復(fù)合新材料在地鐵車輛輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李 霞 張 楠

（1.太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院；2.大秦鐵路股份有限公司）

隨著城市軌道交通的發(fā)展，地鐵車輛的數(shù)量不斷增多，由地鐵車輛運(yùn)營(yíng)而產(chǎn)生的噪聲污染和能耗問題越來越嚴(yán)重，因此地鐵車輛的節(jié)能、環(huán)保問題已成為行業(yè)高度關(guān)注的核心議題.而輕量化是地鐵車輛的降低噪聲、節(jié)能環(huán)保的研究方向。地鐵車輛輕量化設(shè)計(jì)涉及系統(tǒng)集成、輕量化材料使用和結(jié)構(gòu)輕量化優(yōu)化。本文對(duì)復(fù)合新材料在地鐵車輛輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方案及應(yīng)用效果進(jìn)行探討，并分析復(fù)合新材料在地鐵車輛輕量化設(shè)計(jì)中應(yīng)用創(chuàng)新思路。

1 復(fù)合新材料特質(zhì)及地鐵車輛設(shè)計(jì)基礎(chǔ)需求分析

為提升地鐵車輛性能、提高地鐵車輛質(zhì)量和降低地鐵車輛自重，進(jìn)而降低地鐵車輛運(yùn)行過程中的噪聲和減少能耗，在近些年的發(fā)展中，地鐵車輛制造用材料發(fā)生了顯著變化。地鐵車輛制造用材料由早期的普通碳鋼材料向耐候鋼材料轉(zhuǎn)變，并將不銹鋼材料逐步應(yīng)用于地鐵車輛制造；現(xiàn)階段，鋁合金材料已成為主流地鐵車輛制造用材料，大大提高了地鐵車輛的性能與質(zhì)量。發(fā)展至今，地鐵車輛設(shè)計(jì)人員正逐步探索將新興的復(fù)合材料應(yīng)用于地鐵車輛的設(shè)計(jì)與制造中。復(fù)合新材料在耐磨性、耐火性、堅(jiān)韌性及可持續(xù)利用性方面均具有領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，且輕量化復(fù)合新材料的應(yīng)用能在保證地鐵車輛安全與穩(wěn)定運(yùn)行的條件下不斷降低其自重。輕量化復(fù)合新材料的應(yīng)用不但提高了地鐵車輛的實(shí)際行駛性能，而且能夠有效降低車輛運(yùn)行中的噪聲并實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，這也恰恰滿足了地鐵車輛的現(xiàn)實(shí)需求，使城市軌道交通的整體運(yùn)行效率與安全系數(shù)均得到了顯著提升。

2 復(fù)合新材料在地鐵車輛輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 方向及應(yīng)用效果分析

為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)地鐵車輛輕量化設(shè)計(jì)的目標(biāo)，現(xiàn)階段各類新興復(fù)合材料被應(yīng)用于地鐵車輛各個(gè)模塊與組成部分的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)之中，如碳纖維材料、復(fù)合碳纖維材料等多種新興材料均在地鐵車輛輕量化設(shè)計(jì)中得到了一定的應(yīng)用。復(fù)合新材料的實(shí)際應(yīng)用主要體現(xiàn)在地鐵車輛外部結(jié)構(gòu)、內(nèi)部裝飾、中間夾層以及動(dòng)力元件的輕量化設(shè)計(jì)之中，而復(fù)合新材料在這些地鐵車輛組成部分的使用使地鐵車輛的運(yùn)行效率得到了不同程度的提升。

（1）復(fù)合新材料在地鐵車輛外部結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用及優(yōu)勢(shì)分析。在地鐵車輛的輕量化設(shè)計(jì)方案之中，外部結(jié)構(gòu)是復(fù)合新材料最早應(yīng)用的區(qū)域，如地鐵車輛車體的外殼、車頭和頂部等位置都采用了各類復(fù)合新材料來替代傳統(tǒng)的制造材料。通過使用這些復(fù)合新材料，地鐵車輛的整體自重進(jìn)一步下降，一方面降低了地鐵車輛行駛過程中所需消耗的能量和所產(chǎn)生的噪聲，另一方面為地鐵車輛外觀設(shè)計(jì)等做出了相應(yīng)貢獻(xiàn)。這不但與我國(guó)節(jié)能、環(huán)保和降耗的發(fā)展理念相契合，而且也使地鐵乘客獲得了更好的視覺感官體驗(yàn)。

（2）復(fù)合新材料在地鐵車輛內(nèi)部裝飾輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用及優(yōu)勢(shì)分析。在地鐵車輛的輕量化設(shè)計(jì)方案之中，車輛內(nèi)部裝飾材料的選擇與使用也逐漸由傳統(tǒng)的制造材料向復(fù)合新材料過渡。例如，在傳統(tǒng)地鐵車輛內(nèi)部的裝飾配件中，多采用合金制品、塑料制品和鐵銅制品，該類材料或多或少具有一定的應(yīng)用缺陷，如較為笨重、不耐磨、不耐腐蝕和不耐臟等。然而，通過使用新興復(fù)合材料來替代傳統(tǒng)材料，地鐵車輛內(nèi)的裝飾品及各類裝置的自重大大降低，這在一定程度上降低了地鐵車輛的整體自重，且有效提升了地鐵車輛內(nèi)部裝置的耐磨性、耐腐蝕性和耐臟性等各項(xiàng)性能。

（3）復(fù)合新材料在地鐵車輛中間夾層輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用及優(yōu)勢(shì)分析。地鐵車輛的中間夾層主要是指地鐵車輛外殼與地鐵車輛內(nèi)部空間之間的夾層。地鐵車輛中間夾層的設(shè)計(jì)是決定地鐵車輛總體自重最為關(guān)鍵的因素，也是實(shí)現(xiàn)地鐵車輛輕量化設(shè)計(jì)最為重要的決定性因素。各種復(fù)合新材料在地鐵車輛中間夾層中的使用能夠充分滿足地鐵車輛的輕量化設(shè)計(jì)需求。為保證地鐵車輛的行駛安全，在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案中，地鐵車輛中間夾層多采用高硬度和高密度的堅(jiān)硬合金材料。隨著新型復(fù)合新材料的研發(fā)和應(yīng)用，該類材料能夠在保持高硬度的同時(shí)顯著的降低材料自重。如將復(fù)合合金這些復(fù)合新材料應(yīng)用于地鐵車輛的中間夾層能夠在保證車身質(zhì)量及車輛行駛安全性的基礎(chǔ)上極大降低地鐵車輛的自重，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)地鐵車輛輕量化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

（4）復(fù)合新材料在地鐵車輛動(dòng)力元件輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用及優(yōu)勢(shì)分析。地鐵車輛設(shè)計(jì)人員近年正在研究將復(fù)合新材料應(yīng)用于地鐵車輛動(dòng)力元件的輕量化設(shè)計(jì)之中，以進(jìn)一步達(dá)到地鐵車輛輕量化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。通過使用各類新興技術(shù)，如立體制造技術(shù)、3D打印技術(shù)等，地鐵車輛的設(shè)計(jì)人員嘗試將復(fù)合新材料作為制作材料用于一些地鐵車輛動(dòng)力元件的輕量化設(shè)計(jì)，這在保證地鐵車輛能夠在正常、安全行駛的基礎(chǔ)上進(jìn)一步的降低車輛自重。

3 地鐵車輛輕量化設(shè)計(jì)方案中的復(fù)合新材料 應(yīng)用創(chuàng)新思路

考慮到地鐵車輛輕量化設(shè)計(jì)的迫切需求與復(fù)合新材料的蓬勃發(fā)展勢(shì)頭，在未來的地鐵車輛的輕量化設(shè)計(jì)中，相關(guān)人員仍應(yīng)對(duì)復(fù)合材料在地鐵車輛中的應(yīng)用進(jìn)行創(chuàng)新與實(shí)踐，不斷提升地鐵車輛運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降噪。首先，地鐵車輛設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步提高復(fù)合新材料在地鐵車輛輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用比例。盡管復(fù)合材料已經(jīng)被應(yīng)用于地鐵車輛車體的外部、內(nèi)部、中間夾層以及車輛動(dòng)力元件的設(shè)計(jì)中，但地鐵車輛中仍有大批部件可以使用復(fù)合新材料來制造，這有助于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)地鐵車輛輕量化設(shè)計(jì)目標(biāo)。其次，應(yīng)綜合分析復(fù)合新材料應(yīng)用于地鐵車輛輕量化設(shè)計(jì)的安全系數(shù)，這是保證復(fù)合新材料應(yīng)用可靠性與廣泛性的重要基礎(chǔ)。因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)針對(duì)該方面問題進(jìn)行充分的實(shí)驗(yàn)與測(cè)試，這對(duì)于復(fù)合新材料在地鐵車輛輕量化設(shè)計(jì)中的進(jìn)一步應(yīng)用而言意義重大。另外，隨著復(fù)合新材料在地鐵車輛中應(yīng)用比例的增加，逐步實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的綠色、可持續(xù)利用同樣十分重要，如在地鐵車輛輕量化設(shè)計(jì)中推廣復(fù)合新材料循環(huán)使用等理念。