碳纖維在轉向架部件中的應用研究

謝金路

摘 要 復合材料以其傳統材料不具備的優勢最先出現在航空航天等領域，隨著軌道行業的快速發展，動車組列車運行速度也在逐漸攀升。本文針對復合材料中碳纖維的特殊性能，分析并提出了碳纖維材料在轉向架部件中的應用，為轉向架材料革新提供參考。

關鍵詞 復合材料;轉向架部件;碳纖維;應用研究

引言

近些年隨著高速列車行業的發展，列車運行速度逐年攀升。轉向架作為列車運行的重要組成部分，總體質量一直居高不下。纖維復合材料作為新興的材料具有傳統金屬材料不具備的特殊性，纖維復合材料強度高、高周次疲勞強度、裂紋擴散速率低、耐腐蝕、質量較金屬材料輕等多項優勢，在航空航天領域已得到越來越廣泛的應用。本文針對復合材料中的碳纖維材料進行分析，討論碳纖維材料在轉向架部件中的應用[1]。

1碳纖維材料

碳纖維是由有機纖維經碳化和石墨化處理而得到的微晶石墨材料，含碳量高于 90%，具有輕質、高強、耐高溫、耐疲勞、抗腐蝕、導熱和導電等特性，是一種力學性能優異的新材料，已廣泛應用與航空航天領域。

2碳纖維應用現狀分析

碳纖維轉向架由于構成材質的差異性，與傳統金屬轉向架存在較大的工藝加工差異。碳纖維構架通常采用一體成型技術，零部件連接方式多采用粘接或者鉚釘連接[2]。

日本川崎公司利用碳纖維材料作為轉向架的構架，同時替代了傳統的鋼彈簧，起到懸掛功能，整個轉向架減重較傳統轉向架減重40%～50%，減重效果顯著，轉向架形式如圖1所示。

英國ELG公司生產的轉向架利用碳纖維作為構架端梁，采用了工型結構+箱型結構+膠結/螺栓連接的結構，有效減輕了轉向架的重量，轉向架如圖2所示。

3轉向架各部件碳纖維的應用

3.1 構架

現運行的傳統軌道車輛構架主要以碳鋼為主。構架作為轉向架的骨架，搭載各部件的安裝接口，起到傳遞各方向力的作用。傳統金屬材質的構架多采用焊接而成，屈服強度高、疲勞性能好。采用碳纖維材料作為構架的主材，需要碳纖維材料滿足構架尺寸結構的情況下一體成型，同時也可以利用碳纖維的阻尼特性，代替一系簧使用。一體成型的構架較焊接而成的構架質量穩定性更高，且碳纖維質量遠遠小于金屬材質，同等要求的碳纖維構架能夠充分有效地起到減重的作用[3]。

3.2 車輪

車輪作為列車與軌道直接接觸的零部件，起到傳遞輪軌之間垂向力、橫向力，為車輛運行提供粘著等作用，存在著超高周疲勞、極端沖擊載荷、低噪聲、高磨損及高熱等特點，因此車輪對材料的要求較高。碳纖維復合材料的強度高、阻尼特性好、密度小等優點可以在車輪設計中得到充分的應用。但由于碳纖維復合材料的抗沖擊性能和磨耗性能尚待提高，輪軌匹配關系也未得到充分驗證，碳纖維作為車輪的主要材料仍有一端很長的路要走。

3.3 車軸

車軸是連接車輪的承力零部件，在列車運行過程中需要承受較大的彎矩和力矩，因此車軸材料需具有較高的剛度，以避免其變形量過大。碳纖維彈性模量較小，不能滿足其使用要求，若能夠有效提高碳纖維復合材料的剛度，可優先選為新型車軸的設計材料。

3.4 軸箱體

軸箱體是將列車車輪轉動轉化為列車平動最為重要的零部件，承載整個車輛的載重。目前軸箱體多為一體成型結構，起到傳遞輪對與構架之間力的作用，常見的材料為鑄鐵或者鋁合金材質，尚未選用碳纖維作為材料使用。由于碳纖維的優良特性，建議考慮碳纖維軸箱體的設計。

3.5 齒輪箱

齒輪箱的設計不止需要滿足強度要求，也要滿足耐油、耐磨的要求。目前齒輪箱的設計已經應用了鋁合金材料，將來碳纖維復合材料也可以應用于齒輪箱的設計當中，但是需要解決目前碳纖維復合材料在連接方面存在的困難[4]。

4結束語

復合材料家具有傳統金屬材料不具有的輕量，耐腐蝕等多項優良特性。本文基于目前碳纖維復合材料的應用情況進行分析，介紹了目前存在的幾類碳纖維轉向架結構，并針對轉向架重要零部件進行討論，闡述了構架、車輪、車軸、齒輪箱、軸箱體等零部件的應用情況。

參考文獻

[1] 賈德民，林東.高速列車輕量化技術[J].機車電傳動，2004，（4）：1-2.

[2] 張新元.高性能碳纖維的性能及其應用[J].棉紡織技術，2011， 39（4）：65-68.

[3] 陳碩.碳纖維復合材料在轉向架構架中的應用研究[J].中國科技縱橫，2016，（4）：78.

[4] 孫國平，RolfJLeo.復合材料在高性能鐵路車輛轉向架上的應用[J].國外機車車輛工藝，1996，（4）：1-8.