破碳纖維復(fù)合材料助力我國未來超高速

軌道交通車輛發(fā)展

?發(fā)展高速列車專屬碳纖維復(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”戰(zhàn)略的有力舉措，有助于實(shí)現(xiàn)我國軌道交通技術(shù)持續(xù)引領(lǐng)的目標(biāo)。

丁叁叁

高速動車組國家工程技術(shù)研究中心主任

▲和諧號 CRH380A 高速動車組

我國高鐵發(fā)展成就

國家經(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，在交通運(yùn)輸體系中扮演的角色日益突出。近年來，中國高鐵從無到有、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)到國際領(lǐng)先水平，成為亮麗的國家名片。習(xí)近平總書記多次在講話中贊譽(yù)高鐵的發(fā)展成就：2018年新年賀詞中，說到“復(fù)興號奔馳在祖國廣袤的大地上”；2018年5月的兩院院士大會上，他說“復(fù)興號高速列車邁出從追趕到領(lǐng)跑的關(guān)鍵一步”。

▲復(fù)興號 CR400AF 動車組

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技術(shù)發(fā)展的方向，列車運(yùn)營工況則對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。以碳纖維為代表的先進(jìn)復(fù)合材料是未來軌道交通產(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、汽車等多個領(lǐng)域應(yīng)用，在軌道交通車輛領(lǐng)域上的用量也在不斷提升，從車體內(nèi)飾、車內(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)勢性能，也不能滿足軌道車輛對高性能復(fù)合材料的真正需求。因而，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、車體等大型復(fù)雜承載構(gòu)件已經(jīng)受到軌道交通領(lǐng)域的密切注。

▲面向未來的產(chǎn)品技術(shù)平臺

軌道交通車輛復(fù)材國內(nèi)外現(xiàn)狀

隨著碳纖維復(fù)合材料在航空航天、國防軍工和汽車等領(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)合專業(yè)復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造企業(yè)積極開展碳纖維復(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)用于日本貨車車輛。

▲日本 efWING 轉(zhuǎn)向架

韓國鐵路行業(yè)在碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用方面也取得顯著成績。2010年投入商業(yè)化運(yùn)營的韓國TTX擺式列車是碳纖維復(fù)合材料車體最成功的案例，采用4動2拖6節(jié)編組，設(shè)計(jì)速度200km/h，運(yùn)營速度180km/h。TTX列車是在法國阿爾斯通公司向韓國轉(zhuǎn)讓第二代TGV-A高速列車成套技術(shù)后，由韓國鐵道研究院（KRRI）于2001年開始研制。研究初期采用的方案為車頂、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，兩部分通過彈性膠黏劑和螺接的方式連接起來構(gòu)成整體車體結(jié)構(gòu)。

▲韓國碳纖維復(fù)合材料車體研究方案

法國在碳纖維復(fù)合材料車體研究方面處于領(lǐng)先地位。新一代法國TGV列車碳纖維復(fù)合材料雙層車體標(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)較鋁合金車體減重25%。另外，法國已分別在TGV-PSE和TGV-A高速列車轉(zhuǎn)向架上試用研制的Sep2carbSA3D碳纖維復(fù)合材料閘片。

▲法國 TGV 列車碳纖維復(fù)合材料雙層車體

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

▲碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料過渡車鉤

英國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年開發(fā)用于軌道車輛的回收碳纖維復(fù)合轉(zhuǎn)向架，旨在減少重量并優(yōu)化垂直和橫向剛度，以減少車輛運(yùn)行成本、對基礎(chǔ)設(shè)施損壞和對環(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JEC展復(fù)合材料創(chuàng)新獎。目前已經(jīng)完成了全尺寸測試，下一步將開展線路試驗(yàn)。

▲可回收碳纖維復(fù)合材料轉(zhuǎn)向架

國內(nèi)現(xiàn)狀

國內(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。主要研究內(nèi)容包括：

2015年中車四方股份公司聯(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。新一代地鐵車輛采用先進(jìn)的碳纖維技術(shù)，車體、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)合材料在車體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、司機(jī)室等車輛主承載結(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輛的車體、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%，整車減重13%。

▲碳纖維復(fù)合材料車體

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

▲碳纖維復(fù)合材料車體（左：下一代地鐵右：武漢東湖有軌電車）

2015年中車株機(jī)公司研制完成了碳纖維復(fù)合材料車體模型，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)合材料車體

中車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枕梁（鋁合金材質(zhì)），完成對其的方案設(shè)計(jì)、仿真分析、樣件試制及試驗(yàn)驗(yàn)證等，同時對其與車體主結(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%，個別部件減重達(dá)70%，減少零件數(shù)量258個；完成了4類，共19項(xiàng)測試。

▲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、高速動車組、城軌地鐵、城際車輛、貨車、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)勢逐漸顯現(xiàn)，替代金屬材料市場潛力巨大，應(yīng)用前景廣闊。

高鐵是中國制造的“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爭力，也有利于促進(jìn)國家基礎(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、制造強(qiáng)國”戰(zhàn)略，促進(jìn)中國制造業(yè)實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量發(fā)展。

綜上，我國未來超高速車輛采用碳纖維技術(shù)必將成為解決輕量化的最佳選擇。現(xiàn)階段，國家相關(guān)部委、路局、中車集團(tuán)等相關(guān)部門、企業(yè)需做好角色分工，以國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、重大專項(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，不斷提升列車產(chǎn)品水平，持續(xù)滿足乘客高品質(zhì)出行需求，為社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類文明進(jìn)步做出貢獻(xiàn)！

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