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。空調(diào)系統(tǒng)、乘客娛樂系統(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乙烯基酯樹脂。
同樣位于德國的復(fù)合材料制造商SMT使用由英國公司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)采用無填充樹脂的連續(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沒有參與地面翻新過程，但其對(duì)新的復(fù)合地板印象深刻，因此訂購了復(fù)合材料車頂部分來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。它們通過吸收軌道的振動(dòng)來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)品開發(fā)工程師Camille Seurat說：“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)氧樹脂將是一種新配方的阻燃環(huán)氧樹脂，已通過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：“目前，我們選擇保留鋼配件，但在未來的項(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。
我國新一代復(fù)合材料地鐵車輛和輕軌車
去年，在德國舉行的柏林國際軌道交通技術(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。
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)。（文章來源：榮格塑料工業(yè)）
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