軌道交通車輛工業(yè)領(lǐng)域可能是繼風(fēng)電葉片之后，大量使用碳纖維復(fù)合材料的又一工業(yè)領(lǐng)域。隨著原材料的不斷發(fā)展和工藝的改進(jìn)創(chuàng)新，碳纖維復(fù)合材料在軌道交通應(yīng)用中正在逐步降低生產(chǎn)成本。
由于采用模塊化設(shè)計(jì)及整體成型技術(shù)，大大降低了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，并減少了生產(chǎn)和總裝所需要的工作量，降低了生產(chǎn)成本；由于復(fù)合材料的耐疲勞、耐腐蝕等特性，降低了維護(hù)、修理成本；由于減重，提高了運(yùn)營(yíng)能力，減少了能耗，壽命周期成本(LCC)得到了降低。
重量輕、阻燃的復(fù)合材料車廂地板
歐洲鐵路運(yùn)營(yíng)商Duetsche Bahn的ICE-3快速列車的翻新，是復(fù)合材料滿足客戶特殊需求能力的一個(gè)例子?？照{(diào)系統(tǒng)、乘客娛樂(lè)系統(tǒng)和新座位的安裝給ICE-3軌道車增加了不必要的重量。此外，原有的膠合板地板不符合新的歐洲防火標(biāo)準(zhǔn)。該公司需要一種地板解決方案，可以幫助它減輕額外的重量，并符合防火標(biāo)準(zhǔn)——輕質(zhì)復(fù)合地板正好符合這些要求。
總部位于德國(guó)的復(fù)合材料面料生產(chǎn)商Saertex為地板提供了LEO®材料系統(tǒng)。Saertex Group全球營(yíng)銷主管丹尼爾•斯頓普(Daniel Stumpp)表示，LEO是一種分層的非卷曲面料，比梭織面料具有更高的機(jī)械性能和更輕的重量潛力。該四組分復(fù)合體系包括一種特殊的防火涂料、一種玻璃纖維增強(qiáng)材料、SAERfoam®(一種集成3d玻璃纖維橋梁的核心材料)和LEO乙烯基酯樹(shù)脂。
同樣位于德國(guó)的復(fù)合材料制造商SMT使用由英國(guó)公司Alan Harper制造的可重復(fù)使用的硅膠真空袋，在真空灌注工藝中制造地板。
LEO系統(tǒng)采用無(wú)填充樹(shù)脂的連續(xù)纖維層壓板，具有優(yōu)異的機(jī)械性能。此外，復(fù)合材料不會(huì)腐爛，這是一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)，特別是在冬天下雪和地板非常潮濕的地區(qū)。地板、地毯和頂部的橡膠材料都符合新的防火標(biāo)準(zhǔn)。
ICE-3列車的OEM沒(méi)有參與地面翻新過(guò)程，但其對(duì)新的復(fù)合地板印象深刻，因此訂購(gòu)了復(fù)合材料車頂部分來(lái)替換軌道車輛上舊的金屬車頂結(jié)構(gòu)。
再生碳纖維軌道車輛轉(zhuǎn)向架
再生碳纖維在軌道車輛方面的研究項(xiàng)目源于英國(guó)鐵路安全與標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)（RSSB）發(fā)起的一項(xiàng)車輛動(dòng)力學(xué)競(jìng)賽，由于最終是ELG公司主導(dǎo)的輕型碳纖維軌道車輛轉(zhuǎn)向架框架項(xiàng)目勝出，因此RSSB向ELG公司資助125萬(wàn)英鎊，用于設(shè)計(jì)和制造軌道客運(yùn)車輛再生碳纖維材料轉(zhuǎn)向架原型。ELG碳纖維公司引領(lǐng)的一個(gè)公司聯(lián)盟開(kāi)發(fā)一種用于客車的輕型復(fù)合材料軌道轉(zhuǎn)向架框架。軌道轉(zhuǎn)向架支撐車身，引導(dǎo)輪對(duì)并保持其穩(wěn)定性。它們通過(guò)吸收軌道的振動(dòng)來(lái)幫助提高乘坐舒適性，并在列車彎曲時(shí)最小化離心力的影響。
ELG公司是再生碳纖維產(chǎn)品專家，該公司擁有從制造廢料和終端零部件中回收碳纖維的一整套高效開(kāi)發(fā)方法。其在再生碳纖維軌道車輛轉(zhuǎn)向架項(xiàng)目中的研究團(tuán)隊(duì)包括英國(guó)Huddersfield大學(xué)鐵路研究中心、阿爾斯通公司以及伯明翰大學(xué)傳感器與符合材料研究中心在內(nèi)的聯(lián)合機(jī)構(gòu)。
該項(xiàng)目的一個(gè)目標(biāo)是生產(chǎn)比同類金屬轉(zhuǎn)向架輕50%的轉(zhuǎn)向架。ELG的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工程師Camille Seurat說(shuō)：“如果轉(zhuǎn)向架更輕，它對(duì)軌道的損壞會(huì)減少，這將減少維護(hù)的時(shí)間和成本，因?yàn)檐壍郎系呢?fù)載會(huì)降低。將為運(yùn)營(yíng)商節(jié)省大量成本開(kāi)支。”其他目標(biāo)是將橫向輪軌力減少40%，并提供終生狀態(tài)監(jiān)測(cè)。英國(guó)非營(yíng)利性鐵路安全和標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)（RSSB）正在資助該項(xiàng)目，目標(biāo)是生產(chǎn)商業(yè)上可行的產(chǎn)品。
Magma Structures負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)和制造，并進(jìn)行了大量的制造試驗(yàn)，使用壓制成型，傳統(tǒng)的濕法成型，浸漬和高壓釜固化預(yù)浸料制造了許多測(cè)試板。由于轉(zhuǎn)向架將是限量生產(chǎn)，該公司選擇在高壓釜中固化的環(huán)氧預(yù)浸料作為最具成本效益的構(gòu)建方法。
全尺寸轉(zhuǎn)向架原型機(jī)長(zhǎng)8.8英尺，寬6.7英尺，高2.8英尺。它將由再生碳纖維（由ELG提供的非織造墊）和原始碳纖維織物的組合制成。單向纖維將用于主要強(qiáng)度元件，并將使用機(jī)器人技術(shù)將其放置在模具中。選擇具有良好機(jī)械性能的環(huán)氧樹(shù)脂將是一種新配方的阻燃環(huán)氧樹(shù)脂，已通過(guò)EN45545-2認(rèn)證，可用于鐵路。
與鋼制轉(zhuǎn)向架不同，鋼制轉(zhuǎn)向架由焊接到兩個(gè)側(cè)梁的橫梁梁制成，復(fù)合轉(zhuǎn)向架將被制造為獨(dú)特的頂部和底部部分，然后粘合在一起。為了更換現(xiàn)有的金屬轉(zhuǎn)向架，復(fù)合型必須在同一位置安裝懸架和制動(dòng)器連接支架和其他配件。
Seurat說(shuō)：“目前，我們選擇保留鋼配件，但在未來(lái)的項(xiàng)目中，用復(fù)合配件替換鋼配件可能會(huì)很有趣，這樣我們就可以進(jìn)一步減輕最終的重量。”
初步研究表明，復(fù)合轉(zhuǎn)向架應(yīng)該能夠達(dá)到預(yù)期的重量減少50%。該項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)希望在2019年年中有一個(gè)全尺寸轉(zhuǎn)向架準(zhǔn)備測(cè)試。如果原型車的性能符合預(yù)期，他們將生產(chǎn)更多轉(zhuǎn)向架，用于測(cè)試由鐵路運(yùn)輸公司阿爾斯通(Alstom)生產(chǎn)的鐵路車輛。
我國(guó)新一代復(fù)合材料地鐵車輛和輕軌車
去年，在德國(guó)舉行的柏林國(guó)際軌道交通技術(shù)展上，中車四方股份公司發(fā)布了新一代碳纖維地鐵車輛“CETROVO”。該車采用大量新材料、新技術(shù)研制，在節(jié)能環(huán)保、舒適、智能等方面對(duì)傳統(tǒng)地鐵車輛作了全面升級(jí)。
中車四方股份公司副總工程師丁叁叁介紹，新一代地鐵車輛實(shí)現(xiàn)了碳纖維復(fù)合材料在車體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、司機(jī)室等車輛主承載結(jié)構(gòu)上的全面應(yīng)用，特別是成功突破了碳纖維大型復(fù)雜件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造成型等關(guān)鍵技術(shù)，使車輛大幅“瘦身”。與采用鋼、鋁合金等傳統(tǒng)金屬材料相比，新一代碳纖維地鐵車輛的車體、司機(jī)室、設(shè)備艙分別減重30%以上，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架減重40%，整車減重13%。
“雖然制造成本高于傳統(tǒng)金屬材料，但碳纖維復(fù)合材料更加輕量化，節(jié)能優(yōu)勢(shì)明顯，可有效保證列車在30年服役期內(nèi)不發(fā)生疲勞、腐蝕等問(wèn)題，減少了維護(hù)量，因此能夠降低全壽命周期成本。”丁叁叁說(shuō)。
據(jù)測(cè)算，新一代地鐵車輛可綜合節(jié)能15%以上；同時(shí)，能夠在高溫高濕、零下40℃高寒、2500米高海拔等復(fù)雜環(huán)境下運(yùn)行。
幾乎與此同時(shí)，由中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司研制的復(fù)合材料輕軌車——武漢東湖“光谷量子號(hào)”，在長(zhǎng)春軌道交通展上首次面向公眾展出。
該車車體采用了復(fù)合材料車體技術(shù)，不僅給整車帶來(lái)輕量化、安全性、舒適性、使用壽命等方面的提高，還完善了涵蓋設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和驗(yàn)證全過(guò)程的地鐵復(fù)合材料車體技術(shù)平臺(tái)，更驗(yàn)證了復(fù)合材料在軌道交通工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用的方向和實(shí)施路徑。
該列車充分發(fā)揮了碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)越特點(diǎn)，用更輕的材料完成與金屬材料同等的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使整車較同類不銹鋼車體減重約30%，從而對(duì)提高車體的運(yùn)載能力、降低能源消耗、降低全壽命周期成本、減少線路損害等具有重大意義。
車體使用的復(fù)合材料隔熱性能強(qiáng)，能夠與防寒材相媲美，保證車體內(nèi)部始終保持舒適的溫度；復(fù)合材料車體的隔聲性能和減振性能同樣優(yōu)于金屬車體,大大降低列車運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)部噪聲和振動(dòng)，有效提高乘坐的舒適性。
據(jù)悉，中車長(zhǎng)客本次展出的碳纖維復(fù)合材料輕軌車，將最終交付給武漢，屆時(shí)將作為世界首輛用于運(yùn)營(yíng)的全復(fù)合材料軌道列車。它的研制成功進(jìn)一步推動(dòng)了碳纖維復(fù)合材料在軌道交通的大批量工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用，拓展了碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用市場(chǎng)。（文章來(lái)源：榮格塑料工業(yè)）
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