軌道交通車輛轉向架零部件應用碳纖維復合材料替代金屬材料研究

王昕敏

(西安鐵路職業技術學院，陜西西安 710026)

軌道交通對于我國的經濟發展以及各項基礎設施建設具有至關重要的作用，也直接影響著公共交通事業的進步。軌道交通的車輛轉向架，是高速軌道列車核心結構和關鍵技術環節之一。轉向架約占軌道交通車輛整重的30%～40%，較高的重量無疑給車輛的輕量化發展帶來影響。此外，傳統的車輛轉向架多以鋼材焊接組裝而成，在長期高負荷、高強度工作狀態下，會因外力作用而在焊接部分形成疲勞斷裂等問題。因此，相關領域不斷嘗試使用新的材料代替傳統金屬材料用于替換轉向架中的某些零部件。碳纖維復合材料便是替換材料中較為出色的一種。碳纖維復合材料由于具有密度低、高強度、耐腐蝕等性能優勢，逐漸被軌道交通領域應用于車輛各部分，例如司機室頭罩、車輛車體等。然而，專門針對車輛轉向架應用碳纖維復合材料的研究尚且不多。本文以碳纖維復合材料為主要研究對象，對復合材料在車輛轉向架各零部件中的應用可行性進行分析，提出了針對現有某型號客用軌道交通車輛轉向架的整改優化方法。

1 碳纖維復合材料特性

（1）重量輕、強度高

傳統的軌道交通車輛轉向架多采用碳鋼、不銹鋼或者鋁合金材料制備而成，這些材料中鋁合金材料的密度整體最低。但是與碳纖維復合材料相比，即便鋁合金材料的密度也要遠超普通碳纖維復合材料［1］。表1所示為軌道交通車輛轉向架常用金屬材料性能參數與碳纖維復合材料性能參數的對比情況。

表1 轉向架用材料性能對比Table 1 Comparison of material properties of bogie

從密度方面分析，碳纖維復合材料能夠表現出明顯優于碳素鋼或者不銹鋼的性能，即便與鋁合金材質相比，碳纖維復合材料的密度優勢也極為明顯。從材料的強度來看，碳纖維復合材料的拉伸強度遠超普通金屬或合金材料，比強度與比模量更是遠超一般碳素鋼。如果采用碳纖維復合材料替換傳統的金屬或鋁合金材料，不僅能夠全面降低軌道交通車輛的整體重量，還能夠一定程度上增強車輛的整體強度。

（2）結構設計靈活

與傳統金屬材料相比，碳纖維復合材料的結構設計更為靈活。這種設計靈活優勢主要體現在兩方面。首先，碳纖維復合材料的材料性能更加優異，在使用碳纖維復合材料進行結構件設計加工時，可以為設計人員提供更加寬泛的設計余量，設計人員可以靈活采用多種結構進行零部件設計，而不必擔心零部件結構的整體強度。其次，碳纖維復合材料本身的加工方式可以采用鋪層設計、模具加工等多種方式，可以幫助設計人員避免傳統鋼結構設計中的諸多問題。

（3）抗疲勞性能強

表2所示為載荷由0增加至107N過程中，完整碳纖維復合材料結構件、有缺口的碳纖維復合材料結構件以及原始粘合短碳纖維材料的材料延伸率變化情況［2-4］。

表2 碳纖維復合材料耐久性能比較(延伸率：%)Table 2 Comparison of durability of carbon fiber composites

由表2數據可知，盡管完整的結構件在最初的材料延伸率方面表現出明顯高于缺口結構件以及原始短纖維材料的性能，但是隨著材料載荷的不斷提升，三者在材料延伸率方面的差異越來越小，最終基本達到同一水平。可見，對于碳纖維復合材料而言，并不會因為材料出現缺口或者裂紋而呈現過于明顯的性能變化，即材料本身對缺口、裂紋的敏感度較低，材料的綜合抗疲勞性能較為優越。

軌道交通車輛的轉向架是一種需要長期高負荷運轉的零部件。以金屬材料制備而成的轉向架在長期高強度動態載荷的作用下，極容易在焊接或組裝部分發生擴展/擠壓，最終形成不斷擴大的裂紋。由于碳素鋼或者一般鋁合金材料的抗疲勞強度通常并不高，在面對這種高載荷、高強度動態沖擊時，容易因為材料劣勢而出現缺陷擴張，最終造成事故［5-7］。碳纖維復合材料的抗疲勞性能遠比一般的金屬或合金材料更強。這種性能優勢主要體現在兩方面：首先，碳纖維材料本身的材料強度、剛性較一般金屬材料更好，更不容易在高載荷作用下形成裂紋或缺口等；其次，碳纖維復合材料在出現裂紋或缺口以后，由于材料本身為鋪層加工而成，不同層之間會在材料結構作用下形成相互作用，缺口或者裂紋的影響將會大大降低。

2 轉向架應用碳纖維復合材料可行性分析

2.1 轉向架基本結構

圖1所示是一種典型的載客輕軌車輛轉向架，包括懸掛彈簧、構架、車輪等零部件。這種轉向架基本全部由金屬材料制備而成，除了車身較重這一負面問題外，在長期高負荷運載狀態下，車輛的構架、車輪、制動盤等部位均有可能因為載荷的作用而產生裂縫或缺口，進而造成安全事故。

圖1 典型載客輕軌車輛金屬轉向架Fig.1 Metal bogie of typical passenger light rail vehicle

2.2 轉向架各零部件應用碳纖維復合材料可行性

2.2.1 構架

軌道交通車輛轉向架的構架，是整個轉向架結構的框架，基本上其他各個零部件均是以構架為基礎并安裝在構架之上的。轉向架的構架承擔了轉向架各個方向上的力和載荷，對構架本身的設計強度具有較高要求。當前絕大多數國家的輕軌系統轉向架構架都是以碳素鋼為主要材質，構架的重量約占車輛轉向架整重的15%～～30%，是占能耗比例較大的車輛零部件［8-10］。最早以復合材料代替車架構架碳素鋼材料的構想，起源于20世紀80年代的德國某公司，該公司對復合材料構架的耐久性進行了實驗，表明材料替換以后能夠顯著提升轉向架的整體結構強度，并降低轉向架的自重；之后全球各國均開始嘗試以碳纖維等復合材料代替傳統碳素鋼材料制備轉向架構架，我國最新研發的碳纖維地鐵車輛“CETROVO”采用了大量碳纖維材料代替傳統金屬材料，使轉向架構架在有效降低自重約20%左右的基礎上，有效提升了構架屈服強度和抗疲勞性能。

2.2.2 軸箱體

軸箱體在車輛轉向架中的作用主要是保護車輛的車軸并且傳遞車輛車輪對構架的作用力。因此，軸箱體也需要長期承擔主要來自縱向的載荷。不過當前關于開發碳纖維復合材料軸箱體的有關研究較少，僅有我國的部分輕軌研究人員開發了某些一體成型的碳纖維復合材料軸箱體［11-13］。這種設計主要有兩方面的優勢：一方面可以使軸箱體的自重進一步降低，實現車身輕量化設計；另一方面此時的軸箱體在碳纖維復合材料高強、高彈的性能支持下，還可以起到一定的板簧作用，增強車身的穩定性以及車內乘坐舒適感。

2.2.3 懸掛彈簧

用碳纖維復合材料代替傳統的金屬懸掛彈簧，是車輛轉向架與復合材料融合領域的重點研究方向。碳纖維復合材料具有高強、高彈的特性，以復合材料代替傳統彈簧作為板簧，具有以下兩方面優勢。

首先，碳纖維復合材料板簧可以將轉向架側梁與螺旋彈簧的功能進行整合，弓形碳纖維板簧可以同時提供原來兩種部件的作用，同時還能大幅降低轉向架重量。

其次，碳纖維復合材料弓形板簧可以在車輛產生運載負荷時使整個轉向架產生撓曲效應，保證轉向架中各個車輪能夠穩定、均勻地向鐵軌施加作用力，此時車輛內部的乘坐舒適性能夠大幅提升。尤其當輕軌運行軌跡不是直線時，這種撓曲抑制能夠充分減少“輪重減載”現象，能夠有效避免輕軌脫軌。

2.2.4 車軸

車軸是軌道交通車輛轉向架的重要承力部件，需要承擔很大一部分車身整重在垂直方向的載荷以及其他轉向架部件帶來的其他方向的載荷。因此，車軸部分的受力情況較為復雜。車軸材料的選擇除了輕量化要求以外，還必須同時具備較高的可加工性、較高的材料剛性等，以避免車軸在承受彎矩或力矩時產生過大的形變量等。不過對于當前的復合材料研究領域而言，尚未能發現某種碳纖維復合材料或其他復合材料能夠替代現有的金屬材料。這主要是因為若保持現有車軸結構不變的情況，碳纖維等復合材料并不能長期保持良好的彈性模量，無法承擔圓柱形結構帶來的材料性能衰減。因此，本文認為車軸部分暫時無法以碳纖維復合材料完全替代。

2.2.5 制動盤、剎車片

制動盤、剎車片主要承擔的是制動時車輛的車輪以及車軸帶來的摩擦力。此外，制動盤與剎車片還必須擁有良好的耐磨性和耐高溫性能。當前最常用的制動盤、剎車片復合材料為超高分子聚乙烯、聚酰胺結構等［14］。而這種材料在長期高負荷作用下會出現異常磨損甚至融化，對于車輛的正常運行危害性極大。因此，部分學者嘗試使用其他復合材料制備制動盤和剎車片。有學者開發了增強鋁基復合材料與碳/碳復合材料顆粒進行混合的方法制備剎車片材料，能夠有效提升剎車片的耐磨性，但是這種剎車片材料一旦遇到潮濕條件會一定程度上降低部分摩擦力［14］。因此，盡管這種復合材料混合剎車片自重較低，耐磨性也較好，但仍然不值得進行推廣。目前還沒有更多的研究表明碳纖維材料可以明顯取代傳統金屬、高分子材料用于制備制動盤和剎車片。

2.2.6 車輪

車輪是軌道交通車輛整體結構中最核心的零部件，需要為車輛提供垂直于鐵軌方向的支撐力以及鐵軌對車輪在平行方向的約束力等，受力載荷極大。車輪部分所承受的載荷突出表現為高強度、長周期、極端沖擊、高磨損、高腐蝕以及高熱量等。車輪部位材料的應用與選擇，對車輛整體運行穩定性、功耗等均會產生極大影響。我國某企業開發了一種金屬搭配復合材料的新型車輪，該車輪最外圍輪轂以及最內層襯套均是傳統的碳鋼材質，而輪心部位則采用了碳纖維復合材料，利用粘膠和嵌襯工藝將三者進行連接［15］。這種結構設計一方面能夠顯著降低車輪自重20%左右，還能有效降低車輪部分在高載荷作用下與鐵軌之間的沖擊載荷，進而有效提供緩沖作用的同時，降低轉向架其他部件受到的運動沖擊。

2.3 轉向架各零部件應用碳纖維復合材料方案

經以上分析可知，在軌道交通車輛轉向架各零部件中，構架、軸箱體、懸掛彈簧以及車輪這四個部件具有以碳纖維復合材料替代傳統金屬材料的可行性；而車軸以及剎車系統方面，本文認為當前并沒有太多的材料替換可行性。因此，本文建議在今后的軌道交通車輛轉向架構上應用復合材料時，應將主要的設計重心集中在構架、軸箱體、懸掛彈簧以及車輪四個零部件方面。在這四處應用碳纖維復合材料，能夠實現車輛整體的輕量化從而顯著提升車輛能耗效率，還能夠增強車輛轉向架整體剛性、彈性和舒適性等。

3 結語

綜上所述，碳纖維復合材料因具備高強、高彈、低密度和抗老化疲勞的性能而被廣泛應用于軌道交通領域。然而，并不是所有的轉向架零部件均適合采用碳纖維復合材料進行材料替代。相關研究領域工作人員應根據各部件的具體特征和現實需求，靈活選擇是否以復合材料代替傳統碳素鋼或者選用何種復合材料進行新的結構設計等。