属材料减重50  %［16］。

3.2国内研究进展

我国研发纤维复合材料轨道车辆车体起步较晚，但发展速度非常迅猛。近年来，我国在轨道车辆复合材料领域取得了长足的进步。2018年，中车长春轨道客车股份有限公司联合江苏恒神公司成功研制出“光谷量子号”，主承载结构全采用CFRP加工成型，是全球首辆采用CFRP车体的地铁列车之一［17］，于2018年8月在武汉东湖线实现商业运营，最高运行速度100 km/h。2018年，中车四方股份公司牵头制造我国首型全碳纤维材料的地铁车辆 CETROVO，在德国柏林闪亮登场，首次实现了我国碳纤维复合材料在轨道车辆主承载结构上的全面应用，整体减重13  %［18］，是CFRP材料在轨道机车上大规模应用的重要里程碑。丁叁叁等［19］设计的碳纤维复合材料过渡车钩取得良好的使用效果。周伟旭等［20］对全碳纤维车体应用实例进行了分析，证实了全碳纤维复合材料承载结构应用的可行性。王明举等［21］设计的“碳纤维蒙皮-芯层”结构车顶受力均匀，且无应力集中点。张莉等［22］提出了一种轨道车辆碳纤维转向架整体制造技术。王昕敏［23］认为，采用碳纤维复合材料替代转向架构架中的金属材料，能有效提升车辆走行部的结构强度。越来越多的碳纤维复合材料轨道车辆部件被设计验证并实际应用于市场中，未来复合材料在轨道车辆的应用将愈发成熟。

4轨道交通应用中存在的问题及未来展望

4.1存在的问题

随着科技的进步，复合材料在轨道车辆车体中的应用前景广阔。从早期非承力构件到主承力构件，从小尺寸结构到大尺寸结构，从手糊为主的加工工艺到更先进的成型工艺。但是，目前仍有许多难题需要解决。

（1）标准体系不足。复合材料的规范和标准主要以航空航天行业为主，与轨道交通相关内容较少，需要进行试验支撑理论分析从而总结出适用的标准。

（2）成型和连接工艺问题。高速列车内部结构复杂，难以实现整体成型。复合材料转向架等关键部位的连接强度和破坏模式仍需进一步研究。

（3）磨损后处理差异。碳纤维、玻璃纤维等复合材料磨损后处理方式与金属不同。现有检测与监控技术不能适应复合材料的加工工艺和失效模式。

（4）成型工艺不成熟。复合材料成型工艺不够成熟，生产线不够完善，无法实现大规模批量生产。

4.2未来展望

（1）完善标准体系。通过参考国外FRP复合材料试验和制造标准，完善国内复合材料相关标准。完善行业工艺规范，提升复合材料产品质量。积极研发高新技术，持续推动新产品和新工艺的开发，为高速列车构件提供更多选择。

（2）整体设计和减少连接件。对三维曲面的车体结构，采用整体设计，分块制造。尽量减少螺栓、铆钉等连接件的使用，有利于提高产品结构性能和外观质量。

（3）拓宽FRP应用范围。积极拓宽FRP在轨道车辆车体结构上的应用范围，不限于机车车头前部、侧墙、端墙，还应推广到司机室顶盖、后端墙以及设备的骨架、台面板、风道等部件。

（4）优化复合材料前期设计。通过进一步优化复合材料的前期设计，实现部件轻量化和安全性的保证。复合材料结构形式、铺层和接头的设计优化是实现大规模应用的关键。

（5）研发高性能、低成本、轻质化材料。着力研发高性能、低成本、轻量化的复合材料，用于轨道交通装备制造，提高性能、降低成本。

5结语

碳纤维复合材料的应用有助于轨道车辆的低碳化运营和绿色发展，推动轨道交通领域紧跟国家节能减排战略，对进一步提高能源利用率具有重要意义。未来，可从完善标准体系、减少连接件、优化前期设计和研发高性能、低成本、轻量化材料等方向对复合材料进行深入研究，以实现轨道列车低能耗、高速度、低成本、高安全性的良好发展。

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