破碳纖維復合材料助力我國未來超高速

軌道交通車輛發(fā)展

?發(fā)展高速列車專屬碳纖維復合材料技術是搶占軌道交通技術制高點、踐行“交通強國”戰(zhàn)略的有力舉措，有助于實現我國軌道交通技術持續(xù)引領的目標。

丁叁叁

高速動車組國家工程技術研究中心主任

▲和諧號 CRH380A 高速動車組

我國高鐵發(fā)展成就

國家經濟的發(fā)展與交通運輸密切相關。相較公路、航空、水運等交通方式，高鐵因具有輸送能力大、速度快、安全性高、正點率高、能耗低、全天候運行的綜合優(yōu)勢，在交通運輸體系中扮演的角色日益突出。近年來，中國高鐵從無到有、從追隨者到領跑者，取得了舉世矚目的成就，高鐵裝備及產業(yè)化水平總體達到國際領先水平，成為亮麗的國家名片。習近平總書記多次在講話中贊譽高鐵的發(fā)展成就：2018年新年賀詞中，說到“復興號奔馳在祖國廣袤的大地上”；2018年5月的兩院院士大會上，他說“復興號高速列車邁出從追趕到領跑的關鍵一步”。

▲復興號 CR400AF 動車組

輕量化戰(zhàn)略技術

新材料技術是軌道交通輕量化未來技術發(fā)展的方向，列車運營工況則對新材料的性能提出多元需求，需要綜合性能優(yōu)良的新材料、新結構，突破傳統(tǒng)材料的局限，以材料革新提升綜合技術水平。掌握新材料，就是掌握軌道交通的未來。以碳纖維為代表的先進復合材料是未來軌道交通產品最具應用前景的新材料，是實現輕量化設計最有效的途徑之一。

當前，碳纖維及其復合材料已在航空、航天、軍工、汽車等多個領域應用，在軌道交通車輛領域上的用量也在不斷提升，從車體內飾、車內設備等非承載結構向次承載構件延伸，但這些次承載構件還不能發(fā)揮碳纖維復合材料高比強度、高比模量等優(yōu)勢性能，也不能滿足軌道車輛對高性能復合材料的真正需求。因而，轉向架構架、車體等大型復雜承載構件已經受到軌道交通領域的密切注。

▲面向未來的產品技術平臺

軌道交通車輛復材國內外現狀

隨著碳纖維復合材料在航空航天、國防軍工和汽車等領域的不斷拓展應用，規(guī)模逐步擴大，終端應用成本也大幅下降，為軌道交通領域的應用創(chuàng)造了良好條件。世界主要軌道交通裝備企業(yè)聯合專業(yè)復合材料設計制造企業(yè)積極開展碳纖維復合材料應用研究與試驗驗證工作，研制范圍涵蓋非承載結構、次承載結構和主承載結構。

國外現狀

日本在復合材料轉向架的研發(fā)方面優(yōu)勢明顯。1989年日本鐵路試制成功碳纖維復合材料轉向架構架，該構架側梁為碳纖維層壓材料疊層結構，板厚16.4mm，橫梁采用纏繞成型，構架自重0.3t，比普通鋼制構架減輕70%，設計最高時速160公里；2014年，川崎重工最新研發(fā)efWING轉向架將剛性焊接構架改為采用碳纖維側梁的柔性構架，主承載部件側梁形似弓形彈簧，取消傳統(tǒng)二系彈簧，比傳統(tǒng)金屬側梁減重約40%。2018年，該轉向架已批量應用于日本貨車車輛。

▲日本 efWING 轉向架

韓國鐵路行業(yè)在碳纖維復合材料的應用方面也取得顯著成績。2010年投入商業(yè)化運營的韓國TTX擺式列車是碳纖維復合材料車體最成功的案例，采用4動2拖6節(jié)編組，設計速度200km/h，運營速度180km/h。TTX列車是在法國阿爾斯通公司向韓國轉讓第二代TGV-A高速列車成套技術后，由韓國鐵道研究院（KRRI）于2001年開始研制。研究初期采用的方案為車頂、側墻及端墻采用復合材料層合板制備，底架采用中空擠壓鋁合金型材制備，兩部分通過彈性膠黏劑和螺接的方式連接起來構成整體車體結構。

▲韓國碳纖維復合材料車體研究方案

法國在碳纖維復合材料車體研究方面處于領先地位。新一代法國TGV列車碳纖維復合材料雙層車體標準件由ACX工業(yè)公司制造，采用復合材料夾層結構，使用真空袋壓低成本制造工藝技術在120℃條件下固化成型，此結構較鋁合金車體減重25%。另外，法國已分別在TGV-PSE和TGV-A高速列車轉向架上試用研制的Sep2carbSA3D碳纖維復合材料閘片。

▲法國 TGV 列車碳纖維復合材料雙層車體

德國的福伊特公司研制的應用于故障列車牽引操作的碳纖維增強復合材料過渡車鉤，結構極其緊湊，僅有23公斤總重量，對比鋼鐵過渡車鉤減重達50%，可單人攜帶并進行安裝。

▲碳纖維增強復合材料過渡車鉤

英國ELG碳纖維公司聯合伯明翰大學、哈德斯菲爾德大學、Magma結構公司等在2017年開發(fā)用于軌道車輛的回收碳纖維復合轉向架，旨在減少重量并優(yōu)化垂直和橫向剛度，以減少車輛運行成本、對基礎設施損壞和對環(huán)境的影響。該復合材料轉向架減重達40%，降低軌道橫向力40%，減少能源消耗20%，并榮獲2018年法國JEC展復合材料創(chuàng)新獎。目前已經完成了全尺寸測試，下一步將開展線路試驗。

▲可回收碳纖維復合材料轉向架

國內現狀

國內纖維增強復合材料在軌道交通領域的應用研究起步較晚，但發(fā)展迅速，目前已完成了承載件、次承載件、非承載件的典型部件的研制，減重效果明顯，部分部件已完成試驗驗證及運營考核，充分證明復合材料在軌道交通部件應用的可行性及前景。主要研究內容包括：

2015年中車四方股份公司聯合中德研發(fā)中心研制了下一代碳纖維復合材料地鐵列車。新一代地鐵車輛采用先進的碳纖維技術，車體、轉向架構架、司機室、設備艙及設備機體等均使用碳纖維復合材料制造，是大規(guī)模應用碳纖維復合材料的地鐵車輛。特別是成功突破碳纖維大型復雜件結構設計、制造成型等關鍵技術，實現了碳纖維復合材料在車體、轉向架構架、司機室等車輛主承載結構上的全面應用。與采用鋼、鋁合金等傳統(tǒng)金屬材料相比，新一代碳纖維地鐵車輛的車體、司機室、設備艙分別減重30%以上，轉向架構架減重40%，整車減重13%。

▲碳纖維復合材料車體

2015年9月，長客股份與Fordyno公司、中國航天研究院703所聯合開發(fā)了無網超能有軌電車——武漢東湖“光谷量子號”一列5輛碳纖維復材車體，于2018年9月7日在長春軌道交通展上首次面向公眾展出。本列車交付后將作為中國首列用于運營的全復合材料軌道列車。

▲碳纖維復合材料車體（左：下一代地鐵右：武漢東湖有軌電車）

2015年中車株機公司研制完成了碳纖維復合材料車體模型，采用碳纖維增強復合材料泡沫夾芯結構，成型后的碳纖維車體與原有不銹鋼結構相比減重22.3%。

▲碳纖維復合材料車體

中車唐山公司研制碳纖維枕梁替代受力情況惡劣的低地板輕軌車枕梁（鋁合金材質），完成對其的方案設計、仿真分析、樣件試制及試驗驗證等，同時對其與車體主結構的連接方案進行設計及驗證。

▲碳纖維復合材料枕梁

中車株機公司2017年完成了中低速碳纖維復合材料懸浮架構架的研制，減重30%，個別部件減重達70%，減少零件數量258個；完成了4類，共19項測試。

▲碳纖維復合材料懸浮架

總結

碳纖維復合材料可應用于高速磁浮、高速動車組、城軌地鐵、城際車輛、貨車、軌道承載梁等軌道交通領域的大部分主/次承載結構及內外裝飾等非承載結構，減重效果顯著。隨著原材料成本的逐步降低及工藝技術的提升，碳纖維復合材料產品全壽命周期成本優(yōu)勢逐漸顯現，替代金屬材料市場潛力巨大，應用前景廣闊。

高鐵是中國制造的“金名片”，大力發(fā)展復合材料在軌道交通領域的應用，不斷突破并掌握核心技術，不僅可以提升軌道交通裝備在輕量化、綠色環(huán)保等方面的性能和核心競爭力，也有利于促進國家基礎材料、前瞻性技術發(fā)展，強力支撐高端裝備技術水平的提升，貫徹落實“交通強國、制造強國”戰(zhàn)略，促進中國制造業(yè)實現更高質量發(fā)展。

綜上，我國未來超高速車輛采用碳纖維技術必將成為解決輕量化的最佳選擇。現階段，國家相關部委、路局、中車集團等相關部門、企業(yè)需做好角色分工，以國家重點研發(fā)計劃、重大專項為推進力，協同創(chuàng)新，共同推進以材料為基礎的工程應用技術的進步，不斷提升列車產品水平，持續(xù)滿足乘客高品質出行需求，為社會經濟發(fā)展和人類文明進步做出貢獻！

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