破碳纖維復(fù)合材料助力我國(guó)未來(lái)超高速

軌道交通車(chē)輛發(fā)展

?發(fā)展高速列車(chē)專(zhuān)屬碳纖維復(fù)合材料技術(shù)是搶占軌道交通技術(shù)制高點(diǎn)、踐行“交通強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略的有力舉措，有助于實(shí)現(xiàn)我國(guó)軌道交通技術(shù)持續(xù)引領(lǐng)的目標(biāo)。

丁叁叁

高速動(dòng)車(chē)組國(guó)家工程技術(shù)研究中心主任

▲和諧號(hào) CRH380A 高速動(dòng)車(chē)組

我國(guó)高鐵發(fā)展成就

國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與交通運(yùn)輸密切相關(guān)。相較公路、航空、水運(yùn)等交通方式，高鐵因具有輸送能力大、速度快、安全性高、正點(diǎn)率高、能耗低、全天候運(yùn)行的綜合優(yōu)勢(shì)，在交通運(yùn)輸體系中扮演的角色日益突出。近年來(lái)，中國(guó)高鐵從無(wú)到有、從追隨者到領(lǐng)跑者，取得了舉世矚目的成就，高鐵裝備及產(chǎn)業(yè)化水平總體達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，成為亮麗的國(guó)家名片。習(xí)近平總書(shū)記多次在講話(huà)中贊譽(yù)高鐵的發(fā)展成就：2018年新年賀詞中，說(shuō)到“復(fù)興號(hào)奔馳在祖國(guó)廣袤的大地上”；2018年5月的兩院院士大會(huì)上，他說(shuō)“復(fù)興號(hào)高速列車(chē)邁出從追趕到領(lǐng)跑的關(guān)鍵一步”。

▲復(fù)興號(hào) CR400AF 動(dòng)車(chē)組

輕量化戰(zhàn)略技術(shù)

新材料技術(shù)是軌道交通輕量化未來(lái)技術(shù)發(fā)展的方向，列車(chē)運(yùn)營(yíng)工況則對(duì)新材料的性能提出多元需求，需要綜合性能優(yōu)良的新材料、新結(jié)構(gòu)，突破傳統(tǒng)材料的局限，以材料革新提升綜合技術(shù)水平。掌握新材料，就是掌握軌道交通的未來(lái)。以碳纖維為代表的先進(jìn)復(fù)合材料是未來(lái)軌道交通產(chǎn)品最具應(yīng)用前景的新材料，是實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)最有效的途徑之一。

當(dāng)前，碳纖維及其復(fù)合材料已在航空、航天、軍工、汽車(chē)等多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用，在軌道交通車(chē)輛領(lǐng)域上的用量也在不斷提升，從車(chē)體內(nèi)飾、車(chē)內(nèi)設(shè)備等非承載結(jié)構(gòu)向次承載構(gòu)件延伸，但這些次承載構(gòu)件還不能發(fā)揮碳纖維復(fù)合材料高比強(qiáng)度、高比模量等優(yōu)勢(shì)性能，也不能滿(mǎn)足軌道車(chē)輛對(duì)高性能復(fù)合材料的真正需求。因而，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、車(chē)體等大型復(fù)雜承載構(gòu)件已經(jīng)受到軌道交通領(lǐng)域的密切注。

▲面向未來(lái)的產(chǎn)品技術(shù)平臺(tái)

軌道交通車(chē)輛復(fù)材國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

隨著碳纖維復(fù)合材料在航空航天、國(guó)防軍工和汽車(chē)等領(lǐng)域的不斷拓展應(yīng)用，規(guī)模逐步擴(kuò)大，終端應(yīng)用成本也大幅下降，為軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用創(chuàng)造了良好條件。世界主要軌道交通裝備企業(yè)聯(lián)合專(zhuān)業(yè)復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造企業(yè)積極開(kāi)展碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用研究與試驗(yàn)驗(yàn)證工作，研制范圍涵蓋非承載結(jié)構(gòu)、次承載結(jié)構(gòu)和主承載結(jié)構(gòu)。

國(guó)外現(xiàn)狀

日本在復(fù)合材料轉(zhuǎn)向架的研發(fā)方面優(yōu)勢(shì)明顯。1989年日本鐵路試制成功碳纖維復(fù)合材料轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，該構(gòu)架側(cè)梁為碳纖維層壓材料疊層結(jié)構(gòu)，板厚16.4mm，橫梁采用纏繞成型，構(gòu)架自重0.3t，比普通鋼制構(gòu)架減輕70%，設(shè)計(jì)最高時(shí)速160公里；2014年，川崎重工最新研發(fā)efWING轉(zhuǎn)向架將剛性焊接構(gòu)架改為采用碳纖維側(cè)梁的柔性構(gòu)架，主承載部件側(cè)梁形似弓形彈簧，取消傳統(tǒng)二系彈簧，比傳統(tǒng)金屬側(cè)梁減重約40%。2018年，該轉(zhuǎn)向架已批量應(yīng)用于日本貨車(chē)車(chē)輛。

▲日本 efWING 轉(zhuǎn)向架

韓國(guó)鐵路行業(yè)在碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用方面也取得顯著成績(jī)。2010年投入商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的韓國(guó)TTX擺式列車(chē)是碳纖維復(fù)合材料車(chē)體最成功的案例，采用4動(dòng)2拖6節(jié)編組，設(shè)計(jì)速度200km/h，運(yùn)營(yíng)速度180km/h。TTX列車(chē)是在法國(guó)阿爾斯通公司向韓國(guó)轉(zhuǎn)讓第二代TGV-A高速列車(chē)成套技術(shù)后，由韓國(guó)鐵道研究院（KRRI）于2001年開(kāi)始研制。研究初期采用的方案為車(chē)頂、側(cè)墻及端墻采用復(fù)合材料層合板制備，底架采用中空擠壓鋁合金型材制備，兩部分通過(guò)彈性膠黏劑和螺接的方式連接起來(lái)構(gòu)成整體車(chē)體結(jié)構(gòu)。

▲韓國(guó)碳纖維復(fù)合材料車(chē)體研究方案

法國(guó)在碳纖維復(fù)合材料車(chē)體研究方面處于領(lǐng)先地位。新一代法國(guó)TGV列車(chē)碳纖維復(fù)合材料雙層車(chē)體標(biāo)準(zhǔn)件由ACX工業(yè)公司制造，采用復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，使用真空袋壓低成本制造工藝技術(shù)在120℃條件下固化成型，此結(jié)構(gòu)較鋁合金車(chē)體減重25%。另外，法國(guó)已分別在TGV-PSE和TGV-A高速列車(chē)轉(zhuǎn)向架上試用研制的Sep2carbSA3D碳纖維復(fù)合材料閘片。

▲法國(guó) TGV 列車(chē)碳纖維復(fù)合材料雙層車(chē)體

德國(guó)的福伊特公司研制的應(yīng)用于故障列車(chē)牽引操作的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料過(guò)渡車(chē)鉤，結(jié)構(gòu)極其緊湊，僅有23公斤總重量，對(duì)比鋼鐵過(guò)渡車(chē)鉤減重達(dá)50%，可單人攜帶并進(jìn)行安裝。

▲碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料過(guò)渡車(chē)鉤

英國(guó)ELG碳纖維公司聯(lián)合伯明翰大學(xué)、哈德斯菲爾德大學(xué)、Magma結(jié)構(gòu)公司等在2017年開(kāi)發(fā)用于軌道車(chē)輛的回收碳纖維復(fù)合轉(zhuǎn)向架，旨在減少重量并優(yōu)化垂直和橫向剛度，以減少車(chē)輛運(yùn)行成本、對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施損壞和對(duì)環(huán)境的影響。該復(fù)合材料轉(zhuǎn)向架減重達(dá)40%，降低軌道橫向力40%，減少能源消耗20%，并榮獲2018年法國(guó)JEC展復(fù)合材料創(chuàng)新獎(jiǎng)。目前已經(jīng)完成了全尺寸測(cè)試，下一步將開(kāi)展線(xiàn)路試驗(yàn)。

▲可回收碳纖維復(fù)合材料轉(zhuǎn)向架

國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用研究起步較晚，但發(fā)展迅速，目前已完成了承載件、次承載件、非承載件的典型部件的研制，減重效果明顯，部分部件已完成試驗(yàn)驗(yàn)證及運(yùn)營(yíng)考核，充分證明復(fù)合材料在軌道交通部件應(yīng)用的可行性及前景。主要研究?jī)?nèi)容包括：

2015年中車(chē)四方股份公司聯(lián)合中德研發(fā)中心研制了下一代碳纖維復(fù)合材料地鐵列車(chē)。新一代地鐵車(chē)輛采用先進(jìn)的碳纖維技術(shù)，車(chē)體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、司機(jī)室、設(shè)備艙及設(shè)備機(jī)體等均使用碳纖維復(fù)合材料制造，是大規(guī)模應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料的地鐵車(chē)輛。特別是成功突破碳纖維大型復(fù)雜件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造成型等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了碳纖維復(fù)合材料在車(chē)體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、司機(jī)室等車(chē)輛主承載結(jié)構(gòu)上的全面應(yīng)用。與采用鋼、鋁合金等傳統(tǒng)金屬材料相比，新一代碳纖維地鐵車(chē)輛的車(chē)體、司機(jī)室、設(shè)備艙分別減重30%以上，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架減重40%，整車(chē)減重13%。

▲碳纖維復(fù)合材料車(chē)體

2015年9月，長(zhǎng)客股份與Fordyno公司、中國(guó)航天研究院703所聯(lián)合開(kāi)發(fā)了無(wú)網(wǎng)超能有軌電車(chē)——武漢東湖“光谷量子號(hào)”一列5輛碳纖維復(fù)材車(chē)體，于2018年9月7日在長(zhǎng)春軌道交通展上首次面向公眾展出。本列車(chē)交付后將作為中國(guó)首列用于運(yùn)營(yíng)的全復(fù)合材料軌道列車(chē)。

▲碳纖維復(fù)合材料車(chē)體（左：下一代地鐵右：武漢東湖有軌電車(chē)）

2015年中車(chē)株機(jī)公司研制完成了碳纖維復(fù)合材料車(chē)體模型，采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料泡沫夾芯結(jié)構(gòu)，成型后的碳纖維車(chē)體與原有不銹鋼結(jié)構(gòu)相比減重22.3%。

▲碳纖維復(fù)合材料車(chē)體

中車(chē)唐山公司研制碳纖維枕梁替代受力情況惡劣的低地板輕軌車(chē)枕梁（鋁合金材質(zhì)），完成對(duì)其的方案設(shè)計(jì)、仿真分析、樣件試制及試驗(yàn)驗(yàn)證等，同時(shí)對(duì)其與車(chē)體主結(jié)構(gòu)的連接方案進(jìn)行設(shè)計(jì)及驗(yàn)證。

▲碳纖維復(fù)合材料枕梁

中車(chē)株機(jī)公司2017年完成了中低速碳纖維復(fù)合材料懸浮架構(gòu)架的研制，減重30%，個(gè)別部件減重達(dá)70%，減少零件數(shù)量258個(gè)；完成了4類(lèi)，共19項(xiàng)測(cè)試。

▲碳纖維復(fù)合材料懸浮架

總結(jié)

碳纖維復(fù)合材料可應(yīng)用于高速磁浮、高速動(dòng)車(chē)組、城軌地鐵、城際車(chē)輛、貨車(chē)、軌道承載梁等軌道交通領(lǐng)域的大部分主/次承載結(jié)構(gòu)及內(nèi)外裝飾等非承載結(jié)構(gòu)，減重效果顯著。隨著原材料成本的逐步降低及工藝技術(shù)的提升，碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)品全壽命周期成本優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)，替代金屬材料市場(chǎng)潛力巨大，應(yīng)用前景廣闊。

高鐵是中國(guó)制造的“金名片”，大力發(fā)展復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用，不斷突破并掌握核心技術(shù)，不僅可以提升軌道交通裝備在輕量化、綠色環(huán)保等方面的性能和核心競(jìng)爭(zhēng)力，也有利于促進(jìn)國(guó)家基礎(chǔ)材料、前瞻性技術(shù)發(fā)展，強(qiáng)力支撐高端裝備技術(shù)水平的提升，貫徹落實(shí)“交通強(qiáng)國(guó)、制造強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略，促進(jìn)中國(guó)制造業(yè)實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量發(fā)展。

綜上，我國(guó)未來(lái)超高速車(chē)輛采用碳纖維技術(shù)必將成為解決輕量化的最佳選擇?，F(xiàn)階段，國(guó)家相關(guān)部委、路局、中車(chē)集團(tuán)等相關(guān)部門(mén)、企業(yè)需做好角色分工，以國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、重大專(zhuān)項(xiàng)為推進(jìn)力，協(xié)同創(chuàng)新，共同推進(jìn)以材料為基礎(chǔ)的工程應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)步，不斷提升列車(chē)產(chǎn)品水平，持續(xù)滿(mǎn)足乘客高品質(zhì)出行需求，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類(lèi)文明進(jìn)步做出貢獻(xiàn)！

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