重載鐵路貨車披上碳纖維“輕裝”

近日，全球首批碳纖維復合材料輕量化重載鐵路貨車成功開展循環裝卸試驗。該型鐵路貨車裝卸貨適應性和運用可靠性得到試驗驗證，為其后續線路運用奠定堅實基礎。

該型鐵路貨車由國能鐵路裝備有限責任公司、北京低碳清潔能源研究院和中車齊齊哈爾車輛有限公司聯合研制。“它的成功研制，開創了重載鐵路貨車碳纖維復合材料應用的先河，對促進我國重載鐵路運輸綠色低碳轉型具有重要示范意義。”1月21日，國能鐵路裝備有限責任公司科技信息部經理王文剛接受筆者采訪時說。

制備碳纖維復合板材

在軌道交通技術領域，車輛的輕量化，即在保證車輛性能的前提下盡可能減輕車身重量，降低運行能耗，是實現軌道車輛綠色化、低碳化的關鍵技術。

傳統重載鐵路貨車主要采用鋼、鋁合金等金屬材料，受制于材料特性，車輛面臨減重瓶頸。被稱為“新材料之王”的碳纖維，具有輕質、高強度、抗疲勞、耐腐蝕等優點，是實現重載鐵路貨車輕量化的理想材料。

那么，碳纖維到底需要經過怎樣的變化，才能被制成堅硬耐用的鐵路貨車板材？

北京低碳清潔能源研究院先進材料研究中心復合材料部經理吳福梅告訴筆者，想要以碳纖維為原材料，制備成適合鐵路貨車的碳纖維復合板材，關鍵環節是浸漬。

“我們先對高分子樹脂進行改性，顯著提升其機械性能和環境適應性。改性后的高分子樹脂再與碳纖維絲束經過浸漬工藝處理，形成碳纖維預浸料。”吳福梅解釋，用改性的樹脂把碳纖維絲束黏合在一起，就形成了碳纖維復合板材。

由于重載鐵路貨車的運用工況較為惡劣，對碳纖維復合材料的強度、耐磨、阻燃和抗紫外線等性能都有特殊要求。科研人員又開展了碳纖維復合板材相應性能的適用性研究。

“我們研發的碳纖維復合板材，是一種以樹脂為基體、以碳纖維為增強材料的復合材料。”吳福梅說，該材料通過了水、火、低溫、高強度等一系列極限測試，各項性能優良。其比強度是鋁合金材質的3～5倍、比模量是鋁合金材質的1.5～1.8倍，能更好滿足重載鐵路貨車的輕量化和大部件生產使用要求。

設計“三明治”夾層結構

有了碳纖維復合板材，科研人員接下來就要考慮如何設計貨車結構，以實現最高的承載強度。

“由于制造技術限制，金屬材質鐵路貨車的端墻、側墻等大部件難以采用整體成型方法制成，通常采用尺寸較小的板材、型材，通過焊接或鉚接方式制備。”王文剛告訴筆者，這就容易存在勞動強度高、組裝效率低等問題。

“碳纖維只有在纖維保持連續時，才能充分發揮其高強度的優勢。我們研發的碳纖維復合材料，很適合采用整體成型的方式制造重載鐵路貨車的相關部件。這樣可以避免分體式結構纖維不連續等不利影響。”王文剛說。

基于此，科研人員采用大規模碳纖維縱橫預制梁與碳纖維蒙皮共固化、共膠接技術，制備出重載鐵路貨車一體成型的側墻、端墻。

“為了保障重載列車運行安全，我們本著循序漸進的設計原則，目前只有貨車側墻、端墻使用了碳纖維復合材料。”王文剛介紹。

同時，科研人員設計出“內蒙皮+夾芯+外蒙皮”組成的“三明治”夾層結構。這種整體式夾層結構車體，可在材料重量同等的條件下成倍提高材料的抗彎能力，提高承載強度。

“碳纖維鐵路貨車車體自重較同類鋁合金材料車體降低20%以上，自重系數低至0.22，實現了車輛自重降低、載重增加、容積增大的同步協同提升，對提高鐵路運輸效率具有重要意義。”吳福梅說。

提高智能化運行水平

當前，物聯網、大數據、人工智能等新一代信息技術，正在與傳統工業技術深度融合，引發影響深遠的產業變革。智能化正在成為當今世界鐵路貨車發展的新熱點和新趨勢。

王文剛介紹，目前，國內外鐵路貨車普遍采用地面監測系統對車輛技術狀態進行監測，但監測設備只能在鐵路沿線定點布置，相隔距離一般超過30公里，在區間內無監測能力，存在較長時間和距離的監測盲區。因此，地面監測系統只能實現間斷性監測，可能無法及時預警車輛運行故障或異常情況，從而導致發生安全事故。

值得關注的是，目前澳大利亞等國家的車輛運行監測雖然仍以地面軌邊設備監測為主，但已在此基礎上開始大量應用具備實時監測能力的車載智能監測系統。

“通過融合物聯網、大數據、云計算等新一代信息技術，我們牽頭開發適用于重載鐵路貨車的車載智能監測系統。”王文剛說，該系統能夠實時回傳車輛關鍵運行狀態和參數，為列車調度中心提供及時、準確的數據支持，不僅提升了運輸效率與安全性，更為重載鐵路貨運的智能化管理提供了有力支撐。

碳纖維車輛上配備了自發電裝置，車輛行駛過程中可以通過車輪轉動來發電，從而為車載監測裝置等設備提供電源。

該型鐵路貨車的成功研制，突破了適用于重載鐵路貨車領域的碳纖維復合材料配方及大部件一體化制備等關鍵技術，在保證產品強度和性能不降低的條件下大幅降低車體自重，提高了列車的智能化運行水平，有力推動了重載鐵路高質量發展。