聚焦·碳纤维复合材料在轨道车辆上的应用浅析

随着科技发展，复合材料越来越多的被用到航空、航天、医疗器械以及交通运输等领域中。复合材料指的是两种或多种不同材料，通过适当物理或化学方法制成新材料。纤维增强复合材料是一种很常见的复合材料，主要包含类型有玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维以及芳纶纤维等。其中碳纤维是一种含碳量在 95% 以上的高强度、高模量的新型纤维材料。碳纤维除了具有较高的模量及强度外，更重要的是碳纤维具有优良的可纺性，其成为目前较为常见的增强材料，已经在各大领域中大量应用。

目前，轨道交通车辆现有主流材料有铝合金、不锈钢和碳钢，铝合金车体存在应力腐蚀、外表处理困难、焊接要求

高以及疲劳强度低等问题；不锈钢车存在密封性差、局部屈曲以及焊接变形等问题；碳钢车体存在易腐蚀、不利于轻量化、焊接变形大等问题，有待开发新的材料应对新的挑战，碳纤维复合材料作为一种先进的材料，逐渐进入研究者视野，成为轨道车辆上的应用的研究热点。碳纤维与车体常用金属材料相比，拥有更好的力学性能，详细对比如表 1 所示。

经过分析，碳纤维应用到轨道车辆上所表现出的技术优势如下。

2.1　碳纤维车体应用现状

2.1.1　国外碳纤维车体

国外轨道交通行业针对列车用的碳纤维复合材料研究起步较早，目前已实现众多技术突破，积累了丰富的工程化应用经验，应用范围从内饰、车内设备以及司机室外罩等非承载部件和次承载部件，扩大到车体、转向架等主承载结构。

20 世纪 90 年代初，瑞士辛德勒客车公司用碳纤维缠绕的方法制成车体，生产的样车满足强度和刚度要求，在铁路线上通过运行试验，达到了预期效果；2000 年，法国采用碳纤维、玻璃纤维等复合材料生产了双层 TGV 挂车样车，如图 1 所示，经试验表明，复合材料车体在振动性能和绝热防火性能等方面具有突出优点，提高了乘客乘车的舒适性 ， 该复合材料车体较铝合金车身减重 25%。

最具代表性的 2007 年韩国研制出 TTX 摆式列车，如图 2 所示。该列车车体结构采用了混合设计方案。车顶、侧墙和端墙由三明治夹芯复合材料制成，底架结构则采用不锈钢；三明治夹芯复合材料是由碳纤维环氧树脂层板及铝蜂窝夹芯粘接而成，铝蜂窝夹芯厚度为 40mm；碳纤维环氧树脂层板内、外表的厚度分别为 1.5mm 和 3.5mm。与传统铝合金车体相比，韩国 TTX 列车车体结构总质量减重约40%，试验证明车体结构静强度、疲劳强度、模态特性以及耐火性能等各项指标均满足设计要求。TTX 摆式列车已于 2010 年正式投入商业化运营。

2.1.2　国内碳纤维车体

国内碳纤维复合材料在轨道车辆的应用研究相对较晚，但发展速度迅速，已形成一些成果。2011 年 12 月，中车四方研制的更高速度等级试验列车采用了碳纤维复合材料头罩，减重约 50%；复合材料头罩有非常优良的抗冲击性能和力学性能，能耐住 1kg 铝弹的 660km/h 高速撞击和350kN 静载荷。

2018 年，中车长客研制出新一代地铁列车和“光谷量子号”有轨电车，这两款车辆均采用碳纤维复合材料车体，实现了列车轻量化设计；2018 年 9 月，中车四方发布新一代碳纤维地铁车辆“CETROVO”，如图 3 所示，“新一代地铁车辆采用先进的碳纤维技术，车体、转向架构架、司机室、设备舱及设备机体等均使用碳纤维复合材质制造，是大规模应用碳纤维复合材料的地铁车辆。与采用钢、铝合金等传统材料相比，整车重量降低了13%。

2.2　碳纤维转向架应用现状

2.2.1　国外碳纤维转向架

20 世纪 80 年代，德国研制了世界上首个型号为 HLD-E的纤维复合材料转向架构架，然后研制第二台 HLD-L 型转

向架，后又在 HLD-E，HLD-L 型转向架复合材料构架运行成功基础上，制成出 ICE 高速列车用 HLD-300 型转向架，该构架 1993 年 1 月在滚动试验台上试验，1993 年 3 月在线路上进行运行试验，试验最高速度达到 330km/h。

日本在复合材料转向架研发方面优势明显。1989 年日本铁路试制成功 CFRP 转向架构架，该构架侧梁为 CFRP 层压材料叠层结构，板厚 16.4mm；横梁采用缠绕成型，构架自重 0.3t，比普通钢制构架减轻 70%。2014 年，日本川崎重工业株式会社开发出新一代铁道车辆用转向架 efWING，如图 4 所示。该转向架在世界上首次采用具备悬挂功能的碳纤维增强复合材料制作板簧，与传统钢制构架相比，重量降低约 40%，相当于每车减 900kg，这一显著减重效果提高了能源利用率，并降低了二氧化碳排放量。

除转向架构架外，目前国外研究开发逐渐从附属非承载结构零件向车轮、车轴、制动盘以及安装支架等承载构件延伸、扩展。

2.2.2　国内碳纤维转向架

目前国内在转向架构架等主要承载件上的应用几乎还是空白，基础设计理论和设计方案欠缺，新型成型工艺还在探索之中。目前，中车四方与德勒斯顿大学正在合作研制一款新型碳纤维复合材料转向架。中车浦镇研发出转向架碳纤维摇枕安全吊，结构与原钢质安全吊结构基本一致，采用热压罐高温高压成型，厚度由原来的 16mm 减至8mm，质量由原来的 13kg 减至 1.7kg，但是碳纤维安全吊的强度却大大优于原钢材料。经过模拟长寿命试验，冲击振动试验，安全吊未产生裂纹和机械损伤。目前装车运行超过 100 万 km，运用状态均良好，如图 5 所示。目前正在研制 CFRP 复合材料构架，已形成初步方案设计。

随着轨道车辆轻量化及低碳环保要求提升，碳纤维复合材料必将越来越多地应用到轨道交通车辆上，但是，国内碳纤维复合材料在轨道车辆应用尚处于起步阶段，鉴于国内碳纤维发展情况，笔者认为可从以下几个方面着手开展研究：

首先，开展碳纤维复合材料的基础性能研究，发挥材料优势，解决运用局限性。

其次，材料选择上，考虑运用复合材料混杂使用方式，如设计中采用玻璃纤维、碳纤维等混合使用，充分发挥各材料性能、价格方面优势，对减重和降本进行整体考虑。

再次，结构优化，集成化设计思想，包括结合成型工艺方面综合考虑设计方案。

最后，加强产学研相结合，发挥各自优势，尽快形成拥有自主化知识产权的产品。

随着科研机构及企业对新型复合材料在轨道车辆上应用研究越来越深入，不断克服技术难题，轨道交通车辆新材料应用方面必将获得大发展，将会为用户提供越来越多、更加舒适性的产品。