纖維增強復合材料在轉向架上的應用研究

門永林， 楚永萍， 馮遵委

(中車南京浦鎮車輛有限公司， 南京 210031)

纖維增強復合材料(簡稱FRP)，也稱纖維增強塑料，是由增強纖維材料，如碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維等與基體材料經過纏繞、擠壓或模壓等成型工藝而形成的高分子復合材料。纖維增強復合材料的性能和功能可以根據不同的需要進行設計，通過選擇合適的基體和纖維增強體，合適的配比，從而獲得單一材料無法達到的綜合性能。纖維增強復合材料在航天航空、醫療、民用、建筑工程、汽車制造、體育器械、軌道交通等領域得到了大量的應用[1]。

近年來，隨著城市軌道交通及城際鐵路的快速發展，車輛的輕量化、減振降噪以及乘坐舒適度成了軌道交通重點研究課題。軌道車輛轉向架的結構和性能直接關系到整列車的運行品質，直接影響乘客乘坐的舒適度和安全性。對轉向架設計而言，高速、安全、舒適、智能將成為其未來發展的重點。如何在保證轉向架安全、舒適的前提下減輕轉向架質量及簧下質量是轉向架設計永遠追求的目標。從成本、設計方法、關鍵技術等方面就纖維增強復合材料在轉向架上的應用進行探討，并提出設計建議指導后續纖維增強復合材料轉向架的設計工作。

1 纖維增強復合材料的分類及性能

目前常見的纖維增強復合材料根據纖維增強體的不同分為碳纖維增強復合材料(簡稱CFRP，以碳纖維或其制品作為增強體 )、玻璃纖維增強復合材料(簡稱GFRP，以玻璃纖維或其制品作為增強體)以及芳綸纖維增強復合材料(簡稱AFRP，以芳綸纖維或其制品作為增強體)3種[3]。

纖維增強復合材料具有：(1)比強度高，比模量大；(2)可設計性強；(3)高溫性能好；(4)抗腐蝕性和耐久性能好；(5)熱穩定性好；(6)抗氧化性能好；(7)可整體成型，減少零件和連接、裝配等優點。表1為常用金屬材料與纖維增強復合材料的性能對比。由表1可以看出，纖維增強復合材料的力學性能普遍優于金屬材料，而且質量更輕。

表1 常用金屬材料與纖維增強復合材料的性能對比

2 國內外轉向架相關纖維增強復合材料零部件的開發應用

德國是全世界最早將纖維增強復合材料應用在轉向架零部件上的國家。第1臺復合材料構架(FVW構架)的轉向架(型號為HLD-E，見圖1)，在20世紀80年代就由德國的AEG和MBB公司聯合研制成功。該轉向架后續完成的靜態模擬試驗和1 000萬次耐久性試驗結果表明，構架表面的延伸率在40‰以下，完全滿足當初的設計要求。后續研制的第2臺復合材料構架(HLD-L)以及1992年12月研制的HLD-300型轉向架(ICE高速列車用)，都采用了復合材料。

圖1 德國HLD-E轉向架

第1臺由GFRP材料制成的轉向架于2012年在英國雷丁大學研制成功(見圖2)，該轉向架構架由上、下兩層構架分別整體成型，每層構架均包含兩根側梁和一根橫梁。

圖2 英國雷丁大學GFRP轉向架

2016年日本川崎重工發布了新一代復合材料轉向架-efWING轉向架(見圖3)。efWING轉向架主體結構構架采用碳纖維增強復合材料(CFRP)制成。CFRP構架邊梁比傳統的碳鋼梁減重約40%。

efWING轉向架已在美國交通技術中心(TTCI)進行了4 500 km的線路運行試驗，滿足美國公共交通協會靜態均衡測試(APTA SS-M-014-06 CLASS G)標準要求。特別是弓形的CFRP構架(見圖3)具有懸掛元件的功能，將車輛載荷穩定傳遞至鋼軌，在改善車輛運行平穩性的同時降低了車輛脫軌的風險。

圖3 日本川崎efWING轉向架和CFRP構架

除轉向架構架外，國外還正在研究采用纖維增強復合材料制作車輪、車軸、制動盤等轉向架承力件的可行性，已經取得了實質性的研究成果，并開始了樣件的試制。

綜合纖維增強復合材料在國外軌道車輛轉向架領域的應用情況，可以發現以下幾個特點：(1)纖維增強復合材料零部件從轉向架非承載零部件向構架、車輪、車軸、安裝支架等承載構件擴展；(2)轉向架采用金屬與纖維增強復合材料混雜結構為主，碳纖維增強復合材料的比例正大幅提高；(3)轉向架的運行條件越來越苛刻，陸續出現了構架裂紋、天線支架斷裂等影響行車安全的隱患，各轉向架生產廠家均將目光轉向了綜合性能更優的纖維增強復合材料。

纖維增強復合材料將是軌道交通領域未來新材料應用的發展趨勢。從目前的發展態勢來看，碳纖維增強復合材料在軌道交通車輛車體及內裝上已經得到了應用[2]。相關科研單位、制造企業及關鍵部件供應商都開展了碳纖維增強復合材料零部件的開發和應用研究，但在轉向架領域的應用研究目前還是空白。目前僅有中車南京浦鎮車輛有限公司2016年試制了209P轉向架用CFRP材料搖枕安全吊并實現了批量裝車運用考核(見圖4)，目前已安全運營超過100萬km。中車青島四方機車車輛股份有限公司在2018年柏林工業展上發布了其研制的碳纖維轉向架(見圖5)。

圖4 中車南京浦鎮車輛有限公司CFRP搖枕安全吊

圖5 中車青島四方機車車輛股份有限公司CFRP轉向架

3 轉向架上應用纖維增強復合材料的成本分析

由于纖維增強復合材料具有金屬材料不可比擬的優越性能，將其應用在以安全、可靠為首要目標的轉向架上，會有很大的潛在市場和發展前景。但轉向架作為一個工業產品，要想纖維增強材料大面積的應用則必須同時考慮成本、工藝等多個因素，而成本因素是直接影響其推廣的最主要因素。

以國外某CFRP構架的研制成本組成預算為例，碳纖維構架中碳纖維增強復合材料約占總研發成本的20%，成型加工(包括模具、工裝和制造)約占70%，質量控制和檢測成本約占10%。以1個約1.0 t重的轉向架構架為例，如果設定減重目標為30%，則CFRP轉向架構架質量為1.0×(1-30%)=0.7(t)，其中碳纖維用量(質量比取60%)為0.7×0.6=0.42(t)[1，5]。而碳鋼材料的成本僅為碳纖維增強復合材料成本的1/3。想要纖維增強復合材料在轉向架上得到大量應用，如何解決這多出來的2/3成本，就擺在了每個轉向架設計研發人員的面前。

從目前情況來看，纖維增強復合材料的高成本短期內不會大幅的降低，那么目前只能想辦法降低復合材料零部件的制造費用，通過一次成型技術避免金屬材料所需要的二次加工，從而大大降低產品的消耗，減少人力和物力的浪費，以此來彌補與金屬材料之間的成本劣勢。可喜的是目前國內已有多家非常有實力的纖維增強復合材料生產商投入到了轉向架關鍵零部件的設計開發工作中，專業生產商的積極介入，必將推動纖維增強復合材料在轉向架上的大面積應用。

4 纖維增強復合材料轉向架零部件設計研究

國外陸續出現的纖維增強復合材料轉向架為國內軌道車輛轉向架的設計帶來了新的思路。排障器、擋泥板等非承力的零部件完全可以采用價格較低的玻璃纖維復合材料生產；構架、車軸、車輪輪轂、各種安裝支架等承力件可采用碳纖維增強復合材料生產制造；受流器受電靴等對耐磨要求較高的零部件可采用芳綸纖維復合材料生產。

碳纖維增強復合材料與金屬材料對磨時，很少磨損，用碳纖維增強復合材料代替石棉制成的高級摩擦材料，已經作為汽車和飛機的剎車片材料，同樣的道理是否可考慮作為軌道車輛轉向架的制動閘片和閘瓦值得所有轉向架設計人員去認真思考。

對纖維增強復合材料在性能、設計、分析、制造、檢測等各方面知識的欠缺導致使用不廣泛。對轉向架設計而言，考慮到其苛刻的安全性要求，以前更多關注的是金屬材料的設計，對于纖維增強復合材料零部件的設計是極其缺乏的。由于對纖維增強復合材料缺乏了解，很大程度上阻礙了纖維增強復合材料的推廣。轉向架設計人員必須打破原有的思維定勢，加強纖維增強復合材料的學習，時刻關注纖維增強復合材料的發展動態和研究，才能像設計金屬材料零部件一樣設計纖維增強復合材料零部件。應該從整體上去完善材料知識架構體系，并通過零部件的試點來逐步提升材料的應用范圍，大面積的推廣應用是一個漫長的過程。

纖維增強復合材料的優越性能對轉向架的輕量化、結構強度等有著重要的意義。建議從纖維增強復合材料性能、結構設計、分析計算、成形工藝、性能檢測、加工裝配、無損檢測、運用維護等方面開展重點研究。逐步建立適用于轉向架復雜運用工況的纖維增強復合材料評價技術體系。通過建立產、學、研、用一體化研究平臺，深入研究具有自主知識產權的復合材料制造技術及其批量化產品，進一步推動FRP材料在軌道車輛轉向架領域的大規模應用。

5 纖維增強復合材料轉向架零部件設計注意事項

考慮纖維增強復合材料特性和成型工藝，轉向架零部件采用纖維增強復合材料時在設計方面需著重注意以下幾點：

(1)纖維增強復合材料零部件結構需平滑過渡，盡量考慮流線型結構，方便制造；

(2)充分利用纖維增強復合材料的各向異性與可設計性，沿纖維縱、橫向性能的差別會導致單向帶呈現各向異性。

(3)設計結構需貫穿結構選材、構件成形、檢測驗收、加工裝配、使用過程等全過程。

(4)合理選擇應用部位，才能有效發揮增強復合材料的優勢，大大降低成本，提高零部件質量。

(5)設計必須與材料、制造工藝相結合，結構選材時，應同時考慮構件成型工藝，并與材料、工藝協調，選擇更適合纖維增強復合材料生產的成型工藝。

6 結束語

纖維增強復合材料的發展及應用程度體現了國家先進材料技術的發展水平[4]。我國纖維增強復合材料技術在向著高性能化、多功能化、低成本化等方向發展的同時，要堅持獨立自主與技術創新，以實現我國先進復合材料技術的可持續發展。隨著我國纖維增強復合材料研究的深入，工藝水平、評價技術體系逐步完善，材料成本不斷降低，轉向架設計能力不斷提高，必定可以讓纖維增強復合材料在轉向架上得到大面積應用，推動我國轉向架設計水平更上一層樓。