碳纖維復合材料在轉向架構架中的應用研究

陳碩

【摘 要】隨著列車速度的不斷提升，高速列車行駛安全性、穩定性成為當前重要課題，列車輕量化研究將在高速列車發展過程中起到重要的作用，新材料的應用是列車輕量化非常有效的途徑。轉向架構架作為列車重要組成部件，碳纖維復合材料在構架中合理使用會改變傳統加工工藝中的難題，對列車輕量化意義重大。

【關鍵詞】高速列車 碳纖維復合材料 轉向架構架

近年來，中國第一條時速350公里的高速鐵路—京津城際鐵路，建設里程最長、運營速度最高的高速鐵路—武廣客運專線相繼開通運營，列車最高運營速度不僅邁上300km/h的臺階，更發展到350～360km/h的更高水平，并有向更高速度目標沖擊的趨向。為確保安全，高速列車的最高試驗速度還需要提高約10%，由此時速360km列車試驗時速度會高達400km/h，這樣高的輪軌系列列車的高速甚至超高速運行，會對列車自身零部件及輪軌提出更高、更嚴格的要求。

列車行駛速度越高，對軌道沖擊力越大，我國規定高速列車動車最大軸重為19.5t，拖車為14.5t；高速列車行駛速度大于250km/h時，需要的動能是現有列車的4倍多，而列車的運行靠消耗電能、化學能或其他能量實現；高速列車的巨大動能在制動停車的短時間內如何消散也是一個困難的問題?？紤]以上方面，列車輕量化成為高速列車的技術關鍵，也成為列車速度提升的制約因素，因此，列車輕量化研究具有非常重要的意義。（高速列車輕量化技術）

新材料的應用是輕量化非常有效的途徑，對于材料而言，除了要求輕質之外，還必須具有更高的強度、模量、韌性、耐磨、耐疲勞、耐老化等性能。而且在列車不同部位使用的材料會具有特殊的要求，本文主要研究碳纖維復合材料在列車轉向架構架中應用的可行性。

由于碳纖維復合材料具有重量輕、高比強度、高比模量、耐疲勞、耐腐蝕、隔熱、耐磨、低成本、可設計性強等一系列優點，碳纖維復合材料已經在高速列車內部裝備和裝飾等非結構件中展開應用，包括地板、墻板、門窗、座椅、車門、衛生間等。碳纖維復合材料在結構件中的應用還比較少，有車體、車頭端部等，如圖1所示，在轉向架中應用仍處于研發階段，目前制動盤已經嘗試采用金屬基復合材料、碳復合材料等。

構架在轉向架中起著極其重要的作用，承受著縱向、橫向和垂向的復合載荷，應力分布復雜，構架的疲勞性能對車輛的運行安全性影響極大。構架組成主要由鋼板和鋼管焊接而成，包括橫梁、側梁、空簧支撐梁等結構，橫梁和側梁設有電機吊座、齒輪箱吊座、扭桿安裝座、制動吊座、管支架等多種結構，各個部件內部會布有加強筋板，采用焊接工藝連接，結構復雜，對材料及焊接工藝要求較高，如圖2所示。

碳纖維復合材料加工工藝與以往轉向架構架加工工藝存在根本不同，碳纖維復合材料講究一體成型，采用國內外先進三維編織技術，直接加工生成所需要的零部件尺寸，但是，由于構架內部結構復雜，給碳纖維復合材料的應用帶來許多困難：

（1）軌道交通行業缺少對新材料規范、標準，由于構架為列車非常重要的部件結構，直接決定列車使用壽命，所以材料使用前的靜強度、疲勞試驗以及動力學試驗驗證非常重要，而碳纖維復合材料缺少驗證基礎。（2）構架內部結構復雜，很難實現整體成型，而且構架為轉向架安裝基礎結構，經常需要添加管支架、座體等結構。預浸料（碳纖維材料加工后產品）之間以及預浸料與金屬件之間連接存在困難，碳纖維復合材料在成型產品連接處處理方法有兩種：在預浸料成型時，預埋螺栓等緊固件；采用膠類粘貼固定。相比較預浸料之間的連接方式，鋼板以及鋼管之間焊接后強度會更加可靠。（3）碳纖維材料磨損后處理方式存在差異。由于列車行駛工況復雜，構架在使用過程中受損在所難免，金屬件可以采用修磨方式處理，但碳纖維復合材料很難處理。

由于碳纖維復合材料優勢、特點，在列車輕量化過程中，碳纖維復合材料必然會起到越來越重要的作用，但仍存在許多難題需要客服。

參考文獻：

[1]21世紀初鐵道高速列車特色[J].鐵道機車車輛，2009，29（2）.

[2]高速鐵路發展概況及展望[J].甘肅科技縱橫，2005，6.