碳纖維復(fù)合材料在軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架上的應(yīng)用

袁代標(biāo)

（江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013）

隨著全國各大城市軌道交通系統(tǒng)建設(shè)工作快速推進(jìn)，人民群眾對新型城市軌道交通車輛的需求也逐漸高漲。當(dāng)前軌道交通已經(jīng)從其交通紓解功能擴(kuò)展到了乘坐舒適性功能，減少車輛行駛中的噪音和顛簸、振動(dòng)等設(shè)計(jì)制造需求，對車輛轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)工藝提出新的要求[1-2]。從轉(zhuǎn)向架功能出發(fā)，目前亟待尋求一種不影響其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度前提下彈性表現(xiàn)更好的轉(zhuǎn)向架材料[3]。

碳纖維復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastic，CFRP）是當(dāng)前取代傳統(tǒng)鋼材、鋁合金設(shè)計(jì)高強(qiáng)度機(jī)械構(gòu)件的新型材料，其抗壓、抗拉、抗剪性能優(yōu)于鋼材和鋁合金，且其彈性性能也優(yōu)于鋼材和鋁合金，該材料已經(jīng)在航空航天工業(yè)、汽車工業(yè)等廣泛使用，國際上也有部分轉(zhuǎn)向架廠家將其應(yīng)用于軌道交通轉(zhuǎn)向架的生產(chǎn)制造工藝中[4]。

該研究在仿真環(huán)境下探討碳纖維復(fù)合材料轉(zhuǎn)向架的實(shí)際運(yùn)行效果，分析其在轉(zhuǎn)向架材料中的應(yīng)用效果[5]。

1 碳纖維復(fù)合材料在車輛轉(zhuǎn)向架的適用性

車輛轉(zhuǎn)向架的核心功能是實(shí)現(xiàn)車廂與輪軸的可靠連接，且在車輛駛過彎道時(shí)，允許車輛沿測方向小幅度滑動(dòng)，確保外側(cè)車輪的接觸輪緣直徑大于內(nèi)側(cè)，實(shí)現(xiàn)車輛的無滑動(dòng)轉(zhuǎn)向。但因?yàn)橛写诵》然瑒?dòng)的影響，車輛在直道行駛時(shí)，因?yàn)楦鞣N受力擾動(dòng)，車輛轉(zhuǎn)向架也可能發(fā)生左右位移，最終導(dǎo)致了車輛運(yùn)行不平穩(wěn)的顛簸狀態(tài)[6]。從輪軸軌道配合角度進(jìn)行分析，軌道交通的轉(zhuǎn)向原理如圖1所示。

圖1 軌道交通轉(zhuǎn)向原理圖Fig.1 Schematic diagram of rail transit steering

圖1中，D1與D2的關(guān)系配合軌距決定了車輛的轉(zhuǎn)彎半徑，因?yàn)樵撗芯坎⒎茄芯枯嗇S與軌道的配合關(guān)系，所以此處不展開討論，但此過程產(chǎn)生的輪軸傾斜對轉(zhuǎn)向架產(chǎn)生的應(yīng)力影響以及車輛行駛過程中產(chǎn)生的車輛不可控左右位移量控制方式應(yīng)在該研究中得到充分考察[7]。

早期技術(shù)條件下，為了滿足車輛轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)力學(xué)需求，一般選用鋼材或者鋁合金進(jìn)行轉(zhuǎn)向架主體設(shè)計(jì)、加工。所以應(yīng)對比碳纖維復(fù)合材料（CFRP）與鋼材、鋁合金的材料力學(xué)特性，對比數(shù)據(jù)結(jié)果見表1。

表1中，碳纖維復(fù)合材料（CFRP）的強(qiáng)度性能和彈性性能均優(yōu)于傳統(tǒng)模式下使用的鋼材或者鋁合金，密度也更低，所以其在軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)中具有較強(qiáng)的適應(yīng)性[8]。

表1 常見材料的材料力學(xué)特征對比Table 1 Comparison of mechanical characteristics of common materials

2 碳纖維復(fù)合材料轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)力學(xué)仿 真分析

在軌道交通CAE軟件平臺(tái)上加載SimuWorks仿真組件，輸入前文表1中的材料力學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)，構(gòu)建軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架的試驗(yàn)?zāi)Ｐ停凑哲囕v設(shè)計(jì)滿載載重輸入車輛靜壓力、動(dòng)壓力參數(shù)，得到三種材料（鋼材、鋁合金、碳纖維復(fù)合材料）的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，見表2。

表2 常見材料的結(jié)構(gòu)力學(xué)特征對比Table 2 Comparison of structural mechanical characteristics of common materials

表2中，轉(zhuǎn)向架總重量指車輛轉(zhuǎn)向架主體結(jié)構(gòu)的重量，不包含懸掛彈簧、輪軸等子系統(tǒng)重量；車輛縱向顛簸為轉(zhuǎn)向架懸掛彈簧的最大壓縮距離，因?yàn)檗D(zhuǎn)向架自身彈性特性可能吸收部分縱向沖擊，所以應(yīng)對其懸掛彈簧最大承受壓力帶來的彈性應(yīng)變進(jìn)行分析；轉(zhuǎn)向架最大撓度指轉(zhuǎn)向架自身彈性特征帶來的彈性形變最大值；應(yīng)力冗余指轉(zhuǎn)向架受到最大應(yīng)力條件下，距離其破潰應(yīng)力保留的設(shè)計(jì)冗余；綜合上述數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，采用碳纖維復(fù)合材料（CFRP）進(jìn)行轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)后，其總重量顯著降低，縱向顛簸顯著降低，應(yīng)力冗余顯著增大，最大撓度有所升高。

綜合觀察該結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料與傳統(tǒng)的鋼材和鋁合金相比，其自身彈性化解了較大程度的車輛縱向顛簸，CFRP較鋼材縱向顛簸下降42.4%，較鋁合金縱向顛簸下降31.8%，但其自身撓度方面，較鋼材提升119.4%，較鋁合金提升49.1%。即可認(rèn)為CFRP通過自身彈性形變吸收了較大程度的車輛縱向顛簸能量，最終實(shí)現(xiàn)車輛縱向穩(wěn)定性的提升。因?yàn)镃FRP轉(zhuǎn)向架自身最大撓度增加，所以考察其應(yīng)力冗余，即在最苛刻工況下的系統(tǒng)可靠性，發(fā)現(xiàn)CFRP較鋼材應(yīng)力冗余提升2.18倍，較鋁合金應(yīng)力冗余提升2.02倍，系統(tǒng)自身撓度增加并未影響到其運(yùn)行可靠性[9]。

3 碳纖維復(fù)合材料轉(zhuǎn)向架的工程應(yīng)用仿 真分析

同樣在軌道交通CAE軟件平臺(tái)上加載SimuWorks仿真組件，輸入前文表1中的材料力學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)，并模擬車輛在仿真道路上的行駛過程，比較車輛在不同道路條件下的輪軌滑動(dòng)摩擦占比。因?yàn)楫?dāng)轉(zhuǎn)向架在直軌發(fā)生不可控橫向位移時(shí)，輪對半徑發(fā)生偏差，導(dǎo)致雙側(cè)輪軌均發(fā)生滑動(dòng)摩擦，且在彎道中橫向位移不滿足設(shè)計(jì)需求時(shí)，其也因?yàn)檩唽D(zhuǎn)速差與設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速差發(fā)生偏移而發(fā)生滑動(dòng)摩擦。對輪軌滑動(dòng)摩擦進(jìn)行仿真，可以有效判斷三種轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)方案的實(shí)際運(yùn)行穩(wěn)定性。上述仿真結(jié)果見表3。

表3 輪對滑動(dòng)摩擦發(fā)生概率(%)對比表Table 3 Comparison of occurrence probability of wheelset sliding friction

表3中，鋁合金轉(zhuǎn)向架在40kmph車速下滑動(dòng)摩擦發(fā)生率的增長速度開始放大，后續(xù)顯著超過鋼材轉(zhuǎn)向架，但碳纖維復(fù)合材料（CFRP）轉(zhuǎn)向架即便在80kmph車速條件下，其實(shí)滑動(dòng)摩擦發(fā)生率仍然處于低位，約為鋼材轉(zhuǎn)向架的5.46%，約為鋁合金轉(zhuǎn)向架的1.66%。證實(shí)CFRP轉(zhuǎn)向架的運(yùn)行穩(wěn)定性顯著優(yōu)于傳統(tǒng)模式下的鋼材轉(zhuǎn)向架和鋁合金轉(zhuǎn)向架。分析其原因，主要因?yàn)槠渥陨碇亓枯^輕且其彈性特征較為顯著，對沖擊力的吸收效果顯著優(yōu)于前兩者。

綜合上述分析，CFRP轉(zhuǎn)向架在材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、工程力學(xué)方面均顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的鋼材轉(zhuǎn)向架和鋁合金轉(zhuǎn)向架，證明其在轉(zhuǎn)向架制造工藝中的應(yīng)用具有較強(qiáng)的競爭力。但也應(yīng)考慮到CFRP的本質(zhì)是一種高分子復(fù)合材料，其在高溫環(huán)境中會(huì)快速失穩(wěn)分解，造成運(yùn)行事故，所以應(yīng)比較三種轉(zhuǎn)向架實(shí)現(xiàn)模式的實(shí)際運(yùn)行溫度，因?yàn)橐疾燹D(zhuǎn)向架的抗高溫特性，所以在仿真中設(shè)定環(huán)境溫度為40℃、靜風(fēng)、空氣相對濕度為45%的較嚴(yán)苛自然環(huán)境。三種轉(zhuǎn)向架在對應(yīng)車速下運(yùn)行1h后的結(jié)構(gòu)溫度見表4。

表4 轉(zhuǎn)向架運(yùn)行溫度(℃)對比表Table 4 Comparison of bogie operating temperature

表4中，碳纖維復(fù)合材料（CFRP）轉(zhuǎn)向架升溫效應(yīng)顯著高于鋼材轉(zhuǎn)向架和鋁合金轉(zhuǎn)向架。根據(jù)材料特性進(jìn)行分析，CFRP雖然在材料學(xué)角度散熱性能強(qiáng)于鋼材和鋁合金，但其運(yùn)行過程中自身彈性變化幅度較大，彈性做功效應(yīng)更為顯著，所以導(dǎo)致其升溫效應(yīng)明顯。但相關(guān)文獻(xiàn)表明，CFRP的高溫失穩(wěn)臨界閾值為350℃，在該仿真中模擬的高溫室外條件下以80kmph時(shí)速連續(xù)運(yùn)行1h時(shí)，CFRP轉(zhuǎn)向架溫度達(dá)到215.6℃，距離失穩(wěn)溫度仍有38.4%的安全冗余。且城市軌道交通的站點(diǎn)距離一般較短，車輛很難發(fā)生連續(xù)高速運(yùn)行1h的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，所以CFRP轉(zhuǎn)向架在溫度控制方面表現(xiàn)略差，但仍在工程允許范圍內(nèi)。

考慮到運(yùn)行時(shí)高溫對CFRP轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響，在上述仿真環(huán)境中比較三種轉(zhuǎn)向架的理論安全運(yùn)行距離，考察地鐵、高架輕軌等城市軌道交通實(shí)現(xiàn)形式，得到表5。

表5 轉(zhuǎn)向架理論安全運(yùn)行距離(km)比較表Table 5 Comparison of theoretical safe running distance of bogies

表5中，碳纖維復(fù)合材料（CFRP）轉(zhuǎn)向架的理論安全運(yùn)行距離顯著低于傳統(tǒng)模式下的鋼材轉(zhuǎn)向架和鋁合金轉(zhuǎn)向架，而前兩者的理論安全運(yùn)行距離基本一致。該數(shù)據(jù)的產(chǎn)生原因?yàn)镃FRP材料本身的高分子特性較金屬材料在大負(fù)荷運(yùn)行環(huán)境中的穩(wěn)定性仍有不足。可以認(rèn)為CFRP轉(zhuǎn)向架可以有效提升車輛運(yùn)行舒適性的同時(shí)可能因?yàn)楦l換更換轉(zhuǎn)向架帶來更高的運(yùn)行成本。

4 總結(jié)

仿真分析條件下，發(fā)現(xiàn)采用碳纖維復(fù)合材料（CFRP）設(shè)計(jì)制造城市軌道交通轉(zhuǎn)向架，可以有效提升車輛運(yùn)行穩(wěn)定性，增加車輛乘坐舒適性，減少顛簸和不可控側(cè)向位移，其在材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、工程力學(xué)方面均優(yōu)于傳統(tǒng)的鋼材轉(zhuǎn)向架和鋁合金轉(zhuǎn)向架。但是，CFRP轉(zhuǎn)向架也有諸多先天不足，如其運(yùn)行過程中的結(jié)構(gòu)溫度較高且其自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性對高溫耐受性較差，以及CFRP轉(zhuǎn)向架的理論安全運(yùn)行距離顯著短于傳統(tǒng)材料轉(zhuǎn)向架。這就要求在后續(xù)研究中重點(diǎn)開發(fā)CFRP轉(zhuǎn)向架的材料復(fù)合結(jié)構(gòu)模式以進(jìn)一步提升其溫度控制能力，同時(shí)通過后續(xù)研究提升其理論安全運(yùn)行距離。可以展望到未來短期內(nèi)，CFRP轉(zhuǎn)向架會(huì)成為城市軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架的主流選型方向。