門永林， 楚永萍， 馮遵委

(中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司， 南京 210031)

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(簡稱FRP)，也稱纖維增強(qiáng)塑料，是由增強(qiáng)纖維材料，如碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維等與基體材料經(jīng)過纏繞、擠壓或模壓等成型工藝而形成的高分子復(fù)合材料。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的性能和功能可以根據(jù)不同的需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過選擇合適的基體和纖維增強(qiáng)體，合適的配比，從而獲得單一材料無法達(dá)到的綜合性能。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在航天航空、醫(yī)療、民用、建筑工程、汽車制造、體育器械、軌道交通等領(lǐng)域得到了大量的應(yīng)用[1]。

近年來，隨著城市軌道交通及城際鐵路的快速發(fā)展，車輛的輕量化、減振降噪以及乘坐舒適度成了軌道交通重點(diǎn)研究課題。軌道車輛轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)和性能直接關(guān)系到整列車的運(yùn)行品質(zhì)，直接影響乘客乘坐的舒適度和安全性。對(duì)轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)而言，高速、安全、舒適、智能將成為其未來發(fā)展的重點(diǎn)。如何在保證轉(zhuǎn)向架安全、舒適的前提下減輕轉(zhuǎn)向架質(zhì)量及簧下質(zhì)量是轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)永遠(yuǎn)追求的目標(biāo)。從成本、設(shè)計(jì)方法、關(guān)鍵技術(shù)等方面就纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在轉(zhuǎn)向架上的應(yīng)用進(jìn)行探討，并提出設(shè)計(jì)建議指導(dǎo)后續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)工作。

1 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的分類及性能

目前常見的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料根據(jù)纖維增強(qiáng)體的不同分為碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(簡稱CFRP，以碳纖維或其制品作為增強(qiáng)體 )、玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(簡稱GFRP，以玻璃纖維或其制品作為增強(qiáng)體)以及芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(簡稱AFRP，以芳綸纖維或其制品作為增強(qiáng)體)3種[3]。

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有：(1)比強(qiáng)度高，比模量大；(2)可設(shè)計(jì)性強(qiáng)；(3)高溫性能好；(4)抗腐蝕性和耐久性能好；(5)熱穩(wěn)定性好；(6)抗氧化性能好；(7)可整體成型，減少零件和連接、裝配等優(yōu)點(diǎn)。表1為常用金屬材料與纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的性能對(duì)比。由表1可以看出，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能普遍優(yōu)于金屬材料，而且質(zhì)量更輕。

表1 常用金屬材料與纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的性能對(duì)比

2 國內(nèi)外轉(zhuǎn)向架相關(guān)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料零部件的開發(fā)應(yīng)用

德國是全世界最早將纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用在轉(zhuǎn)向架零部件上的國家。第1臺(tái)復(fù)合材料構(gòu)架(FVW構(gòu)架)的轉(zhuǎn)向架(型號(hào)為HLD-E，見圖1)，在20世紀(jì)80年代就由德國的AEG和MBB公司聯(lián)合研制成功。該轉(zhuǎn)向架后續(xù)完成的靜態(tài)模擬試驗(yàn)和1 000萬次耐久性試驗(yàn)結(jié)果表明，構(gòu)架表面的延伸率在40‰以下，完全滿足當(dāng)初的設(shè)計(jì)要求。后續(xù)研制的第2臺(tái)復(fù)合材料構(gòu)架(HLD-L)以及1992年12月研制的HLD-300型轉(zhuǎn)向架(ICE高速列車用)，都采用了復(fù)合材料。

圖1 德國HLD-E轉(zhuǎn)向架

第1臺(tái)由GFRP材料制成的轉(zhuǎn)向架于2012年在英國雷丁大學(xué)研制成功(見圖2)，該轉(zhuǎn)向架構(gòu)架由上、下兩層構(gòu)架分別整體成型，每層構(gòu)架均包含兩根側(cè)梁和一根橫梁。

圖2 英國雷丁大學(xué)GFRP轉(zhuǎn)向架

2016年日本川崎重工發(fā)布了新一代復(fù)合材料轉(zhuǎn)向架-efWING轉(zhuǎn)向架(見圖3)。efWING轉(zhuǎn)向架主體結(jié)構(gòu)構(gòu)架采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)制成。CFRP構(gòu)架邊梁比傳統(tǒng)的碳鋼梁減重約40%。

efWING轉(zhuǎn)向架已在美國交通技術(shù)中心(TTCI)進(jìn)行了4 500 km的線路運(yùn)行試驗(yàn)，滿足美國公共交通協(xié)會(huì)靜態(tài)均衡測試(APTA SS-M-014-06 CLASS G)標(biāo)準(zhǔn)要求。特別是弓形的CFRP構(gòu)架(見圖3)具有懸掛元件的功能，將車輛載荷穩(wěn)定傳遞至鋼軌，在改善車輛運(yùn)行平穩(wěn)性的同時(shí)降低了車輛脫軌的風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 日本川崎efWING轉(zhuǎn)向架和CFRP構(gòu)架

除轉(zhuǎn)向架構(gòu)架外，國外還正在研究采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制作車輪、車軸、制動(dòng)盤等轉(zhuǎn)向架承力件的可行性，已經(jīng)取得了實(shí)質(zhì)性的研究成果，并開始了樣件的試制。

綜合纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在國外軌道車輛轉(zhuǎn)向架領(lǐng)域的應(yīng)用情況，可以發(fā)現(xiàn)以下幾個(gè)特點(diǎn)：(1)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料零部件從轉(zhuǎn)向架非承載零部件向構(gòu)架、車輪、車軸、安裝支架等承載構(gòu)件擴(kuò)展；(2)轉(zhuǎn)向架采用金屬與纖維增強(qiáng)復(fù)合材料混雜結(jié)構(gòu)為主，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的比例正大幅提高；(3)轉(zhuǎn)向架的運(yùn)行條件越來越苛刻，陸續(xù)出現(xiàn)了構(gòu)架裂紋、天線支架斷裂等影響行車安全的隱患，各轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)廠家均將目光轉(zhuǎn)向了綜合性能更優(yōu)的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料將是軌道交通領(lǐng)域未來新材料應(yīng)用的發(fā)展趨勢。從目前的發(fā)展態(tài)勢來看，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在軌道交通車輛車體及內(nèi)裝上已經(jīng)得到了應(yīng)用[2]。相關(guān)科研單位、制造企業(yè)及關(guān)鍵部件供應(yīng)商都開展了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料零部件的開發(fā)和應(yīng)用研究，但在轉(zhuǎn)向架領(lǐng)域的應(yīng)用研究目前還是空白。目前僅有中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司2016年試制了209P轉(zhuǎn)向架用CFRP材料搖枕安全吊并實(shí)現(xiàn)了批量裝車運(yùn)用考核(見圖4)，目前已安全運(yùn)營超過100萬km。中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司在2018年柏林工業(yè)展上發(fā)布了其研制的碳纖維轉(zhuǎn)向架(見圖5)。

圖4 中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司CFRP搖枕安全吊

圖5 中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司CFRP轉(zhuǎn)向架

3 轉(zhuǎn)向架上應(yīng)用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的成本分析

由于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有金屬材料不可比擬的優(yōu)越性能，將其應(yīng)用在以安全、可靠為首要目標(biāo)的轉(zhuǎn)向架上，會(huì)有很大的潛在市場和發(fā)展前景。但轉(zhuǎn)向架作為一個(gè)工業(yè)產(chǎn)品，要想纖維增強(qiáng)材料大面積的應(yīng)用則必須同時(shí)考慮成本、工藝等多個(gè)因素，而成本因素是直接影響其推廣的最主要因素。

以國外某CFRP構(gòu)架的研制成本組成預(yù)算為例，碳纖維構(gòu)架中碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料約占總研發(fā)成本的20%，成型加工(包括模具、工裝和制造)約占70%，質(zhì)量控制和檢測成本約占10%。以1個(gè)約1.0 t重的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架為例，如果設(shè)定減重目標(biāo)為30%，則CFRP轉(zhuǎn)向架構(gòu)架質(zhì)量為1.0×(1-30%)=0.7(t)，其中碳纖維用量(質(zhì)量比取60%)為0.7×0.6=0.42(t)[1，5]。而碳鋼材料的成本僅為碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料成本的1/3。想要纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在轉(zhuǎn)向架上得到大量應(yīng)用，如何解決這多出來的2/3成本，就擺在了每個(gè)轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)研發(fā)人員的面前。

從目前情況來看，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的高成本短期內(nèi)不會(huì)大幅的降低，那么目前只能想辦法降低復(fù)合材料零部件的制造費(fèi)用，通過一次成型技術(shù)避免金屬材料所需要的二次加工，從而大大降低產(chǎn)品的消耗，減少人力和物力的浪費(fèi)，以此來彌補(bǔ)與金屬材料之間的成本劣勢?？上驳氖悄壳皣鴥?nèi)已有多家非常有實(shí)力的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料生產(chǎn)商投入到了轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)開發(fā)工作中，專業(yè)生產(chǎn)商的積極介入，必將推動(dòng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在轉(zhuǎn)向架上的大面積應(yīng)用。

4 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料轉(zhuǎn)向架零部件設(shè)計(jì)研究

國外陸續(xù)出現(xiàn)的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料轉(zhuǎn)向架為國內(nèi)軌道車輛轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)帶來了新的思路。排障器、擋泥板等非承力的零部件完全可以采用價(jià)格較低的玻璃纖維復(fù)合材料生產(chǎn)；構(gòu)架、車軸、車輪輪轂、各種安裝支架等承力件可采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料生產(chǎn)制造；受流器受電靴等對(duì)耐磨要求較高的零部件可采用芳綸纖維復(fù)合材料生產(chǎn)。

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與金屬材料對(duì)磨時(shí)，很少磨損，用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料代替石棉制成的高級(jí)摩擦材料，已經(jīng)作為汽車和飛機(jī)的剎車片材料，同樣的道理是否可考慮作為軌道車輛轉(zhuǎn)向架的制動(dòng)閘片和閘瓦值得所有轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)人員去認(rèn)真思考。

對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在性能、設(shè)計(jì)、分析、制造、檢測等各方面知識(shí)的欠缺導(dǎo)致使用不廣泛。對(duì)轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)而言，考慮到其苛刻的安全性要求，以前更多關(guān)注的是金屬材料的設(shè)計(jì)，對(duì)于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料零部件的設(shè)計(jì)是極其缺乏的。由于對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料缺乏了解，很大程度上阻礙了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的推廣。轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)人員必須打破原有的思維定勢，加強(qiáng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的學(xué)習(xí)，時(shí)刻關(guān)注纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的發(fā)展動(dòng)態(tài)和研究，才能像設(shè)計(jì)金屬材料零部件一樣設(shè)計(jì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料零部件。應(yīng)該從整體上去完善材料知識(shí)架構(gòu)體系，并通過零部件的試點(diǎn)來逐步提升材料的應(yīng)用范圍，大面積的推廣應(yīng)用是一個(gè)漫長的過程。

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的優(yōu)越性能對(duì)轉(zhuǎn)向架的輕量化、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等有著重要的意義。建議從纖維增強(qiáng)復(fù)合材料性能、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析計(jì)算、成形工藝、性能檢測、加工裝配、無損檢測、運(yùn)用維護(hù)等方面開展重點(diǎn)研究。逐步建立適用于轉(zhuǎn)向架復(fù)雜運(yùn)用工況的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料評(píng)價(jià)技術(shù)體系。通過建立產(chǎn)、學(xué)、研、用一體化研究平臺(tái)，深入研究具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的復(fù)合材料制造技術(shù)及其批量化產(chǎn)品，進(jìn)一步推動(dòng)FRP材料在軌道車輛轉(zhuǎn)向架領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。

5 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料轉(zhuǎn)向架零部件設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

考慮纖維增強(qiáng)復(fù)合材料特性和成型工藝，轉(zhuǎn)向架零部件采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)在設(shè)計(jì)方面需著重注意以下幾點(diǎn)：

(1)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料零部件結(jié)構(gòu)需平滑過渡，盡量考慮流線型結(jié)構(gòu)，方便制造；

(2)充分利用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的各向異性與可設(shè)計(jì)性，沿纖維縱、橫向性能的差別會(huì)導(dǎo)致單向帶呈現(xiàn)各向異性。

(3)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)需貫穿結(jié)構(gòu)選材、構(gòu)件成形、檢測驗(yàn)收、加工裝配、使用過程等全過程。

(4)合理選擇應(yīng)用部位，才能有效發(fā)揮增強(qiáng)復(fù)合材料的優(yōu)勢，大大降低成本，提高零部件質(zhì)量。

(5)設(shè)計(jì)必須與材料、制造工藝相結(jié)合，結(jié)構(gòu)選材時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮構(gòu)件成型工藝，并與材料、工藝協(xié)調(diào)，選擇更適合纖維增強(qiáng)復(fù)合材料生產(chǎn)的成型工藝。

6 結(jié)束語

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的發(fā)展及應(yīng)用程度體現(xiàn)了國家先進(jìn)材料技術(shù)的發(fā)展水平[4]。我國纖維增強(qiáng)復(fù)合材料技術(shù)在向著高性能化、多功能化、低成本化等方向發(fā)展的同時(shí)，要堅(jiān)持獨(dú)立自主與技術(shù)創(chuàng)新，以實(shí)現(xiàn)我國先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。隨著我國纖維增強(qiáng)復(fù)合材料研究的深入，工藝水平、評(píng)價(jià)技術(shù)體系逐步完善，材料成本不斷降低，轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)能力不斷提高，必定可以讓纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在轉(zhuǎn)向架上得到大面積應(yīng)用，推動(dòng)我國轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)水平更上一層樓。