碳纤维增强复合材料在轨道车辆中的应用

  较其他金属材料,碳纤维增强复合材料(CFRP)由于其比强度、比模量高,耐疲劳、耐腐蚀性能好,因而在减重、强度、可设计性等多个方面均具有金属材料无法媲美的优势:

  1)可提高车体的使用寿命,可更好地提高部件--体化程度,减少零件数量,缩短制造周期,降低维修成本;

  2)由于复合材料结构内阻大,可极大地改善列车的抗振性能和声学性能;

  3)重量轻,可降低列车运行的能量损耗;

  4)合理的设计还能有效降低墙体厚度,增大了室内空间。

  碳纤维增强复合材料在轨道交通领域具有很大的潜在市场和发展前景,但要想广泛将其应用于轨道交通领域,必须从成本、研发水平及关键技术方面找到更为有效的解决方案。

  1.碳纤维增强复合材料零部件

  目前,国内碳纤维增强复合材料在轨道交通领城的使用主要还是在一些零部件,如500 km/m速试验车的头罩,部分高速列车受电弓导流罩,城轨车辆司机室头罩、导流罩及司机台、裙板等。相比玻璃钢产品至少减重20%以上,而且在强度、刚度及烟毒性等方路均有显著的优势。随着应用研究的深人,碳纤维材料在城轨车辆上的用量也正在逐渐加大,

  2.碳纤维增强复合材料构体

  日本铁道综合技水研究所与东日本客这铁道公商联合研钢的《RRP高速刘东军顶,使每节车箱减轻约300-500kg,2014年9月日本川崎重工在柏林轨道交酒機上服出的CERP构架边梁,比传统的金总梁减重約40%,并简化了结构,提成了乘做舒造性。而且这种CERP边梁-领蒙式结构,将给轨道测车的设计带来新的思路。

  3.碳纤维增强复合材料车体

  碳纤维增强复合材料整车车体的研制,到目前为止比较成功的案例是2000年法国国营铁路公司(SNCF)采用CFRP研制的双层TGV挂车,以及在此基础上由韩国铁道科学研究院(KRRI)着手研制的运营速度为180 km/h的TTX摆式列车。该车车体采用不锈钢增强骨架,侧墙体和顶盖采用铝蜂窝夹芯,蒙皮采用碳纤维增强复合材料构成三明治结构。为便于安装辅助设备,底架采用不锈钢材料。车体外壳总质量可比铝合金结构降低40%,较传统的不锈钢车体结构降低28%。车体的静强度、疲劳强度防火安全性、模态特性等各项性能指标完全满足设计要求。该车2010年已成功投人商业化运营。

  4.碳纤维增强复合材料在轨道列车上的应用趋势

  综合国内外轨道列车领域碳纤维增强复合材料的应用情况,已经表现出了以下几个方面特征:1)从车体内饰、车内设备等非常承载结构零件向车体、构架等承载构件延伸、扩展;2)从裙板、导流罩等零部件向顶盖、司机室、整车车体等大型结构发展;3)以金属与复合材料混杂结构为主,碳纤维增强复合材料用量比例正大幅提高。