城軌車輛裝備領(lǐng)域輕量化復(fù)合材料的研究與應(yīng)用

康興東，姜 浩，劉 鑫，王浩宇，楊國棟，任玉鑫

（中車青島四方車輛研究所有限公司，山東青島 266011）

1 前言

交通運(yùn)輸不僅是居民生活和社會發(fā)展的重要組成部分，同時(shí)也是能源消耗及溫室氣體排放的重點(diǎn)領(lǐng)域。在“雙碳”戰(zhàn)略背景下，充分發(fā)揮干線鐵路、城際鐵路、城市軌道交通等綠色低碳的特點(diǎn)，是有效改善交通結(jié)構(gòu)和優(yōu)化運(yùn)輸方式的重要途徑[1-3]。

城市軌道交通作為城市公共客運(yùn)交通的重要方式，在保證便利出行、緩解交通擁堵、促進(jìn)綠色可持續(xù)發(fā)展的同時(shí)，也會產(chǎn)生一定量的碳排放[4-5]。其中，運(yùn)營維護(hù)階段的能源消耗和二氧化碳排放與其車輛的整備重量密切相關(guān)，因此選擇新型輕量化結(jié)構(gòu)材料是實(shí)現(xiàn)城軌車輛輕量化設(shè)計(jì)和全壽命周期低碳運(yùn)營的主要方法[6-7]。

隨著全球軌道交通裝備市場需求快速增長，傳統(tǒng)輕量化金屬材料再難滿足更高的綜合性需求。《美國國家創(chuàng)新戰(zhàn)略》、歐盟《“地平線2020”計(jì)劃》和《中國制造2025》都將輕量化復(fù)合材料的研制與應(yīng)用作為高端制造業(yè)及國防工業(yè)的重要發(fā)展方向。毋庸置疑，先進(jìn)復(fù)合材料的研究與應(yīng)用必將引領(lǐng)軌道交通制造產(chǎn)業(yè)的變革。

2 復(fù)合材料的性能特點(diǎn)及優(yōu)勢

復(fù)合材料是由2種或2種以上不同物質(zhì)組合而成的一種多相固體材料，擁有單一材料所不具備的材料特性[8]。復(fù)合材料的發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)歷史階段：20世紀(jì)40年代，以玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂為代表的復(fù)合材料作為第1代復(fù)合材料，其比強(qiáng)度高，耐腐蝕性能好，但比模量較低；20世紀(jì)60年代相繼開發(fā)了硼纖維、碳纖維和芳綸纖維，這種纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料具有高比剛度和高比強(qiáng)度的特性，同時(shí)具有高比模量，被稱為第2代復(fù)合材料；20世紀(jì)70年代，開發(fā)了耐熱性更高的氧化鋁纖維、碳化硅纖維及各種晶須，同時(shí)配有金屬基、陶瓷基等基體材料，使得復(fù)合材料的性能向耐熱、高韌性和多功能方向發(fā)展，認(rèn)為是第3代復(fù)合材料[8-9]。

復(fù)合材料作為新型工程裝備結(jié)構(gòu)材料，已在航空航天、船舶制造、汽車工業(yè)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。而隨著軌道交通裝備綜合性能的要求日益增加，以玻璃纖維、碳纖維為增強(qiáng)體的輕量化復(fù)合材料也在此領(lǐng)域中得到推廣應(yīng)用。將復(fù)合材料用于軌道交通領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)部件具有如下優(yōu)勢：①輕質(zhì)高強(qiáng)，有良好的耐腐蝕性、抗疲勞特性；② 有效實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，降低列車重心，提升列車的穩(wěn)定性、抗振性和防噪性；③復(fù)合材料具有多功能設(shè)計(jì)性，可依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求，開展復(fù)合材料多功能屬性的整體設(shè)計(jì)；④復(fù)合材料可實(shí)現(xiàn)一體化成型，有效減少零部件數(shù)量，簡化生產(chǎn)工序，控制制造成本；⑤運(yùn)用預(yù)埋傳感器、結(jié)構(gòu)健康診斷（PHM）等手段，可對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)開展全壽命周期監(jiān)控與評估。

3 國外軌道車輛中復(fù)合材料的研究與應(yīng)用

3.1 復(fù)合材料與功能結(jié)構(gòu)研究

M.Grasso等對3種不同的夾芯材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真對比分析，并依據(jù)結(jié)果給出了用于軌道車輛車頂結(jié)構(gòu)的可行性方案[10]。I.Sebe?ans等將用于軌道車輛承載結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料進(jìn)行了力學(xué)性能檢測，發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)指標(biāo)均高于承載結(jié)構(gòu)的相關(guān)要求[11]。A.?nder等對E-玻纖/環(huán)氧樹脂/滌綸樹脂（PET）泡沫組成的夾芯結(jié)構(gòu)開展了準(zhǔn)靜態(tài)沖壓試驗(yàn)和有限元仿真計(jì)算（圖1），揭示了該材料結(jié)構(gòu)抗沖擊性能、失效模式及失效損傷的表現(xiàn)形式，所得結(jié)果用于復(fù)合材料軌道車輛的故障檢修和損傷數(shù)據(jù)庫的建立[12]。

圖1 E-玻纖/環(huán)氧樹脂/PET泡沫組成的夾芯結(jié)構(gòu)樣品件和準(zhǔn)靜態(tài)沖壓試驗(yàn)

A.Genovese等對地鐵用[0/90/+45/-45/0]S鋪層方式的減振器安裝座進(jìn)行了靜態(tài)試驗(yàn)與仿真計(jì)算（圖2）。結(jié)果表明采用單元芯材3×6陣列排布的減振器安裝座強(qiáng)度和剛度均處于彈性階段，且未發(fā)生任何損傷與失效[13]。

圖2 減振器安裝座的靜態(tài)試驗(yàn)與仿真計(jì)算

S.Bruni等基于“NEXTGER”項(xiàng)目提出了3種碳纖維復(fù)合材料-金屬混合設(shè)計(jì)理念，綜合分析后，選擇方案c作為研究目標(biāo)繼續(xù)優(yōu)化，如圖3所示。最終設(shè)計(jì)的車軸僅74 kg，較空心鋼制軸減重63%。此外，研究還詳細(xì)分析探討了金屬-復(fù)合材料接口設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)健康檢測與無損檢測結(jié)合、復(fù)合材料層合板沖擊性能及簧下質(zhì)量減輕對輪對動力學(xué)性能影響等內(nèi)容[14]。

圖3 3種碳纖維復(fù)合材料-金屬混合設(shè)計(jì)理念和最終方案

3.2 復(fù)合材料的研制與應(yīng)用

意大利Bercella公司研制出一種安裝在車廂墻壁的復(fù)合材料座椅懸臂支架（圖4）。懸臂支架長1 m，質(zhì)量不足5 kg，能滿足EN 45545防火阻燃、靜態(tài)載荷等要求。其采用的英國Composite Evolution公司生產(chǎn)的Evopreg PFC預(yù)浸料，獲得了環(huán)保認(rèn)證，且具有優(yōu)異的耐火特性。

圖4 Evopreg PFC預(yù)浸料的座椅懸臂支架

瑞典斯德哥爾摩C20FICAS地鐵列車的側(cè)墻、地板、頂蓋都選用了聚甲基丙烯酰亞胺（PMI）泡沫夾芯不銹鋼三明治結(jié)構(gòu)，側(cè)墻的總厚度減少了120 mm，使得客椅間的寬度增加了30%（圖5）。

圖5 C20FICAS地鐵列車

法國Stratiforme Industries公司研制出一款熱塑性樹脂司機(jī)室前端（圖6）。在保證原有機(jī)械性能條件下減重約15%，同時(shí)選用符合最新安全標(biāo)準(zhǔn)的新型熱塑性復(fù)合材料，使得報(bào)廢樹脂回收具有可行性。

圖6 熱塑性樹脂司機(jī)室前端

德國Voith公司研制出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（圖7），該過渡車鉤結(jié)構(gòu)極其緊湊，總質(zhì)量僅約23 kg，可實(shí)現(xiàn)單人攜帶及安裝作業(yè)[15]。

圖7 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料過渡車鉤

2014年9 月，日本川崎重工在柏林展出一款新型碳纖維efWING轉(zhuǎn)向架（圖8）。主承載部件側(cè)梁形似弓形彈簧，取消了傳統(tǒng)軸箱彈簧和減振器。在美國交通技術(shù)中心（TTI）進(jìn)行的4 500 km線路運(yùn)行試驗(yàn)時(shí)，最高速度可達(dá)160 km/h，結(jié)果表明新型轉(zhuǎn)向架運(yùn)行平穩(wěn)性好，可有效降低脫軌風(fēng)險(xiǎn)，安全性指標(biāo)有明顯提升[16-17]。

圖8 efWING轉(zhuǎn)向架及碳纖維側(cè)梁

2019年12 月，一款新型碳纖維鐵路車輛轉(zhuǎn)向架CAFIBO在哈德斯菲爾德大學(xué)的“ UnlockingInnovation”會議上亮相（圖9）。該轉(zhuǎn)向架采用ELG公司提供的回收碳纖維并進(jìn)行了材料測試，Magma Structures公司負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)和制造，伯明翰大學(xué)傳感器與復(fù)合材料小組為轉(zhuǎn)向架開發(fā)了嵌入式健康監(jiān)測系統(tǒng)，而樣機(jī)則在哈德斯菲爾德大學(xué)開始全面測試。

圖9 碳纖維鐵路車輛轉(zhuǎn)向架（CAFIBO）

2018年10 月，美國超級高鐵運(yùn)輸技術(shù)公司（Hyperloop TT）公開展示了一款全尺寸超級高鐵客車（圖10）。該車體由Airtificial公司建造，全長32 m，內(nèi)部空間長約15 m，整個(gè)車廂重5 t，包括82個(gè)碳纖維面板、72個(gè)傳感器、75 000個(gè)鉚釘和7 200 m2的光纖。這款名為“Quintero One”的超級高鐵客車由雙層智能復(fù)合材料制成，這種材料的強(qiáng)度比鋼材強(qiáng)8倍，比同類鋁制品強(qiáng)10倍。

圖10 Quintero One超級高鐵客車

英國Far-UK公司設(shè)計(jì)了一種新型輕軌車輛車架結(jié)構(gòu)（圖11）。該車架由熱塑性碳纖維復(fù)合管編織而成，可通過粘接和簡單焊接輕松組裝。通過模塊化設(shè)計(jì)，有效降低了投資和制造成本。

圖11 新型輕軌車架結(jié)構(gòu)

4 國內(nèi)軌道車輛中復(fù)合材料的研發(fā)、應(yīng)用與發(fā)展

4.1 復(fù)合材料和功能結(jié)構(gòu)的研究

周洲等分析了纖維增強(qiáng)酚醛發(fā)泡材料、芳綸蜂窩夾層材料、有機(jī)硅泡沫材料及PMI泡沫夾層材料四大類車體新材料的特點(diǎn)和典型應(yīng)用，并明確了需要深入探究的技術(shù)方向[18]。劉小芳等對比分析了夾芯結(jié)構(gòu)中泡沫芯材的基本力學(xué)性能和防火性能，結(jié)合車體復(fù)合材料的應(yīng)用情況，指出PMI泡沫/鋁蒙皮夾芯結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢[19]。楊中甲等對軌道交通用復(fù)合材料分別從成型工藝、抗沖擊性能、夾層結(jié)構(gòu)的阻燃隔熱特性等方面進(jìn)行研究，并提出了復(fù)合材料低成本、多功能制備的研究路徑[20]。陳書翔等針對軌道車輛敏感部位電磁屏蔽的應(yīng)用需求，采用熱壓罐成型工藝使碳纖維與層間電磁增強(qiáng)材料有效結(jié)合，研制了一種低頻電磁防護(hù)碳纖維復(fù)合材料。經(jīng)測試，該材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)、屏蔽性能好、環(huán)境適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[21]。蔡明君等以優(yōu)化城軌車輛地板的吸音降噪性能為目標(biāo)，提出了復(fù)合隔音鋁蜂窩材料、PET泡沫復(fù)合鋁材料和酚醛-巴沙木夾芯材料3種新型復(fù)合材料的地板結(jié)構(gòu)（圖12），并分別進(jìn)行了測試與分析[22]。

4.2 復(fù)合材料的應(yīng)用研究

晉軍輝等對抗側(cè)滾扭桿中若干活動關(guān)節(jié)部件采用聚甲醛復(fù)合材料的可行性進(jìn)行了探討，從材質(zhì)特性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)情況及運(yùn)用效果等方面開展研究[23]。

劉波等設(shè)計(jì)了一種碳纖維電氣柜體，并進(jìn)行了靜強(qiáng)度和模態(tài)仿真計(jì)算以及沖擊振動試驗(yàn)、防護(hù)等級試驗(yàn)。研究結(jié)果表明，該碳纖維復(fù)合材料柜體具有輕量化、整體成型等優(yōu)勢，且滿足沖擊振動和防護(hù)等級要求[24]。

方炅任等從碳纖維類型對比、成型工藝、連接方式、缺陷控制方法等方面著手開展碳纖維頭罩的設(shè)計(jì)，并對產(chǎn)品進(jìn)行靜強(qiáng)度分析與鋪層優(yōu)化[25]。

湯騰等開發(fā)了一種碳纖維預(yù)埋金屬嵌套的新型轉(zhuǎn)向架垂向連桿結(jié)構(gòu)，采用真空熱壓罐工藝制成的成品最終質(zhì)量為2.4 kg，并通過各項(xiàng)測試證明其滿足功能和使用壽命要求[26]。

中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司的轉(zhuǎn)向架碳纖維產(chǎn)品取得良好運(yùn)用效果，包括搖枕安全吊、天線梁、軸箱提吊等[27-28]。其中碳纖維搖枕安全吊的結(jié)構(gòu)與原鋼質(zhì)安全吊結(jié)構(gòu)基本一致（圖13），采用熱壓罐成型，厚度由16 mm減至8 mm，質(zhì)量由13 kg減至1.7 kg，且碳纖維安全吊的強(qiáng)度仍占優(yōu)。現(xiàn)碳纖維安全吊已裝車運(yùn)行100 萬km以上，運(yùn)行狀態(tài)良好。

圖13 碳纖維搖枕安全吊

圖14為中車長春軌道客車股份有限公司研發(fā)的新一代地鐵列車和武漢東湖“光谷量子號”有軌電車車體。車體均采用碳纖維預(yù)浸料和蜂窩芯材組成的夾芯結(jié)構(gòu)，通過模塊化設(shè)計(jì)將車體結(jié)構(gòu)分為U形車身、底架和端墻3大部件，有效實(shí)現(xiàn)地鐵車輛車體結(jié)構(gòu)減重35%。同時(shí)提高了車體的抗疲勞和耐腐蝕等性能，優(yōu)化了節(jié)能降耗、防火減振等功能[29-30]。

圖14 碳纖維地鐵和有軌電車的車體結(jié)構(gòu)

圖15為中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司開發(fā)的“下一代地鐵列車”。2019年6月，下一代地鐵列車完成了動態(tài)調(diào)試及5 km試驗(yàn)線型式試驗(yàn)；2019年9月，列車完成線路試驗(yàn)和運(yùn)行示范；2019年12月17日，“下一代地鐵列車項(xiàng)目”順利通過專家組驗(yàn)收。該地鐵的車體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、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，首次實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料在列車主結(jié)構(gòu)上的全面應(yīng)用。同時(shí)列車具有更節(jié)能、更舒適、更智能、適應(yīng)性更強(qiáng)等優(yōu)勢，顯示了地鐵車輛未來技術(shù)發(fā)展方向。

圖15 “下一代地鐵列車”的碳纖維車體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、設(shè)備艙

5 思考與展望

城軌車輛裝備市場的迅猛增長為該領(lǐng)域新技術(shù)、新材料的探索及應(yīng)用提供了前所未有的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。而為使輕量化復(fù)合材料廣泛應(yīng)用到城市軌道交通領(lǐng)域，我們應(yīng)借鑒以往設(shè)計(jì)與制造經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合5G、大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生等新興技術(shù)，全面開展各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)研究，為我國城市軌道交通高質(zhì)量發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（1）基于復(fù)合材料的特性，進(jìn)行結(jié)構(gòu)形式多樣化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)由層合板、夾層結(jié)構(gòu)向復(fù)合化、網(wǎng)格化結(jié)構(gòu)發(fā)展。

（2）開展復(fù)合材料性能表征等基礎(chǔ)性能研究，逐步形成和完善材料設(shè)計(jì)、工藝規(guī)范，提高復(fù)合材料產(chǎn)品的質(zhì)量。

（3）建立城市軌道交通領(lǐng)域的先進(jìn)復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)體系，包括原材料準(zhǔn)入機(jī)制、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證規(guī)范、檢驗(yàn)檢測及質(zhì)量評價(jià)方法等。

（4）結(jié)合一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、整體成型工藝和PHM檢測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)-制造-檢測的智能復(fù)合材料研制，提高產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能和整體品質(zhì)。

（5）針對復(fù)合材料在城軌車輛中的應(yīng)用開展全壽命周期評價(jià)（LCA），有效推進(jìn)全價(jià)值鏈的協(xié)同創(chuàng)新與城軌車輛裝備產(chǎn)品的持續(xù)改進(jìn)，促進(jìn)復(fù)合材料行業(yè)與城市軌道交通領(lǐng)域的快速融合。