碳纖維復合材料在軌道交通車輛轉向架上的應用

袁代標

（江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇鎮江212013）

隨著全國各大城市軌道交通系統建設工作快速推進，人民群眾對新型城市軌道交通車輛的需求也逐漸高漲。當前軌道交通已經從其交通紓解功能擴展到了乘坐舒適性功能，減少車輛行駛中的噪音和顛簸、振動等設計制造需求，對車輛轉向架設計工藝提出新的要求[1-2]。從轉向架功能出發，目前亟待尋求一種不影響其結構強度前提下彈性表現更好的轉向架材料[3]。

碳纖維復合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastic，CFRP）是當前取代傳統鋼材、鋁合金設計高強度機械構件的新型材料，其抗壓、抗拉、抗剪性能優于鋼材和鋁合金，且其彈性性能也優于鋼材和鋁合金，該材料已經在航空航天工業、汽車工業等廣泛使用，國際上也有部分轉向架廠家將其應用于軌道交通轉向架的生產制造工藝中[4]。

該研究在仿真環境下探討碳纖維復合材料轉向架的實際運行效果，分析其在轉向架材料中的應用效果[5]。

1 碳纖維復合材料在車輛轉向架的適用性

車輛轉向架的核心功能是實現車廂與輪軸的可靠連接，且在車輛駛過彎道時，允許車輛沿測方向小幅度滑動，確保外側車輪的接觸輪緣直徑大于內側，實現車輛的無滑動轉向。但因為有此小幅度滑動的影響，車輛在直道行駛時，因為各種受力擾動，車輛轉向架也可能發生左右位移，最終導致了車輛運行不平穩的顛簸狀態[6]。從輪軸軌道配合角度進行分析，軌道交通的轉向原理如圖1所示。

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

圖1中，D1與D2的關系配合軌距決定了車輛的轉彎半徑，因為該研究并非研究輪軸與軌道的配合關系，所以此處不展開討論，但此過程產生的輪軸傾斜對轉向架產生的應力影響以及車輛行駛過程中產生的車輛不可控左右位移量控制方式應在該研究中得到充分考察[7]。

早期技術條件下，為了滿足車輛轉向架的結構力學需求，一般選用鋼材或者鋁合金進行轉向架主體設計、加工。所以應對比碳纖維復合材料（CFRP）與鋼材、鋁合金的材料力學特性，對比數據結果見表1。

表1中，碳纖維復合材料（CFRP）的強度性能和彈性性能均優于傳統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向架系統中具有較強的適應性[8]。

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

2 碳纖維復合材料轉向架的結構力學仿 真分析

在軌道交通CAE軟件平臺上加載SimuWorks仿真組件，輸入前文表1中的材料力學相關數據，構建軌道交通車輛轉向架的試驗模型，按照車輛設計滿載載重輸入車輛靜壓力、動壓力參數，得到三種材料（鋼材、鋁合金、碳纖維復合材料）的結構力學特性，見表2。

表2 常見材料的結構力學特征對比Table 2 Comparison of structural mechanical characteristics of common materials

表2中，轉向架總重量指車輛轉向架主體結構的重量，不包含懸掛彈簧、輪軸等子系統重量；車輛縱向顛簸為轉向架懸掛彈簧的最大壓縮距離，因為轉向架自身彈性特性可能吸收部分縱向沖擊，所以應對其懸掛彈簧最大承受壓力帶來的彈性應變進行分析；轉向架最大撓度指轉向架自身彈性特征帶來的彈性形變最大值；應力冗余指轉向架受到最大應力條件下，距離其破潰應力保留的設計冗余；綜合上述數據可以發現，采用碳纖維復合材料（CFRP）進行轉向架設計后，其總重量顯著降低，縱向顛簸顯著降低，應力冗余顯著增大，最大撓度有所升高。

綜合觀察該結構力學仿真結果可以發現碳纖維復合材料與傳統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，最終實現車輛縱向穩定性的提升。因為CFRP轉向架自身最大撓度增加，所以考察其應力冗余，即在最苛刻工況下的系統可靠性，發現CFRP較鋼材應力冗余提升2.18倍，較鋁合金應力冗余提升2.02倍，系統自身撓度增加并未影響到其運行可靠性[9]。

3 碳纖維復合材料轉向架的工程應用仿 真分析

同樣在軌道交通CAE軟件平臺上加載SimuWorks仿真組件，輸入前文表1中的材料力學相關數據，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摩擦占比。因為當轉向架在直軌發生不可控橫向位移時，輪對半徑發生偏差，導致雙側輪軌均發生滑動摩擦，且在彎道中橫向位移不滿足設計需求時，其也因為輪對轉速差與設計轉速差發生偏移而發生滑動摩擦。對輪軌滑動摩擦進行仿真，可以有效判斷三種轉向架設計方案的實際運行穩定性。上述仿真結果見表3。

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

表3中，鋁合金轉向架在40kmph車速下滑動摩擦發生率的增長速度開始放大，后續顯著超過鋼材轉向架，但碳纖維復合材料（CFRP）轉向架即便在80kmph車速條件下，其實滑動摩擦發生率仍然處于低位，約為鋼材轉向架的5.46%，約為鋁合金轉向架的1.66%。證實CFRP轉向架的運行穩定性顯著優于傳統模式下的鋼材轉向架和鋁合金轉向架。分析其原因，主要因為其自身重量較輕且其彈性特征較為顯著，對沖擊力的吸收效果顯著優于前兩者。

綜合上述分析，CFRP轉向架在材料力學、結構力學、工程力學方面均顯著優于傳統的鋼材轉向架和鋁合金轉向架，證明其在轉向架制造工藝中的應用具有較強的競爭力。但也應考慮到CFRP的本質是一種高分子復合材料，其在高溫環境中會快速失穩分解，造成運行事故，所以應比較三種轉向架實現模式的實際運行溫度，因為要考察轉向架的抗高溫特性，所以在仿真中設定環境溫度為40℃、靜風、空氣相對濕度為45%的較嚴苛自然環境。三種轉向架在對應車速下運行1h后的結構溫度見表4。

表4 轉向架運行溫度(℃)對比表Table 4 Comparison of bogie operating temperature

表4中，碳纖維復合材料（CFRP）轉向架升溫效應顯著高于鋼材轉向架和鋁合金轉向架。根據材料特性進行分析，CFRP雖然在材料學角度散熱性能強于鋼材和鋁合金，但其運行過程中自身彈性變化幅度較大，彈性做功效應更為顯著，所以導致其升溫效應明顯。但相關文獻表明，CFRP的高溫失穩臨界閾值為350℃，在該仿真中模擬的高溫室外條件下以80kmph時速連續運行1h時，CFRP轉向架溫度達到215.6℃，距離失穩溫度仍有38.4%的安全冗余。且城市軌道交通的站點距離一般較短，車輛很難發生連續高速運行1h的實際運行狀態，所以CFRP轉向架在溫度控制方面表現略差，但仍在工程允許范圍內。

考慮到運行時高溫對CFRP轉向架的結構穩定性影響，在上述仿真環境中比較三種轉向架的理論安全運行距離，考察地鐵、高架輕軌等城市軌道交通實現形式，得到表5。

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

表5中，碳纖維復合材料（CFRP）轉向架的理論安全運行距離顯著低于傳統模式下的鋼材轉向架和鋁合金轉向架，而前兩者的理論安全運行距離基本一致。該數據的產生原因為CFRP材料本身的高分子特性較金屬材料在大負荷運行環境中的穩定性仍有不足。可以認為CFRP轉向架可以有效提升車輛運行舒適性的同時可能因為更頻換更換轉向架帶來更高的運行成本。

4 總結

仿真分析條件下，發現采用碳纖維復合材料（CFRP）設計制造城市軌道交通轉向架，可以有效提升車輛運行穩定性，增加車輛乘坐舒適性，減少顛簸和不可控側向位移，其在材料力學、結構力學、工程力學方面均優于傳統的鋼材轉向架和鋁合金轉向架。但是，CFRP轉向架也有諸多先天不足，如其運行過程中的結構溫度較高且其自身結構穩定性對高溫耐受性較差，以及CFRP轉向架的理論安全運行距離顯著短于傳統材料轉向架。這就要求在后續研究中重點開發CFRP轉向架的材料復合結構模式以進一步提升其溫度控制能力，同時通過后續研究提升其理論安全運行距離。可以展望到未來短期內，CFRP轉向架會成為城市軌道交通車輛轉向架的主流選型方向。