纖維復合材料在軌道車輛中的應用

周晏云，吳偉萍，陳鈺，康鈺，韓琳，金一凡

摘要碳纖維復合材料作為一種新材料，以其輕質、高強、可靈活設計等優勢滿足了高速列車對安全、便捷、高效、綠色、經濟的要求，成為軌道車輛重點研究方向，助力軌道交通事業向著“雙碳”發展目標進發。本文介紹了碳纖維復合材料在國內外軌道車輛上的研究發展和應用現狀，分析了國內外碳纖維復合材料應用于軌道交通領域的技術優勢和性能優勢，從材料、工藝和生產方面總結了碳纖維在軌道交通領域應用中面臨的挑戰，提出了復合材料在軌道交通發展中存在的問題，并對復合材料在軌道交通中的發展方向進行展望。

關鍵詞軌道交通;復合材料；碳纖維；輕量化

Application of Fiber Composites in Rail Vehicles

ZHOU Yanyun，WU Weiping，CHEN Yu， KANG Yu，HAN Lin，JIN Yifan

（Harbin FRP Institute Co.，Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACTCarbon fiber composite materials as a new material meet the requirements of high-speed trains for safety， convenience， efficiency， green， and economy with their advantages of lightweight， high strength， and flexible design， which have become a key research direction for rail vehicles， helping the rail transit industry to advance towards the “dual carbon” development goal. The research， development， and application status of carbon fiber composite materials was introduced in domestic and foreign rail vehicles， the technical and performance advantages of carbon fiber composite materials applied in the field of rail transportation at home and abroad was analyzed ， the challenges faced by carbon fiber in the application of rail transportation were summarized from the aspects of materials， processes， and production， the problems existing was proposed in the development of composite materials in rail transportation， and finally looking forward to the development direction of composite materials in rail transportation.

KEYWORDSrail transit; composite materials; carbon fiber; lightweight

1引言

我國自20世紀90年代開始部署和發展軌道交通產業，目前已在道路規劃、制造技術、運行速度和安全節能等方面達到國際先進水平［1］。2019年《交通強國建設綱要》中明確指出，我國鐵路建設應構建安全、便捷、高效、綠色、經濟的交通體系，向著“雙碳”發展目標進發?，F在正是重要的發展機遇期，是實現鐵路高質量發展、建設交通強國、服務“兩個一百年”奮斗目標的關鍵環節［2］。為深入貫徹我國交通強國建設，提供經濟、舒適和安全的高速運載工具，必須深入了解高速列車行業現狀、突破輕量化設計關卡、解決多功能結構研發等關鍵技術難題。

近年來，被譽為“黑色黃金”的纖維復合材料以其輕質、高強、可靈活設計等優勢被廣泛應用與各個領域，給新質生產力帶來了無限可能。碳纖維復合材料的比剛度、比模量高，耐熱、導電、抗疲勞等性能突出，是替換傳統金屬材料的首選材料，在軌道交通領域，碳纖維復合材料可以滿足高速列車對安全、便捷、高效、綠色、經濟的要求。本文主要介紹了纖維復合材料在軌道交通領域的研究進展和應用發展方向。

2軌道車輛材料的發展

軌道交通具有成本低、效率高、運力可控等優點，是城市交通建設中不可缺少的環節，經過半個世紀的建設與發展，我國城市軌道交通的正推動著 TOD（以公共交通為導向的開發）模式的興起。2022年政府工作報告指出，近五年我國城市軌道交通運營里程約從4500 km增加到近10000 km［3］。軌道交通在滿足運輸職能的同時，更要具有可持續發展力，向我國低碳綠色的發展理念靠近［4］。車輛重量作為影響運行能耗的關鍵指標，一直是復合材料設計人員的重點研究方向［5］。傳統的金屬材料雖擁有先進的制備技術和成熟的制造產業鏈，但無法滿足軌道車輛對更高安全性和更快速度的發展需求，而先進復合材料是推動軌道車輛向輕量化和更高安全性發展的首選。復合材料軌道車輛質量更輕、力學性能更佳、成型能力更優，軌道交通開始從金屬時代進入復合材料時代［6］。隨著碳纖維復合材料在軌道車輛中的應用越來越廣泛，軌道車輛的重量得到明顯降低，大幅降低運行阻力，車輛表面光潔度也顯著提升［7］。碳纖維復合材料在逐步替代傳統金屬材料的過程中，其結構強度、剛度和穩定性是最基本的性能保障。軌道車輛常用的金屬材料與纖維復合材料的力學性能對比如表1所示。

碳纖維復合材料具備比重小、比強度高、比模量高等優異特性，在軌道車輛應用中表現出良好的輕量化、減振隔熱、耐疲勞、壽命長以及阻燃等性能，且材料的設計可塑性高，能夠實現各種復雜的結構形式，提升了車輛的整體性能。碳纖維復合材料和傳統金屬材料的比強度和比模量對比如圖1和圖2所示［8］。

目前，國內外碳纖維復合材料在軌道車輛車體結構的應用還不能完全滿足量產需求，這是制約碳纖維復合材料在軌道交通領域規?；瘧玫闹饕颉５谝唬捎谔祭w維復合材料相較金屬在設計和生產方面的前期投入成本高，現有的生產模式不能滿足量產需求；第二，碳纖維復合材料在制造、維護和回收等環節存在高耗能、高污染等問題，尚未達到低碳環?？沙掷m發展的要求；第三，碳纖維復合材料的產品性能一致性有待進一步提高，以形成成熟的操作規范和評價標準。

3國內外復合材料軌道車輛研究進展

3.1國外研究進展

在軌道車輛上起初應用在局部裝飾結構的非承載和次承載部件上［9］。20世紀90年代初，瑞士Schindler公司設計制造了采用CFRP車體的辛德勒列車［10］，試驗運行時速達到了140 km/h。2000年，法國雙層TGV掛車［11］表明了復合材料車體在抗振動和絕熱防火方面突出的性能，減重25? %，試驗運行時速達到350 km/h。2003年，瑞典投入運營C20FICA型列車［12］，減重約8? %，最高運行時速為90 km/h。2005年，日本新型新干線N700系高速列車采用CFRP部件［13-14］，實現了輕量、高強和不燃的目標，加速性能提高62.5 %，對于高速列車的研發和應用具備重要指導意義。2010年，韓國TTX列車碳纖維復合材料車體輕量化效果顯著［15］，試驗運行時速達到200 km/h。德國Voith公司研制碳纖維復合材料過渡車鉤總質量僅23 kg，比傳統金屬材料減重50? %［16］。

3.2國內研究進展

我國研發纖維復合材料軌道車輛車體起步較晚，但發展速度非常迅猛。近年來，我國在軌道車輛復合材料領域取得了長足的進步。2018年，中車長春軌道客車股份有限公司聯合江蘇恒神公司成功研制出“光谷量子號”，主承載結構全采用CFRP加工成型，是全球首輛采用CFRP車體的地鐵列車之一［17］，于2018年8月在武漢東湖線實現商業運營，最高運行速度100 km/h。2018年，中車四方股份公司牽頭制造我國首型全碳纖維材料的地鐵車輛 CETROVO，在德國柏林閃亮登場，首次實現了我國碳纖維復合材料在軌道車輛主承載結構上的全面應用，整體減重13? %［18］，是CFRP材料在軌道機車上大規模應用的重要里程碑。丁叁叁等［19］設計的碳纖維復合材料過渡車鉤取得良好的使用效果。周偉旭等［20］對全碳纖維車體應用實例進行了分析，證實了全碳纖維復合材料承載結構應用的可行性。王明舉等［21］設計的“碳纖維蒙皮-芯層”結構車頂受力均勻，且無應力集中點。張莉等［22］提出了一種軌道車輛碳纖維轉向架整體制造技術。王昕敏［23］認為，采用碳纖維復合材料替代轉向架構架中的金屬材料，能有效提升車輛走行部的結構強度。越來越多的碳纖維復合材料軌道車輛部件被設計驗證并實際應用于市場中，未來復合材料在軌道車輛的應用將愈發成熟。

4軌道交通應用中存在的問題及未來展望

4.1存在的問題

隨著科技的進步，復合材料在軌道車輛車體中的應用前景廣闊。從早期非承力構件到主承力構件，從小尺寸結構到大尺寸結構，從手糊為主的加工工藝到更先進的成型工藝。但是，目前仍有許多難題需要解決。

（1）標準體系不足。復合材料的規范和標準主要以航空航天行業為主，與軌道交通相關內容較少，需要進行試驗支撐理論分析從而總結出適用的標準。

（2）成型和連接工藝問題。高速列車內部結構復雜，難以實現整體成型。復合材料轉向架等關鍵部位的連接強度和破壞模式仍需進一步研究。

（3）磨損后處理差異。碳纖維、玻璃纖維等復合材料磨損后處理方式與金屬不同?，F有檢測與監控技術不能適應復合材料的加工工藝和失效模式。

（4）成型工藝不成熟。復合材料成型工藝不夠成熟，生產線不夠完善，無法實現大規模批量生產。

4.2未來展望

（1）完善標準體系。通過參考國外FRP復合材料試驗和制造標準，完善國內復合材料相關標準。完善行業工藝規范，提升復合材料產品質量。積極研發高新技術，持續推動新產品和新工藝的開發，為高速列車構件提供更多選擇。

（2）整體設計和減少連接件。對三維曲面的車體結構，采用整體設計，分塊制造。盡量減少螺栓、鉚釘等連接件的使用，有利于提高產品結構性能和外觀質量。

（3）拓寬FRP應用范圍。積極拓寬FRP在軌道車輛車體結構上的應用范圍，不限于機車車頭前部、側墻、端墻，還應推廣到司機室頂蓋、后端墻以及設備的骨架、臺面板、風道等部件。

（4）優化復合材料前期設計。通過進一步優化復合材料的前期設計，實現部件輕量化和安全性的保證。復合材料結構形式、鋪層和接頭的設計優化是實現大規模應用的關鍵。

（5）研發高性能、低成本、輕質化材料。著力研發高性能、低成本、輕量化的復合材料，用于軌道交通裝備制造，提高性能、降低成本。

5結語

碳纖維復合材料的應用有助于軌道車輛的低碳化運營和綠色發展，推動軌道交通領域緊跟國家節能減排戰略，對進一步提高能源利用率具有重要意義。未來，可從完善標準體系、減少連接件、優化前期設計和研發高性能、低成本、輕量化材料等方向對復合材料進行深入研究，以實現軌道列車低能耗、高速度、低成本、高安全性的良好發展。

參 考 文 獻

［1］張帆. 高速鐵路與中國區域經濟發展研究［D］. 重慶大學， 2019.

［2］陳旭. 國內外高速鐵路網規劃研究［J］. 交通企業管理， 2022，37（04）：103-106.

［3］吳凡，姚召定，李宙利，等.軌道交通車輛用高阻燃碳纖維復合材料環境適應性研究［J］.纖維復合材料，2023，40（04）：42-45.

［4］徐吉謙. 中國交通工程學科建構與探索［M］. 南京： 南京東南大學出版社， 2021： 12-14.

［5］車士俊，張明睿.復合材料在軌道交通中的應用綜述［J］.纖維復合材料，2022，39（02）：100-104.

［6］基于新型復合材料應用的德國軌道車輛車體結構輕量化設計［J］.現代城市軌道交通，2022（07）： 108-111.

［7］張麗嬌. 軌道交通裝備復合材料設計問題及開發過程探討［J］. 新材料產業， 2020， No.315（02）：58-62.

［8］征宇. 關于比強度、比模量和殼體特征系數的單位［J］. 固體火箭技術， 1991（02）： 111-116.

［9］沈真.軌道交通復合材料產業化之路-六論國產碳纖維產業化之路［J］.新材料產業，2019（3）：34-40.

［10］李光友，倪亭，郭輝.軌道交通用碳纖維復合材料的技術進展與應用［J］.紡織導報，2020（7）： 24-26.

［11］Peris E， Goikoetxea J. Roll2Rail： New Dependable Rolling Stock for a More Sustainable， Intelligent and Comfortable Rail Transport in Europe［J］. Transportation Research Procedia， 2016， 14：567-574.

［12］丁叁叁，田愛琴，王建軍，等. 高速動車組碳纖維復合材料應用研究［J］. 電力機車與城軌車輛， 2015.

［13］李文超，董麗.從專利分析角度看碳纖維復合材料在軌道車輛上的應用［J］.中國發明與專利，2016（03）： 33-36.

［14］KITAMO A， SEKIDO T， MIYOSHI N. High speed manufacturing for high speed trains［J］. JEC Composites， 2004（8）： 118-123.

［15］繆炳榮， 張衛華， 池茂儒， 周 寧， 宋冬利， 楊樹旺. 下一代高速列車關鍵技術特征分析及展望［J］. 鐵道學報， 2019， 41（3）： 58-70.

［16］吳鐵輝，徐文治，吳靜申，等.碳纖維復合材料在軌道交通車輛轉向架上的應用［J］.合成纖維，2023，52（06）：78-81.

［17］陳旭. 纖維復合材料在我國軌道車輛中的應用概述［J］. 中國設備工程， 2020， 10.

［18］丁叁叁， 田愛琴， 王建軍， 滕樂天. 高速動車組碳纖維復合材料應用研究［J］. 電力機車與城軌車輛， 2015， 38（S1）：1-8.

［19］丁叁叁， 吳沛沛， 曾宇等. 一種過渡車鉤［P］. 山東省： CN112721989B， 2022-10-11.

［20］蔡繼文， 貢智兵， 陶楊洋. 基于 ABAQUS 的碳纖維復合材料軌道車輛車門設計［J］. 機械制造與自動化， 2020， 49（06）： 124-127.

［21］王明舉，李博，周偉旭，等. 碳纖維復合材料車體承載部件的設計［J］. 大連交通大學學報， 2020，41（04）： 106-108+114.

［22］張莉，董磊，劉志遠.碳纖維復合材料在軌道交通車輛轉向架上的應用［J］.城市軌道交通研究，2020，23（08）： 190-193.

［23］王昕敏.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［J］.合成材料老化與應用， 2022，51（04）：115-117.