碳纖維復(fù)合材料在軌道車輛車體上的應(yīng)用概述

周海鵬，武舒然，張小龍，任天昊

（北京軌道交通技術(shù)裝備集團(tuán)有限公司，北京 100071）

隨著社會(huì)發(fā)展和人們高質(zhì)量消費(fèi)需求的提升，未來軌道交通車輛將朝著舒適、安全、綠色、低能耗的方向發(fā)展[1]。軌道交通車輛的輕量化可有效促進(jìn)軌道交通運(yùn)營中的節(jié)能減排，是響應(yīng)習(xí)總書記“碳達(dá)峰”“碳中和”號(hào)召，實(shí)現(xiàn)軌道交通發(fā)展目標(biāo)的重要途徑。

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Carbon Fiber-reinforced Polymer，CFRP）具有比強(qiáng)度高、比重小、比模量高等優(yōu)點(diǎn)，且抗疲勞性能及耐腐蝕性能優(yōu)異[2]，CFRP材料的應(yīng)用是軌道車輛減重降耗的重要手段。作為軌道車輛的主要承載結(jié)構(gòu)，車體結(jié)構(gòu)的輕量化是軌道車輛減重的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在車體結(jié)構(gòu)上應(yīng)用CFRP材料能夠大幅降低車輛自重，提升車輛性能。然而，受生產(chǎn)成本、設(shè)計(jì)周期、運(yùn)行維護(hù)等因素的制約，目前國內(nèi)外應(yīng)用CFRP材料的車體結(jié)構(gòu)較少，多為概念車體，尚沒有實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的案例。本文概述了CFRP材料在國內(nèi)外軌道車輛輕量化車體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用情況，總結(jié)了CFRP材料在車體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用特點(diǎn)，同時(shí)對輕量化材料在車體結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用提出了幾點(diǎn)思考。

1 國內(nèi)外應(yīng)用情況概述

1.1 瑞士-辛德勒（Schindler）列車

最早嘗試采用CFRP材料制造列車車體的是瑞士的辛德勒列車，如圖1所示[3]。該車于20世紀(jì)90年代初期由瑞士Schindler公司設(shè)計(jì)制造，采用石墨纖維/環(huán)氧復(fù)合材料面板，同時(shí)采用蜂窩夾層復(fù)合材料形成以CFRP為主的整體式車體結(jié)構(gòu)。該車在運(yùn)行試驗(yàn)中達(dá)到了140 km/h的時(shí)速，但因?yàn)槔p繞工藝復(fù)雜，并未量產(chǎn)。

圖1 辛德勒列車

1.2 法國-雙層TGV高鐵列車

2000年左右，法國國營鐵路公司（SNCF）制造了一款雙層TGV高鐵列車，如圖2所示[3]。該車采用了碳纖維和玻璃纖維混合織物的夾層結(jié)構(gòu)，形成了CFRP材料的整體式車體結(jié)構(gòu)。該車較鋁合金車體減重達(dá)25%，運(yùn)行測試速度達(dá)到350 km/h，但并未投入實(shí)際使用。

圖2 法國雙層TGV高鐵列車

1.3 瑞典-C20 FICA列車

瑞典研發(fā)的C20 FICA型列車如圖3所示，該車于2003年投入運(yùn)營[4]。該車采用CFRP材料的分體式結(jié)構(gòu)，側(cè)墻、地板和車頂?shù)却蟛考捎肞MI泡沫夾芯不銹鋼三明治結(jié)構(gòu)，各大部件之間通過螺栓連接。該車運(yùn)行速度達(dá)到80～90 km/h，與鋁合金結(jié)構(gòu)相比，側(cè)墻總厚度減少120 mm，過道空間增加30%，空車質(zhì)量降低約8%。

圖3 瑞典C20 FICA列車

1.4 日本-N700系列高速列車

日本在2005年對原700系列高速列車進(jìn)行了升級(jí)改造，采用CFRP材料制造車頂，形成N700系列[5]。與700系列相比，列車車頂減重500 kg，進(jìn)而降低了車輛重心，提高了氣密強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)加速性能提高62.5%，最高速度提高8%。

1.5 韓國-TTX擺式列車

韓國TTX（Tilting Train Express）擺式列車由韓國鐵路研究所（KRRI）和韓國制造商聯(lián)合研制，于2010年投入商業(yè)化運(yùn)營，該車如圖4（a）所示。該車采用分體式結(jié)構(gòu)，其中車頂、側(cè)墻和端墻采用三明治夾芯復(fù)合材料，底架采用SMA490B不銹鋼材料，大部件之間采用鉚釘連接，車體結(jié)構(gòu)如圖4（b）所示[6]。其中，三明治夾芯結(jié)構(gòu)采用1.5 mm的CFRP內(nèi)蒙皮及3.5 mm的CFRP外蒙皮，中間為40 mm厚的鋁蜂窩夾芯。該車在測試運(yùn)行中最高達(dá)到了200 km/h的運(yùn)行速度。與鋁合金結(jié)構(gòu)相比，該車質(zhì)量減輕約39%，車體重心下降約15%。

圖4 韓國TTX擺式列車

1.6 中車長客-光谷量子號(hào)

與國外相關(guān)主機(jī)廠相比，國內(nèi)針對使用輕量化材料的軌道車輛車體結(jié)構(gòu)研究起步較晚，但發(fā)展迅猛。2018年1月，中車長春軌道客車股份有限公司與江蘇恒神公司聯(lián)合研制出主承載結(jié)構(gòu)均由CFRP材料加工成型的輕軌車車體，如圖5所示。該車于2018年8月在武漢東湖線實(shí)現(xiàn)商業(yè)運(yùn)營，得名“光谷量子號(hào)”，是世界首輛采用CFRP車體的地鐵列車[7-8]。該車體長約19 m，寬約2.8 m，較鋁合金車體減重25%，固有頻率提高18%以上，最高運(yùn)行速度達(dá)到100 km/h。

圖5 中車長客“光谷量子號(hào)”列車

1.7 中車四方-CETROVO

2018年9月，中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司聯(lián)合中德軌道聯(lián)合研發(fā)中心（CG Rail）共同設(shè)計(jì)開發(fā)了全碳纖維地鐵車“CETROVO”，實(shí)現(xiàn)了CFRP材料在司機(jī)室、車體、轉(zhuǎn)向架等結(jié)構(gòu)件中的全面應(yīng)用，使司機(jī)室、設(shè)備艙減重30%以上，整車減重13%，如圖6所示。該車是迄今為止在軌道機(jī)車上大規(guī)模應(yīng)用CFRP的典范，目前已完成線路試驗(yàn)和運(yùn)行示范[8-10]。

圖6 中車四方“CETROVO”列車

2 結(jié)束語

總體來看，目前國內(nèi)外應(yīng)用CFRP材料的軌道車輛車體結(jié)構(gòu)寥寥無幾，尚未出現(xiàn)可以滿足量產(chǎn)需求的應(yīng)用案例，其主要原因有以下幾點(diǎn)。

一方面，CFRP材料具有比重小、比強(qiáng)度高、比模量高等特點(diǎn)，應(yīng)用在車體結(jié)構(gòu)上具有良好的減重效果，且能夠獲得良好的減振隔熱性和隔熱阻燃性，提高車輛性能。同時(shí)，CFRP材料的耐疲勞性能好，使用壽命長，與傳統(tǒng)金屬材料相比，一般不需要進(jìn)行專門的疲勞性能分析。此外，CFRP材料的可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式。

另一方面，CFRP材料目前的生產(chǎn)成本居高不下，設(shè)計(jì)、生產(chǎn)新車型的前期投入巨大，現(xiàn)有模式尚不能滿足量產(chǎn)需求。同時(shí)，CFRP材料目前在制造、維護(hù)和回收等環(huán)節(jié)的高耗能、高污染等問題尚未解決，未滿足可持續(xù)發(fā)展要求，能否實(shí)現(xiàn)低碳環(huán)保的制造與回收，是制約CFRP等復(fù)合材料大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵問題。此外，目前CFRP材料的產(chǎn)品性能一致性還有待提高，且在車體結(jié)構(gòu)上的工程應(yīng)用案例較少，尚未形成成熟的操作規(guī)范及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，這些問題都制約著CFRP材料在軌道車輛車體結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用及發(fā)展。

從現(xiàn)有的少數(shù)應(yīng)用案例來看，無論是采用整體式還是分體式結(jié)構(gòu)，全車體均采用CFRP材料的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)難度較大，成本也很難控制，要滿足輕量化軌道車輛的市場需求還有很長的路要走。相比之下，僅在車頂?shù)却蟛考褂肅FRP等復(fù)合材料，底架等主要承載大部件仍使用金屬結(jié)構(gòu)的混合結(jié)構(gòu)方案更容易實(shí)現(xiàn)，能在一定程度上降低車體重量，還能改善車體重量分布，也能實(shí)現(xiàn)一定程度的減重降耗、節(jié)能減排，可以作為近期車體結(jié)構(gòu)應(yīng)用輕量化材料的主要發(fā)展方向。