碳纤维在轨道交通上的典型应用和发展分析

  车体结构是轨道机车重要的承载部件,其重量在整车中所占的比例较大,一般在15% ~ 30%,因此要实现车辆的减重提速,就必须重点考虑车体结构的轻量化。目前铝合金仍然是车体轻量化的主要材料,随着车辆轻量化要求越来越高,复合材料尤其是碳纤维复合材料已成为下一步的重点研发方向。

  国外用于轨道交通装备上的纤维增强复合材料多为碳纤维或玻璃纤维增强复合材料,其也经历了从非承载结构到主承载结构的发展过程。典型的应用案例如:日本新干线N700系高速列车车体车顶、蒙皮、导电弓架边缘和窗框采用碳纤维增强复合材料;日本川崎重工开发的“efWING”转向架是全世界首例主承载结构采用碳纤维增强树脂基复合材料的案例,将原来刚性焊接转向架的构架改为柔性结构,减重达40%。

  这对国内轨道交通领域的复材应用同样适用,包括轨道交通领域比较关心的低成本问题,其实不单纯是碳纤维价格的问题,首要的问题依然是设计。

  其车体外壳采用碳纤维蒙皮铝蜂窝夹芯结构,在夹芯结构中嵌入不锈钢长方形型材以改善车体的结构刚度,采用不锈钢底架以便于安装辅助设备。与老车型相比,TTX列车车体重量减轻约39%,重心下降约15%。

  综合目前碳纤维在轨道机车上的应用情况,虽然国内外在研发方面都取得了长足的进步,但离大规模工业化应用依然有一定的距离。

  在轨道交通领域对复合材料的研发应用有个共识,即设计是龙头、材料是基础、制造是关键、应用是目的、维护是保障,其中最关键的当属设计。包括轨道交通领域比较关心的低成本问题,其实不单纯是碳纤维价格的问题,首要的问题依然是设计,因为对碳纤维复合材料来讲,低成本不单纯是材料的低成本,还应包括设计和制造的低成本。

  回顾碳纤维风电叶片实现产业化的关键就是产品在结构设计思路上的突破,轨道交通行业碳纤维应用产业化的突破也必须首先在设计理念上进行创新,既要继承传统工业领域的碳纤维复合材料技术,又需要对应用不断地拓展。