发布时间：2023-06-05 13:33:19
泰晟供碳纤维复合材料将于您分享关于:复合材料轨道交通车辆轻量化发展与思考
轨道交通是一种充分利用物理空间、对空间进行三维拓展的交通方式，具有运输能力大、准时性高、安全性高、环境污染少等特点。大力发展轨道交通，是拉动区域经济的手段，是解决城市交通拥堵的根本方法，各国均认同这一理念。
近年来，我国高度重视轨道交通技术及产业发展，已经成为轨道交通强国。同时，我国为促进轨道交通产业的发展，出台了一系列利好政策：2015年1月12日，发展和改委发布《关于加强城市轨道交通规划建设管理的通知》；2015年5月8日发布的《制造2025》，轨道交通装备被列为重点发展领域之一；2016年5月，发展改委联合交通运输部印发《交通基础设施重大工程建设三年行动计划》，其中指出2016-2018年拟新建城市轨道交通2 000 km以上，涉及达1.6万亿元。在一系列顶层设计方案的指引下，各地方部门也相继推出支持轨道交通建设的方案。
在政策的扶植与引导和现实需求的牵引下，我国轨道交通技术及产业发展进入了加速阶段。根据我国铁路总公司公布的数据，截至2017年底，铁路营业里程达到12.7万km，比2016年增长2.4%，其中，高速铁路营业里程达到2.5万km。铁路路网密度132.2 km/万km2，比2016年增加3.0 km/万km2。其中，复线里程7.2万km，比2016年增长5.4%，复线率56.5%，比2016年提高1.6%；电气化里程8.7万km，比2016年增长7.8%，电化率68.2%，比2016年提高3.4%。西部地区铁路营业里程5.2万km，比2016年增加1 663.5km，增长3.3%。有分析指出，“十三五”期间，我国轨道交通产业完成的出资量比“十二五”期间将增加50%～70%，近年来，大铁路、城际和城轨产业年均的出资额均在万亿元人民币以上。
轨道交通技术及产业蕴藏十分丰富的出资机会与发展潜力，对于轨道交通这个庞大的产业体系而言，新材料的应用与发展，将为轨道交通产业带来无限的商机。材料是轨道交通产业链中上游、基础的一段，支持着整个轨道交通产业。与轨道交通产业相关的材料众多，包括机车车辆与关键部件材料、车轮用材料、机车表面涂层与防腐材料、减振降噪材料、路基材料等。
随着轨道交通行业技术的不断发展，其对材料的轻量化需求也愈加明显。轻量化对于车辆减重、提速、降噪、降低能源消耗具有重要的意义。通过新材料的替换以及材料工艺技术的进步，可提升装备的轻量化水平。一大批轻量化材料，如复合材料、新型铝合金、强度高的镁合金应等，为轨道交通装备的轻量化、减重提供了支持。以碳纤维复合材料为主要发展趋势的复合材料，是国民经济建设不可缺少的重要新型战略材料，也是轨道交通轻量化的重要发展手段。与传统金属材料相比，碳纤维复合材料具有密度小、强度高、模量高等特点，并且在隔声、隔热、减振、防腐等方面性能优异，多数适用于装备的承载结构。《“十三五”科技创新规划》《制造2025》均将碳纤维复合材料作为战略产业进行重点突破，《中车科技发展“十三五”规划》明确提出“重点突破基于碳纤维等复合材料在轨道交通领域的应用”。
1 复合材料轨道交通车辆应用现状
轨道交通车体结构对牵引能耗的影响程度很大，是正常减重、轻量化的主要部件，其质量约占整车的15%～30%。若动车组车辆质量减轻100kg，则运行中可节能约100GJ牵引能量。目前的轨道车辆车体材料包括耐候钢或低合金钢、强度高的钢、铝合金、不锈钢等。其中，海洋性气候的沿海地区和高原地区主要使用耐腐蚀的不锈钢；耐候钢和低合金强度高的钢主要用于车体底架部件，牵引梁、枕梁、缓冲梁等；大多数国产车体结构端底架部位采用耐候钢、低合金强度高的钢（主要因为其良好的焊接性和疲劳强度）；其余承载部分采用SUS301L系列奥氏体不锈钢。
实现车体结构质量减轻的重要方法是轻量化选材和结构设计。与钢、铝等传统金属材料相比，碳纤维复合材料为主的复合材料在轻量化、节能、电磁防护、碰撞吸能等方面具有明显的优势。例如，采用碳纤维复合材料制作的司机室头罩具，抗冲击性能明显提升，当承受350kN的静载荷时，抵挡1kg铝弹的660 km/h的高速冲击；高速列车车体和转向架采用碳纤维，减重49%，轻量化节能效果明显。
碳纤维复合材料在轨道列车的应用集中于车体、转向架、车外设备和车内装饰。
案例一：日本新型新干线N700系高速列车CFRP部件，利用碳纤维复合材料，设计和制造了分车体蒙皮、绝缘子（导电弓架边缘）和客车窗框等。
案例二：日本KAWASAKI（川崎重工）采用碳纤维，开发了第1代铁道车辆用列车“efwing”。“efwing”采用为碳纤维侧梁的柔性构架，对原本刚性的转向架进行的**性的改进，经过美国交通技术中心（TTCI）线路运行试验，轮重减载率下降50%，车体外壳总减重40%。
案例三：德国SIEMENS在新开发的列车车体侧部使用了碳纤维复合材料。
针对复合材料在轨道交通上的应用，国内相比国外而言起步较晚，但发展较为迅速。
2018年1月，中车长春轨道客车股份有限公司在轨道交通领域研制出具有完全自主知识产权的世界首辆全碳纤维复合材料地铁车体。全碳纤维复合材料整车较同类地铁金属车体减重约35%，从而对提高车体的运载能力、降低能源消耗等具有重大意义。
2018年9月，德国柏林轨道交通技术展上，中车发布了下一代地铁产品取得了令人瞩目的成效，碳纤维复合材料车体、转向架、司机室、设备舱的成功研制，使得整车减重15%，轨道交通业界对碳纤维复合材料在轨道交通领域的应用充满期待。
2 复合材料轨道交通应用的主要问题
尽管全球轨道交通行业在利用复合材料进行轻量化研究方面做出了很大的努力，但是碳纤维等复合材料的应用与推广，仍然受到了很大的限制。
从发展现状可以看出，碳纤维等复合材料在轨道交通领域的应用和发展还存在以下问题：处于研制早期阶段，技术发展较慢，工艺成本高，研制周期长，效率低；共性技术研究严重不足，未形成统一研制流程规范；缺乏统一的产品平台，资源共享不足。
3 复合材料轨道交通轻量化应用的思考
目前限制复合材料在轨道交通车辆上应用的突出矛盾是工艺成本高、生产效率低。为此，我们可借鉴航空航天的经验，利用网状结构对轨道交通车体进行设计和制造，实现降低工艺成本、提高生产效率的目标。
为推进中车轨道交通装备的轻量化发展进程，中车研究院牵头和各相关子企业与俄罗斯特种机械研究所进行了技术交流和工作对接。2018年3月份，该所协助中车开展了高速列车车体的初步概念设计。经过前期的技术交流，中俄双方认为复合材料网格结构技术在400km高速列车、600km磁悬浮列车车体、司机室以及过渡车钩等轨道交通车辆零部件领域有巨大的应用前景。以航空航天领域前期研究结果推测，采用网格结构的轨道交通复合材料装备，可比现有案例的复合材料轨道交通装备再减重10%，装配量降低20%，制造周期缩短15%，制造成本下降15%。
3.1 复合材料网格结构
在复合材料工业中，网格结构复合材料是有希望实现长期寻求的轻量化和强度高的双重目标的结构材料。复合材料网格结构是一种主要应用于抗屈曲结构和加筋表面结构的网格，主要是因为复合材料网格结构具有较大的截面惯性矩，并且具有较高的柔性。
使用各向异性网格结构的先驱工作可以追溯到30年前，该技术现在主要由俄罗斯的特种机械研究所（CRISM）掌握，用于俄罗斯太空计划。在俄罗斯，网格结构的设计技术、成型技术、性能测试与表征等技术更加多方面而深入，并且已采用各向异性网格复合材料网格结构成功地进行了40次卫星发射。
自1981年CRISM开展复合材料网格结构技术的研究以来，该技术经过不断发展和完善，在航天及**领域得到了应用，如图3所示。1986年，该所成功研制伊尔- IL-114飞机的机身；2001年研制的质子-M号适配器成功进行第1次发射；2007年，进行优化设计的适配器更加轻量化。目前该所正在进行民用产品的开发，积极拓展复合材料网格结构技术在民用领域的应用。
自2010年以来，基于民用航空领域进一步减重和降成本的目标，欧盟第七框架计划（Seventh Framework Programme, FP7）连续资助了3个项目以支持复合材料网格结构技术在商用飞机机身的应用研究，参与国包括德国、俄罗斯、法国、荷兰、瑞士、西班牙、英国、比利时、意大利等。
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