碳纤维复合材料在轨道交通车辆上的应用与发展趋势.pdf

文章编号:():./.碳纤维复合材料在轨道交通车辆上的应用与发展趋势孙 华史耀君周华杉夏少华(中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司江苏 常州)摘 要:以轨道交通车辆轻量化为背景结合轨道交通碳纤维复合材料零部件批量化应用发展的需求分析了轨道交通碳纤维复合材料部件向大规模生产应用下一步需要着力发展的方向为轨道交通碳纤维复合材料部件的产业化应用和下一代低轴重高速列车的设计开发提供新的发展理念和思路关键词:碳纤维复合材料轨道交通轻量化全生命周期中图分类号:.文献标识码:参考文献引用格式:孙华史耀君周华杉等.碳纤维复合材料在轨道交通车辆上的应用与发展趋势.轨道交通材料():.收稿日期:作者简介:孙 华()男硕士工程师从事纤维增强树脂基复合材料成型技术、增材制造技术等研究 引言随着轨道交通装备向高速、重载方向发展列车对于轻量化的需求越来越迫切 在中车“十四五”科技规划中对轨道交通车辆的轻量化提出了明确的需求 实现列车轻量化主要有两种方式即通过结构轻量化和材料轻量化得以实现 其中从材料端入手来减轻整车质量无疑是最为直接和有效的轻量化技术在轻量化材料中以碳纤维复合材料为代表的先进材料是现阶段最主要研究方向之一 碳纤维复合材料是指碳纤维与树脂经过复合工艺制成的复合材料其高比强度特性替代钢铁结构可实现减重 替代铝合金结构可实现减重 以上 此外碳纤维复合材料应用于轨道交通其优势还体现在能够实现最佳流体动力学的流线型设计同时具备优异的耐疲劳性以及耐腐蚀性等优点由于在减重、比强度、加工、可设计性等多个方面存在的优势在高速磁浮、高速动车组、城轨地铁、城际车辆、货车、轨道承载梁等轨道交通领域的车体、设备舱、司机室、转向架、悬浮架、受电弓平台、吸能装置、内饰件等轨道交通车辆部件上轻质高强的复合材料已进行了广泛研究 但是距离批量化生产与装车应用还有一定的困难:一是在于其高昂的材料和制造成本二是碳纤维产品的生产制造技术缺乏快速大批量连接技术难以实现大规模生产因此列车轻量化不能沿用传统的减重技术路线 本文在探讨碳纤维复合材料在轨道交通车辆领域具体应用的基础上分析碳纤维复合材料在机车零部件上的发展需求以及未来轨道交通车辆复合材料的发展趋势 碳纤维部件的分类具体应用国内纤维增强复合材料在轨道交通领域的应用研究近年来发展迅速相关的轨道交通装备企业联合国内外的专业复合材料设计制造企业积极开展了大量碳纤维复合材料的应用技术研究与试验验证工作 根据承重受力大小研制范围涵盖力学性能要求不高的非承载结构件(电气柜、受电弓、内饰等)、中低强度的次承载结构件(设备舱、前端模块、车钩缓冲装置等)和中高强度的主承载结构件(转向架、车体等)部分部件已完成试验验证及运营考核充分证明碳纤维复合材料在轨道交通部件应用的可行性及前景 研制部件的涵盖范围包括但不限于以下内容.非承载件中车时代新材、时代电气合作研发出碳纤维复合材料电气柜(见图)实现了较铝合金柜体减少主要零部件数量 、减重 以上的效果 经过试验验证碳纤维复合材料电气柜体能够满足刚度、强度、疲劳寿命和密封性能要求设计的碳纤维复合材料柜体各项指标达到和超过铝合金柜体同等结构情况下碳纤维材质的座椅重量只有传统座椅一半左右但强度比传统座椅更高 轨道交通车辆上的内装件(包括内墙板、内顶板等)、综述述评 轨道交通材料 第 卷 第 期 年 月图 碳纤维复合材料电气柜空调风道和整体卫生间等非承载件一般采用树脂基复合材料或者木塑复合材料现研究热点主要集中在防火阻燃型的热塑性树脂基复合材料和天然植物纤维复合材料内饰件(见图)图 天然植物纤维复合材料内饰件.次承载件中车四方股份公司制造的碳纤维复合材料司机室头罩已成功应用于时速 高速试验车(见图)该产品采用液体成型工艺中间是泡沫夹芯整体分为上下 个罩体上下罩体间以凹槽的形式相扣沟槽的缝隙用橡胶填充上下连接部位使用碳纤维复合材料较玻璃钢头罩减重 安全和疲劳性能得到极大的提高 但是碳纤维复合材料头罩目前生产成本较高并且与同厚度的玻璃钢产品相比其面密度比玻璃钢复合材料要低 因此碳纤维复合材料头罩隔声性能难以达到目前的技术要求需要采用其他声学材料进一步提升其声学性能图 碳纤维复合材料高速列车头罩设备舱车载数量多、质量较大对减重需求较为迫切 中车四方股份公司为实现碳纤维复合材料研发平台由低速地铁升级为高速动车组开展了高速列车碳纤维复合材料设备舱(见图 )的前瞻性研制 其中作为承载框架的横梁、弯梁、底板、裙板、端板均采用碳纤维复合材料较传统金属材料减重 以上 但是目前研究仍存在工艺成本过高、结构设计没有充分发挥复合材料优势等问题 需要对复合材料进行正向设计结合复合材料特点对设备舱结构及连接方式进行调整提高成型效率及质量稳定性图 高速列车碳纤维复合材料设备舱图 高速列车复合材料设备舱组装模块.主承载件中车四方股份公司联合中德研发中心研制了下一代碳纤维复合材料地铁列车 与采用传统金属材料如钢铁材料、铝合金材料相比新一代碳纤维地铁车辆的车体重量减轻超过 车体外形如图 所示图 下一代地铁碳纤维复合材料车体结构中车长客股份公司开发了有轨电车武汉东湖“光谷量子号”一列 辆碳纤维复合材料车体(见图)混合采用了液体成型技术与非热压罐固化(英文简称为)技术部分承载结构使用热压罐成型技术 但是在工艺上热压罐工艺生产成本高、效孙 华史耀君等 碳纤维复合材料在轨道交通车辆上的应用与发展趋势 轨道交通材料 第 卷 第 期 年 月率低不能满足未来批量化的生产需求 为满足未来批量化对生产低成本、高效率的要求还需要对液体成型工艺、快速模压、低成本拉挤等高效低成本工艺在车体上的应用进行研究 在设计结构上受限于复合材料车体和铝合金车体系统接口要求保持一致导致车体结构设计主体优化不到位、复合材料优势没有得到充分发挥车体还存在较大的减重空间图 武汉东湖“光谷量子号”有轨电车转向架构架方面中车四方股份公司研制的碳纤维复合材料转向架构架(见图)已搭载下一代地铁列车在广州地铁 号线完成线路试验其采用分体式的模块化结构设计即横梁采用自动化湿法缠绕工艺纵梁采用干纤维自动编织技术预成型和热压罐高温高压固化工艺 首次实现了厚壁空腔、变截面大型复合材料结构的自动化生产综合性能良好相比金属结构整体减重 具备较好的应用前景图 “”全碳纤维转向架结构悬浮架构架方面中车株机公司与北京理工大学先进结构技术研究院、株洲联诚集团联合研发 年完成了中低速碳纤维复合材料悬浮架构架(见图)的研制减重约 在国际上首次实现了大尺寸、主承力轨道交通装备复合材料异形零部件的制备 轨道交通碳纤维复合材料部件的发展趋势全尺寸碳纤维复合材料、大尺度承载部件样件在轨道交通车辆上的成功研制验证了碳纤维复合材料在轨道交通车辆领域应用的可行性 但是碳纤维复合材料在轨道交通车辆部件上的设计与应用仍很薄弱为了实现批量化应用、规模化发展建议图 碳纤维复合材料悬浮架样件从以下 个方面开展研究:()碳纤维复合材料部件结构优化设计研究现阶段碳纤维复合材料部件的结构设计多沿用原金属材料零部件的结构形式这样的设计难以发挥碳纤维复合材料各向异性的力学特点需要从铺层结构形式和整体结构优化设计两方面进行改进在铺层结构中应根据实际需要来选择原材料通过优化层板中各铺层的铺设角、层数比(层板中具有相同铺设角的铺层数占总层数的比例)和铺叠顺序设计出具有不同强度以及弯、扭刚度要求的层合板增加设计的自由度提高结构性价比在结构设计中需要结合复合材料特点对碳纤维复合材料部件结构及连接方式进行调整从而提高生产效率满足批量快速生产的需要 此外通过加强结构一体化设计减少连接件的使用可以充分发挥复合材料的高可设计性、易于整体成型的特点比如将底架与地板集成将车顶与通风管道集成以及将侧墙板与内装材料集成等()高效低成本成型工艺研究航空航天、军事等领域碳纤维复合材料部件多采用热压罐成型工艺 该工艺需要在模具上铺设预浸料然后置于热压罐进行加热固化成型 热压罐工艺虽然成型质量很高但也存在着成型时间长、成型成本过高等问题如较为常见的环氧树脂基碳纤维复合材料部件的完全固化耗时在 之上轨道交通车辆装备的成本接受度低于航空航天行业从生产效率、设备成本、质量稳定性等方面综合考虑拉挤、缠绕、液体成型、快速模压等低成本工艺将是未来轨道车辆碳纤维复合材料部件的重点研究方向 针对车体、设备舱、司机室、转向架、悬浮架、受电弓平台、吸能装置、内饰件等轨道交通车辆部件还需要辅之以材料选型、结构设计和仿真优化重点突破一体化拉挤成型工艺、螺旋及平面缠绕、异形截面编织、液体成型模具结构设计、成型缺孙 华史耀君等 碳纤维复合材料在轨道交通车辆上的应用与发展趋势 轨道交通材料 第 卷 第 期 年 月陷控制等共性与关键技术为轨道交通车辆碳纤维复合材料零部件高效低成本生产提供解决方案实现生产工艺稳定性()基于性能考虑的全生命周期成本研究碳纤维复合材料的成本一般由直接材料成本、直接人工成本与制造费用 部分构成 由于碳纤维复合材料原材料成本和成型制造成本过高直接限制了碳纤维复合材料在轨道交通行业的应用与发展 对于轨道交通车辆碳纤维复合材料部件如果要实现产业化与规模化必须从全生命周期的角度进行评价即小到零部件产品本身大到整个行业发展方向等层面来分析仅以原材料成本和制造成本来衡量碳纤维复合材料成本是不可取的全生命周期成本(英文简称为)是包括产品从研究、设计、制造、销售、使用直到报废为止的整个期间的全部费用 它是由生产成本和使用成本两部分构成如图 所示 只有基于对碳纤维复合材料应用全生命周期的考虑将材料及材料选型、工艺设计、结构设计、运行维护、回收再利用等纳入全生命周期考虑才能充分发挥碳纤维复合材料的应用优势图 全生命周期成本构成示意图 结束语碳纤维复合材料在轨道交通领域的应用技术研究虽已取得一系列成果 但碳纤维复合材料在轨道交通车辆上的推广应用中也面临一些待解决的问题如缺少相关经验借鉴、结构设计优化不到位、成型工艺效率低、制备工艺成本高等还需要转变轨道交通车辆轻量化的思维模式和技术路线围绕低成本技术开展工艺方法研究 随着在结构功能一体化设计、高效低成本工艺、全生命成本周期等方面的持续深入研究碳纤维复合材料的优势将逐渐显现在部分产品上替代金属材料的市场潜力巨大应用前景广阔参考文献:国家铁路局介绍中国交通的可持续发展白皮书.铁道技术监督():.李志涛郭聪聪单瑞俊等.碳纤维增强阻燃树脂基复合材料的制备及性能研究.高科技纤维与应用():.刘昌杨世文.碳纤维增强复合材料()在汽车业上的应用及面临困难.汽车实用技术():.唐波.碳纤维复合材料在轨道交通车辆上的应用.科技经济导刊():.仇亚萍沈真陈海军等.高速磁悬浮列车用碳纤维复合材料裙板的设计与分析.复合材料科学与工程():.张丽娇.轨道交通车辆车体结构材料轻量化产业发展及展望.新材料产业():.刘波李榆银李建林等.碳纤维复合材料轨道车辆电气柜体研制.机车电传动():.李占一.碳纤维复合材料在轨道车辆上的应用.科技创新导报():.李明高张丽娇.轨道交通装备复合材料应用现状及发展趋势展望.纺织导报():.魏阜伦衣海娇.碳纤维复合材料在轨道车辆应用展望.现代城市轨道交通():.周伟旭.碳纤维增强树脂基复合材料在轨道交通车辆车体中的应用与思考.城市轨道交通研究():.张可可施刘生唐许等.碳纤维及其复合材料在风电机组全生命周期中的应用.新材料产业():.(.):.:孙 华史耀君等 碳纤维复合材料在轨道交通车辆上的应用与发展趋势 轨道交通材料 第 卷 第 期 年 月