城軌車輛裝備領(lǐng)域輕量化復(fù)合材料的研究與應(yīng)用

康興東，姜 浩，劉 鑫，王浩宇，楊國棟，任玉鑫

（中車青島四方車輛研究所有限公司，山東青島 266011）

1 前言

交通運輸不僅是居民生活和社會發(fā)展的重要組成部分，同時也是能源消耗及溫室氣體排放的重點領(lǐng)域。在“雙碳”戰(zhàn)略背景下，充分發(fā)揮干線鐵路、城際鐵路、城市軌道交通等綠色低碳的特點，是有效改善交通結(jié)構(gòu)和優(yōu)化運輸方式的重要途徑[1-3]。

城市軌道交通作為城市公共客運交通的重要方式，在保證便利出行、緩解交通擁堵、促進(jìn)綠色可持續(xù)發(fā)展的同時，也會產(chǎn)生一定量的碳排放[4-5]。其中，運營維護階段的能源消耗和二氧化碳排放與其車輛的整備重量密切相關(guān)，因此選擇新型輕量化結(jié)構(gòu)材料是實現(xiàn)城軌車輛輕量化設(shè)計和全壽命周期低碳運營的主要方法[6-7]。

隨著全球軌道交通裝備市場需求快速增長，傳統(tǒng)輕量化金屬材料再難滿足更高的綜合性需求。《美國國家創(chuàng)新戰(zhàn)略》、歐盟《“地平線2020”計劃》和《中國制造2025》都將輕量化復(fù)合材料的研制與應(yīng)用作為高端制造業(yè)及國防工業(yè)的重要發(fā)展方向。毋庸置疑，先進(jìn)復(fù)合材料的研究與應(yīng)用必將引領(lǐng)軌道交通制造產(chǎn)業(yè)的變革。

2 復(fù)合材料的性能特點及優(yōu)勢

復(fù)合材料是由2種或2種以上不同物質(zhì)組合而成的一種多相固體材料，擁有單一材料所不具備的材料特性[8]。復(fù)合材料的發(fā)展經(jīng)歷了3個歷史階段：20世紀(jì)40年代，以玻璃纖維增強不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂為代表的復(fù)合材料作為第1代復(fù)合材料，其比強度高，耐腐蝕性能好，但比模量較低；20世紀(jì)60年代相繼開發(fā)了硼纖維、碳纖維和芳綸纖維，這種纖維增強的復(fù)合材料具有高比剛度和高比強度的特性，同時具有高比模量，被稱為第2代復(fù)合材料；20世紀(jì)70年代，開發(fā)了耐熱性更高的氧化鋁纖維、碳化硅纖維及各種晶須，同時配有金屬基、陶瓷基等基體材料，使得復(fù)合材料的性能向耐熱、高韌性和多功能方向發(fā)展，認(rèn)為是第3代復(fù)合材料[8-9]。

復(fù)合材料作為新型工程裝備結(jié)構(gòu)材料，已在航空航天、船舶制造、汽車工業(yè)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。而隨著軌道交通裝備綜合性能的要求日益增加，以玻璃纖維、碳纖維為增強體的輕量化復(fù)合材料也在此領(lǐng)域中得到推廣應(yīng)用。將復(fù)合材料用于軌道交通領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)部件具有如下優(yōu)勢：①輕質(zhì)高強，有良好的耐腐蝕性、抗疲勞特性；② 有效實現(xiàn)輕量化設(shè)計，降低列車重心，提升列車的穩(wěn)定性、抗振性和防噪性；③復(fù)合材料具有多功能設(shè)計性，可依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計需求，開展復(fù)合材料多功能屬性的整體設(shè)計；④復(fù)合材料可實現(xiàn)一體化成型，有效減少零部件數(shù)量，簡化生產(chǎn)工序，控制制造成本；⑤運用預(yù)埋傳感器、結(jié)構(gòu)健康診斷（PHM）等手段，可對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)開展全壽命周期監(jiān)控與評估。

3 國外軌道車輛中復(fù)合材料的研究與應(yīng)用

3.1 復(fù)合材料與功能結(jié)構(gòu)研究

M.Grasso等對3種不同的夾芯材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真對比分析，并依據(jù)結(jié)果給出了用于軌道車輛車頂結(jié)構(gòu)的可行性方案[10]。I.Sebe?ans等將用于軌道車輛承載結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料進(jìn)行了力學(xué)性能檢測，發(fā)現(xiàn)各項指標(biāo)均高于承載結(jié)構(gòu)的相關(guān)要求[11]。A.?nder等對E-玻纖/環(huán)氧樹脂/滌綸樹脂（PET）泡沫組成的夾芯結(jié)構(gòu)開展了準(zhǔn)靜態(tài)沖壓試驗和有限元仿真計算（圖1），揭示了該材料結(jié)構(gòu)抗沖擊性能、失效模式及失效損傷的表現(xiàn)形式，所得結(jié)果用于復(fù)合材料軌道車輛的故障檢修和損傷數(shù)據(jù)庫的建立[12]。

圖1 E-玻纖/環(huán)氧樹脂/PET泡沫組成的夾芯結(jié)構(gòu)樣品件和準(zhǔn)靜態(tài)沖壓試驗

A.Genovese等對地鐵用[0/90/+45/-45/0]S鋪層方式的減振器安裝座進(jìn)行了靜態(tài)試驗與仿真計算（圖2）。結(jié)果表明采用單元芯材3×6陣列排布的減振器安裝座強度和剛度均處于彈性階段，且未發(fā)生任何損傷與失效[13]。

圖2 減振器安裝座的靜態(tài)試驗與仿真計算

S.Bruni等基于“NEXTGER”項目提出了3種碳纖維復(fù)合材料-金屬混合設(shè)計理念，綜合分析后，選擇方案c作為研究目標(biāo)繼續(xù)優(yōu)化，如圖3所示。最終設(shè)計的車軸僅74 kg，較空心鋼制軸減重63%。此外，研究還詳細(xì)分析探討了金屬-復(fù)合材料接口設(shè)計、結(jié)構(gòu)健康檢測與無損檢測結(jié)合、復(fù)合材料層合板沖擊性能及簧下質(zhì)量減輕對輪對動力學(xué)性能影響等內(nèi)容[14]。

圖3 3種碳纖維復(fù)合材料-金屬混合設(shè)計理念和最終方案

3.2 復(fù)合材料的研制與應(yīng)用

意大利Bercella公司研制出一種安裝在車廂墻壁的復(fù)合材料座椅懸臂支架（圖4）。懸臂支架長1 m，質(zhì)量不足5 kg，能滿足EN 45545防火阻燃、靜態(tài)載荷等要求。其采用的英國Composite Evolution公司生產(chǎn)的Evopreg PFC預(yù)浸料，獲得了環(huán)保認(rèn)證，且具有優(yōu)異的耐火特性。

圖4 Evopreg PFC預(yù)浸料的座椅懸臂支架

瑞典斯德哥爾摩C20FICAS地鐵列車的側(cè)墻、地板、頂蓋都選用了聚甲基丙烯酰亞胺（PMI）泡沫夾芯不銹鋼三明治結(jié)構(gòu)，側(cè)墻的總厚度減少了120 mm，使得客椅間的寬度增加了30%（圖5）。

圖5 C20FICAS地鐵列車

法國Stratiforme Industries公司研制出一款熱塑性樹脂司機室前端（圖6）。在保證原有機械性能條件下減重約15%，同時選用符合最新安全標(biāo)準(zhǔn)的新型熱塑性復(fù)合材料，使得報廢樹脂回收具有可行性。

圖6 熱塑性樹脂司機室前端

德國Voith公司研制出用于故障列車牽引操作的碳纖維增強復(fù)合材料過渡車鉤（圖7），該過渡車鉤結(jié)構(gòu)極其緊湊，總質(zhì)量僅約23 kg，可實現(xiàn)單人攜帶及安裝作業(yè)[15]。

圖7 碳纖維增強復(fù)合材料過渡車鉤

2014年9 月，日本川崎重工在柏林展出一款新型碳纖維efWING轉(zhuǎn)向架（圖8）。主承載部件側(cè)梁形似弓形彈簧，取消了傳統(tǒng)軸箱彈簧和減振器。在美國交通技術(shù)中心（TTI）進(jìn)行的4 500 km線路運行試驗時，最高速度可達(dá)160 km/h，結(jié)果表明新型轉(zhuǎn)向架運行平穩(wěn)性好，可有效降低脫軌風(fēng)險，安全性指標(biāo)有明顯提升[16-17]。

圖8 efWING轉(zhuǎn)向架及碳纖維側(cè)梁

2019年12 月，一款新型碳纖維鐵路車輛轉(zhuǎn)向架CAFIBO在哈德斯菲爾德大學(xué)的“ UnlockingInnovation”會議上亮相（圖9）。該轉(zhuǎn)向架采用ELG公司提供的回收碳纖維并進(jìn)行了材料測試，Magma Structures公司負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)向架的設(shè)計和制造，伯明翰大學(xué)傳感器與復(fù)合材料小組為轉(zhuǎn)向架開發(fā)了嵌入式健康監(jiān)測系統(tǒng)，而樣機則在哈德斯菲爾德大學(xué)開始全面測試。

圖9 碳纖維鐵路車輛轉(zhuǎn)向架（CAFIBO）

2018年10 月，美國超級高鐵運輸技術(shù)公司（Hyperloop TT）公開展示了一款全尺寸超級高鐵客車（圖10）。該車體由Airtificial公司建造，全長32 m，內(nèi)部空間長約15 m，整個車廂重5 t，包括82個碳纖維面板、72個傳感器、75 000個鉚釘和7 200 m2的光纖。這款名為“Quintero One”的超級高鐵客車由雙層智能復(fù)合材料制成，這種材料的強度比鋼材強8倍，比同類鋁制品強10倍。

圖10 Quintero One超級高鐵客車

英國Far-UK公司設(shè)計了一種新型輕軌車輛車架結(jié)構(gòu)（圖11）。該車架由熱塑性碳纖維復(fù)合管編織而成，可通過粘接和簡單焊接輕松組裝。通過模塊化設(shè)計，有效降低了投資和制造成本。

圖11 新型輕軌車架結(jié)構(gòu)

4 國內(nèi)軌道車輛中復(fù)合材料的研發(fā)、應(yīng)用與發(fā)展

4.1 復(fù)合材料和功能結(jié)構(gòu)的研究

周洲等分析了纖維增強酚醛發(fā)泡材料、芳綸蜂窩夾層材料、有機硅泡沫材料及PMI泡沫夾層材料四大類車體新材料的特點和典型應(yīng)用，并明確了需要深入探究的技術(shù)方向[18]。劉小芳等對比分析了夾芯結(jié)構(gòu)中泡沫芯材的基本力學(xué)性能和防火性能，結(jié)合車體復(fù)合材料的應(yīng)用情況，指出PMI泡沫/鋁蒙皮夾芯結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢[19]。楊中甲等對軌道交通用復(fù)合材料分別從成型工藝、抗沖擊性能、夾層結(jié)構(gòu)的阻燃隔熱特性等方面進(jìn)行研究，并提出了復(fù)合材料低成本、多功能制備的研究路徑[20]。陳書翔等針對軌道車輛敏感部位電磁屏蔽的應(yīng)用需求，采用熱壓罐成型工藝使碳纖維與層間電磁增強材料有效結(jié)合，研制了一種低頻電磁防護碳纖維復(fù)合材料。經(jīng)測試，該材料具有輕質(zhì)高強、屏蔽性能好、環(huán)境適用性強等優(yōu)點[21]。蔡明君等以優(yōu)化城軌車輛地板的吸音降噪性能為目標(biāo)，提出了復(fù)合隔音鋁蜂窩材料、PET泡沫復(fù)合鋁材料和酚醛-巴沙木夾芯材料3種新型復(fù)合材料的地板結(jié)構(gòu)（圖12），并分別進(jìn)行了測試與分析[22]。

4.2 復(fù)合材料的應(yīng)用研究

晉軍輝等對抗側(cè)滾扭桿中若干活動關(guān)節(jié)部件采用聚甲醛復(fù)合材料的可行性進(jìn)行了探討，從材質(zhì)特性、結(jié)構(gòu)設(shè)計、試驗情況及運用效果等方面開展研究[23]。

劉波等設(shè)計了一種碳纖維電氣柜體，并進(jìn)行了靜強度和模態(tài)仿真計算以及沖擊振動試驗、防護等級試驗。研究結(jié)果表明，該碳纖維復(fù)合材料柜體具有輕量化、整體成型等優(yōu)勢，且滿足沖擊振動和防護等級要求[24]。

方炅任等從碳纖維類型對比、成型工藝、連接方式、缺陷控制方法等方面著手開展碳纖維頭罩的設(shè)計，并對產(chǎn)品進(jìn)行靜強度分析與鋪層優(yōu)化[25]。

湯騰等開發(fā)了一種碳纖維預(yù)埋金屬嵌套的新型轉(zhuǎn)向架垂向連桿結(jié)構(gòu)，采用真空熱壓罐工藝制成的成品最終質(zhì)量為2.4 kg，并通過各項測試證明其滿足功能和使用壽命要求[26]。

中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司的轉(zhuǎn)向架碳纖維產(chǎn)品取得良好運用效果，包括搖枕安全吊、天線梁、軸箱提吊等[27-28]。其中碳纖維搖枕安全吊的結(jié)構(gòu)與原鋼質(zhì)安全吊結(jié)構(gòu)基本一致（圖13），采用熱壓罐成型，厚度由16 mm減至8 mm，質(zhì)量由13 kg減至1.7 kg，且碳纖維安全吊的強度仍占優(yōu)。現(xiàn)碳纖維安全吊已裝車運行100 萬km以上，運行狀態(tài)良好。

圖13 碳纖維搖枕安全吊

圖14為中車長春軌道客車股份有限公司研發(fā)的新一代地鐵列車和武漢東湖“光谷量子號”有軌電車車體。車體均采用碳纖維預(yù)浸料和蜂窩芯材組成的夾芯結(jié)構(gòu)，通過模塊化設(shè)計將車體結(jié)構(gòu)分為U形車身、底架和端墻3大部件，有效實現(xiàn)地鐵車輛車體結(jié)構(gòu)減重35%。同時提高了車體的抗疲勞和耐腐蝕等性能，優(yōu)化了節(jié)能降耗、防火減振等功能[29-30]。

圖14 碳纖維地鐵和有軌電車的車體結(jié)構(gòu)

圖15為中車青島四方機車車輛股份有限公司開發(fā)的“下一代地鐵列車”。2019年6月，下一代地鐵列車完成了動態(tài)調(diào)試及5 km試驗線型式試驗；2019年9月，列車完成線路試驗和運行示范；2019年12月17日，“下一代地鐵列車項目”順利通過專家組驗收。該地鐵的車體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、設(shè)備艙及設(shè)備機體等均使用碳纖維復(fù)合材料制造，首次實現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料在列車主結(jié)構(gòu)上的全面應(yīng)用。同時列車具有更節(jié)能、更舒適、更智能、適應(yīng)性更強等優(yōu)勢，顯示了地鐵車輛未來技術(shù)發(fā)展方向。

圖15 “下一代地鐵列車”的碳纖維車體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、設(shè)備艙

5 思考與展望

城軌車輛裝備市場的迅猛增長為該領(lǐng)域新技術(shù)、新材料的探索及應(yīng)用提供了前所未有的機遇與挑戰(zhàn)。而為使輕量化復(fù)合材料廣泛應(yīng)用到城市軌道交通領(lǐng)域，我們應(yīng)借鑒以往設(shè)計與制造經(jīng)驗，并結(jié)合5G、大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生等新興技術(shù)，全面開展各項關(guān)鍵技術(shù)研究，為我國城市軌道交通高質(zhì)量發(fā)展打下堅實基礎(chǔ)。

（1）基于復(fù)合材料的特性，進(jìn)行結(jié)構(gòu)形式多樣化設(shè)計，實現(xiàn)由層合板、夾層結(jié)構(gòu)向復(fù)合化、網(wǎng)格化結(jié)構(gòu)發(fā)展。

（2）開展復(fù)合材料性能表征等基礎(chǔ)性能研究，逐步形成和完善材料設(shè)計、工藝規(guī)范，提高復(fù)合材料產(chǎn)品的質(zhì)量。

（3）建立城市軌道交通領(lǐng)域的先進(jìn)復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)體系，包括原材料準(zhǔn)入機制、設(shè)計和驗證規(guī)范、檢驗檢測及質(zhì)量評價方法等。

（4）結(jié)合一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計、整體成型工藝和PHM檢測技術(shù)，實現(xiàn)設(shè)計-制造-檢測的智能復(fù)合材料研制，提高產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能和整體品質(zhì)。

（5）針對復(fù)合材料在城軌車輛中的應(yīng)用開展全壽命周期評價（LCA），有效推進(jìn)全價值鏈的協(xié)同創(chuàng)新與城軌車輛裝備產(chǎn)品的持續(xù)改進(jìn)，促進(jìn)復(fù)合材料行業(yè)與城市軌道交通領(lǐng)域的快速融合。