復合新材料在地鐵車輛輕量化設計中的應用

李 霞 張 楠

（1.太原理工大學機械與運載工程學院；2.大秦鐵路股份有限公司）

隨著城市軌道交通的發展，地鐵車輛的數量不斷增多，由地鐵車輛運營而產生的噪聲污染和能耗問題越來越嚴重，因此地鐵車輛的節能、環保問題已成為行業高度關注的核心議題.而輕量化是地鐵車輛的降低噪聲、節能環保的研究方向。地鐵車輛輕量化設計涉及系統集成、輕量化材料使用和結構輕量化優化。本文對復合新材料在地鐵車輛輕量化設計中的應用方案及應用效果進行探討，并分析復合新材料在地鐵車輛輕量化設計中應用創新思路。

1 復合新材料特質及地鐵車輛設計基礎需求分析

為提升地鐵車輛性能、提高地鐵車輛質量和降低地鐵車輛自重，進而降低地鐵車輛運行過程中的噪聲和減少能耗，在近些年的發展中，地鐵車輛制造用材料發生了顯著變化。地鐵車輛制造用材料由早期的普通碳鋼材料向耐候鋼材料轉變，并將不銹鋼材料逐步應用于地鐵車輛制造；現階段，鋁合金材料已成為主流地鐵車輛制造用材料，大大提高了地鐵車輛的性能與質量。發展至今，地鐵車輛設計人員正逐步探索將新興的復合材料應用于地鐵車輛的設計與制造中。復合新材料在耐磨性、耐火性、堅韌性及可持續利用性方面均具有領先優勢，且輕量化復合新材料的應用能在保證地鐵車輛安全與穩定運行的條件下不斷降低其自重。輕量化復合新材料的應用不但提高了地鐵車輛的實際行駛性能，而且能夠有效降低車輛運行中的噪聲并實現節能降耗，這也恰恰滿足了地鐵車輛的現實需求，使城市軌道交通的整體運行效率與安全系數均得到了顯著提升。

2 復合新材料在地鐵車輛輕量化設計中的應用 方向及應用效果分析

為進一步實現地鐵車輛輕量化設計的目標，現階段各類新興復合材料被應用于地鐵車輛各個模塊與組成部分的設計與生產之中，如碳纖維材料、復合碳纖維材料等多種新興材料均在地鐵車輛輕量化設計中得到了一定的應用。復合新材料的實際應用主要體現在地鐵車輛外部結構、內部裝飾、中間夾層以及動力元件的輕量化設計之中，而復合新材料在這些地鐵車輛組成部分的使用使地鐵車輛的運行效率得到了不同程度的提升。

（1）復合新材料在地鐵車輛外部結構輕量化設計中的應用及優勢分析。在地鐵車輛的輕量化設計方案之中，外部結構是復合新材料最早應用的區域，如地鐵車輛車體的外殼、車頭和頂部等位置都采用了各類復合新材料來替代傳統的制造材料。通過使用這些復合新材料，地鐵車輛的整體自重進一步下降，一方面降低了地鐵車輛行駛過程中所需消耗的能量和所產生的噪聲，另一方面為地鐵車輛外觀設計等做出了相應貢獻。這不但與我國節能、環保和降耗的發展理念相契合，而且也使地鐵乘客獲得了更好的視覺感官體驗。

（2）復合新材料在地鐵車輛內部裝飾輕量化設計中的應用及優勢分析。在地鐵車輛的輕量化設計方案之中，車輛內部裝飾材料的選擇與使用也逐漸由傳統的制造材料向復合新材料過渡。例如，在傳統地鐵車輛內部的裝飾配件中，多采用合金制品、塑料制品和鐵銅制品，該類材料或多或少具有一定的應用缺陷，如較為笨重、不耐磨、不耐腐蝕和不耐臟等。然而，通過使用新興復合材料來替代傳統材料，地鐵車輛內的裝飾品及各類裝置的自重大大降低，這在一定程度上降低了地鐵車輛的整體自重，且有效提升了地鐵車輛內部裝置的耐磨性、耐腐蝕性和耐臟性等各項性能。

（3）復合新材料在地鐵車輛中間夾層輕量化設計中的應用及優勢分析。地鐵車輛的中間夾層主要是指地鐵車輛外殼與地鐵車輛內部空間之間的夾層。地鐵車輛中間夾層的設計是決定地鐵車輛總體自重最為關鍵的因素，也是實現地鐵車輛輕量化設計最為重要的決定性因素。各種復合新材料在地鐵車輛中間夾層中的使用能夠充分滿足地鐵車輛的輕量化設計需求。為保證地鐵車輛的行駛安全，在傳統的設計方案中，地鐵車輛中間夾層多采用高硬度和高密度的堅硬合金材料。隨著新型復合新材料的研發和應用，該類材料能夠在保持高硬度的同時顯著的降低材料自重。如將復合合金這些復合新材料應用于地鐵車輛的中間夾層能夠在保證車身質量及車輛行駛安全性的基礎上極大降低地鐵車輛的自重，進而實現地鐵車輛輕量化設計的目標。

（4）復合新材料在地鐵車輛動力元件輕量化設計中的應用及優勢分析。地鐵車輛設計人員近年正在研究將復合新材料應用于地鐵車輛動力元件的輕量化設計之中，以進一步達到地鐵車輛輕量化設計的目標。通過使用各類新興技術，如立體制造技術、3D打印技術等，地鐵車輛的設計人員嘗試將復合新材料作為制作材料用于一些地鐵車輛動力元件的輕量化設計，這在保證地鐵車輛能夠在正常、安全行駛的基礎上進一步的降低車輛自重。

3 地鐵車輛輕量化設計方案中的復合新材料 應用創新思路

考慮到地鐵車輛輕量化設計的迫切需求與復合新材料的蓬勃發展勢頭，在未來的地鐵車輛的輕量化設計中，相關人員仍應對復合材料在地鐵車輛中的應用進行創新與實踐，不斷提升地鐵車輛運行效率，實現節能降噪。首先，地鐵車輛設計人員應當進一步提高復合新材料在地鐵車輛輕量化設計中的應用比例。盡管復合材料已經被應用于地鐵車輛車體的外部、內部、中間夾層以及車輛動力元件的設計中，但地鐵車輛中仍有大批部件可以使用復合新材料來制造，這有助于進一步實現地鐵車輛輕量化設計目標。其次，應綜合分析復合新材料應用于地鐵車輛輕量化設計的安全系數，這是保證復合新材料應用可靠性與廣泛性的重要基礎。因此，設計人員應針對該方面問題進行充分的實驗與測試，這對于復合新材料在地鐵車輛輕量化設計中的進一步應用而言意義重大。另外，隨著復合新材料在地鐵車輛中應用比例的增加，逐步實現復合材料的綠色、可持續利用同樣十分重要，如在地鐵車輛輕量化設計中推廣復合新材料循環使用等理念。