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复合材料在轨道交通中的应用

来源:荣格国际复材技术商情 发布时间:2019-05-08 651
塑料橡胶材料处理、计量与检测模具及零件原料及混合物其他其他添加剂及母粒塑料加工设备化工增强塑料 技术前沿
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复合材料主要用于航天、航空, 先进武器系统等军事领域,近 些年,随着轨道车辆综合性能的提高,复合材料开始在轨道交通中广泛应用。轨道交通车辆有可能是继风电叶片后,大量使用碳纤维复合材料的另 一工业领域。

复合材料的优势

质轻强度高。以复合材料做成的构 件,质量小、强度高、刚性大,是一种理想的结构材料。复合材料比一般的金属材料的比强度、比模量要高出 1-5 倍。 可设计性强是纤维复合材料的最显著特点。它还具有高比强度和高比刚度,且可以在一个很宽的范围内变化,因此复 合材料可以通过材料选择、结构设计、 铺层设计等方法解决各种技术难题。

安全性高 ( 高疲劳强度和低缺口敏感度 )。其实在复合材料被用于轨道车 辆的结构件之前,就曾被用于制造航天 飞机、军用飞机、民用飞机中的结构件, 应用于高反应力领域。若有失效,很多 是因为动态承载结构件超过了疲劳强度而致使其破坏。金属材料也面临同样的 问题。金属材料的振动强度通常都比其 静态强度小得多。而复合材料的这两个数值几乎没有什么区别。承受连续振动 的金属结构件上有了缺口,很快就会导 致裂纹扩展并出现早期破坏,而在复合 材料中,力被转移到邻近层,因此缺口的影响大大降低。由于复合材料对扩展裂纹的敏感度很低。即使出现损伤,也 不致被立即破坏。

随着原材料的发展和工艺的进步, 复合材料的成本正在逐步降低。由于采用模块化设计及整体成型技术,大大降低了结构的复杂性,并减少了生产和总装所需要的工作量,降低了生产成本; 由于复合材料的耐疲劳、耐腐蚀等特性, 降低了维护、修理成本;由于减重,提高了运营能力,减少了能耗,寿命周期成本 (LCC) 得到了降低。

复合材料的优势满满满,目前复合材料主要是用作车内装饰、车体设备等非结构零件材料,但随着复合材料技术 的进步,近年来也不断用于车体等结构件上。

重量轻、阻燃的复合车厢地板

欧洲铁路运营商 Duetsche Bahn 的 ICE-3 快速列车的翻新,是复合材料满足客户特殊需求能力的一个例子。空调系统、 乘客娱乐系统和新座位的安装给 ICE-3 轨道车增加了不必要的重量。此外,原有的胶合板地板不符合新的欧洲防火标准。 该公司需要一种地板解决方案,可以帮助它减轻额外的重量,并符合防火标准—— 轻质复合地板正好符合这些要求。

总部位于德国的复合材料面料生产 商 Saertex 为地板提供了 LEO® 材料系统。Saertex Group 全球营销主管丹尼 尔 • 斯顿普 (Daniel Stumpp) 表示,LEO 是一种分层的非卷曲面料,比梭织面料复合材料在轨道交通中的应用具有更高的机械性能和更轻的重量潜 力。该四组分复合体系包括一种特殊的防火涂料、一种玻璃纤维增强材料、 SAERfoam® ( 一种集成 3d 玻璃纤维桥梁 的核心材料 ) 和 LEO 乙烯基酯树脂。

同样位于德国的复合材料制造商 SMT 使用由英国公司 Alan Harper 制造的可重复使用的硅真空袋,在真空灌注工艺中制造地板。

斯顿普说:“我们从以前的胶合板 上节省了大约 50% 的重量。”LEO 系 统采用无填充树脂的连续纤维层压板, 具有优异的机械性能。此外,复合材料不会腐烂,这是一个很大的优势,特别是在冬天下雪和地板非常潮湿的地区。 地板、地毯和顶部的橡胶材料都符合新的防火标准。

SMT 生产了超过 3.2 万平方英尺的面板,到目前为止,这些面板已安装在 ICE-3 8 节车厢列车的约三分之一上。 在翻新过程中,每个面板的尺寸都在优化,以适应特定的车厢。

ICE-3 列车的 OEM 没有参与地面翻新过程,但其对新的复合地板印象深刻,因此订购了复合车顶部分来替换轨道车辆上旧的金属车顶结构。

轨道转向架

再生碳纤维轨道车辆转向架

再生碳纤维在轨道车辆方面的研究项目源于英国铁路安全与标准委员会 (RSSB)发起的一项车辆动力学竞赛, 由于最终是 ELG 公司主导的轻型碳纤维轨道车辆转向架框架项目胜出,因此 RSSB 向 ELG 公司资助 125 万英镑,用于设计和制造轨道客运车辆再生碳纤维材料转向架原型。

ELG 碳纤维公司引领的一个公司联盟开发一种用于客车的 轻型复合材料轨道转向架框架。轨道转向架支撑车身,引导轮对并保持其稳定 性。它们通过吸收轨道的振动来帮助提高乘坐舒适性,并在列车弯曲时最小化离心力的影响。 ELG 公司是再生碳纤维产品专家, 该公司拥有从制造废料和终端零部件中回收碳纤维的一整套高效开发方法。其在再生碳纤维轨道车辆转向架项目中的 研究团队包括英国 Huddersfield 大学铁 路研究中心、阿尔斯通公司以及伯明翰大学传感器与符合材料研究中心在内的联合机构。

该项目的一个目标是生产比同类金属转向架轻 50% 的转向架。ELG 的产品开发工程师 Camille Seurat 说:“如 果转向架更轻,它对轨道的损坏会减少,这将减少维护的时间和成本,因为轨道上的负载会降低。将为运营商节省 大量成本开支。”其他目标是将横向轮轨力减少 40%,并提供终生状态监测。 英国非营利性铁路安全和标准委员会 (RSSB)正在资助该项目,目标是生产商业上可行的产品。

Magma Structures 负责转向架的设计和制造,并进行了大量的制造试验, 使用压制成型,传统的湿法成型,浸渍和高压釜固化预浸料制造了许多测试板。由于转向架将是限量生产,该公司选择在高压釜中固化的环氧预浸料作为最具成本效益的构建方法。

全尺寸转向架原型机长 8.8 英尺, 宽 6.7 英尺,高 2.8 英尺。它将由再生碳纤维(由 ELG 提供的非织造垫)和原始碳纤维织物的组合制成。单向纤维将用于主要强度元件,并将使用机器人技术将其放置在模具中。选择具有良好机械性能的环氧树脂将是一种新配方的阻燃环氧树脂,已通过EN45545-2认证, 可用于铁路。

与钢制转向架不同,钢制转向架由焊接到两个侧梁的横梁梁制成,复合转向架将被制造为独特的顶部和底部部分,然后粘合在一起。为了更换现有的金属转向架,复合型必须在同一位置安装悬架和制动器连接支架和其他配件。

Seurat 说:“目前,我们选择保留钢配件,但在未来的项目中,用复合配件替换钢配件可能会很有趣,这样我们就可以进一步减轻最终的重量。”

伯明翰大学 (University of Birmingham) 传感器与复合材料小组 (sensor and composites group) 是该联盟的成员之 一,该小组正在监督光纤监测传感器的开发,这些传感器将在制造阶段集成到复合转向架中。Seurat 说:“大多数传感器将集中于监测转向架上离散点的应变,以及其他温度传感器。”传感器将允许实时监测复合结构,允许收集寿命负载数据。这将为峰值负荷和长期疲劳提供有价值的信息。

初步研究表明,复合转向架应该能够达到预期的重量减少 50%。该项目团队希望在 2019 年年中有一个全尺寸转向架准备测试。如果原型车的性能符合预期,他们将生产更多转向架,用于测试由铁路运输公司阿尔斯通 (Alstom) 生产的铁路车辆。

Seurat 说,尽管还有很多工作要做, 但初步迹象表明,有可能生产出一种商业上可行的复合转向架,在成本和强度上都能与金属转向架竞争。她补充说: “( 在那之后 ) 我认为复合材料在铁路行业有很多选择和潜在的应用。”

我国复合地铁车辆和轻轨车

去年,在德国举行的柏林国际轨道交通技术展上,中车四方股份公司发布了新一代碳纤维地铁车辆 “CETROVO”。该车采用大量新材料、 新技术研制,在节能环保、舒适、智能等方面对传统地铁车辆作了全面升级。

中车四方股份公司副总工程师丁叁叁介绍,新一代地铁车辆实现了碳纤维复合材料在车体、转向架构架、司机室 等车辆主承载结构上的全面应用,特别是成功突破了碳纤维大型复杂件结构设 计、制造成型等关键技术,使车辆大幅“瘦身”。与采用钢、铝合金等传统金属材料相比,新一代碳纤维地铁车辆的车体、 司机室、设备舱分别减重 30% 以上,转向架构架减重 40%,整车减重 13%。

“虽然制造成本高于传统金属材料,但碳纤维复合材料更加轻量化,节能优势明显,可有效保证列车在 30 年服役期内不发生疲劳、腐蚀等问题,减少了维护量,因此能够降低全寿命周期成本。”丁叁叁说。据测算,新一 代地铁车辆可综合节能 15% 以上;同时,能够在高温高湿、零下 40℃高寒、 2500 米高海拔等复杂环境下运行。

此外,新一代地铁车辆还是高度智 能化的“智慧列车”。车窗变身为触控显示屏,成为能传达各种图文视频信息的“魔窗”。据悉,新一代碳纤维地铁车辆下一步将开展试验和线路试运行。

几乎与此同时,由中车长春轨道客车股份有限公司(简称“中车长客”) 研制的复合材料轻轨车——武汉东湖 “光谷量子号”,在长春轨道交通展上首次面向公众展出。

该车车体采用了复合材料车体技术,不仅给整车带来轻量化、安全性、 舒适性、使用寿命等方面的提高,还完善了涵盖设计、制造、试验和验证全过程的地铁复合材料车体技术平台,更验证了复合材料在轨道交通工业化生产应 用的方向和实施路径。

“光谷量子号”是中车长客研制的国内首列具有完全自主知识产权的无网超能有轨电车。充满未来感的外形,极富灵动美的曲线,设计时速 80 公里, 最高可容纳 368 人。“光谷量子号”的超能电容存储技术全国首创,充电两分 钟就可以跑 10 公里;碳纤维复合材料车体,实现轻量化设计,有效降低车辆自重,降低能耗,更节能、更环保。

该列车充分发挥了碳纤维复合材料的优越特点,用更轻的材料完成与金属 材料同等的结构设计,使整车较同类不锈钢车体减重约 30%,从而对提高车体的运载能力、降低能源消耗、降低全寿命周期成本、减少线路损害等具有重大意义。车体使用的复合材料隔热性能强, 能够与防寒材相媲美,保证车体内部始终保持舒适的温度;复合材料车体的隔声性能和减振性能同样优于金属车体 , 大大降低列车运行过程中产生的内部噪声和振动,有效提高乘坐的舒适性。

碳纤维复合材料的应用让该车体具有优异的抗疲劳、耐酸碱腐蚀性,相比金属车体,大大减少对疲劳裂纹与腐蚀退化的检测和修理成本,使车体结构具有更高的安全性、可靠性和维修经济性。 碳纤维复合材料具有可设计性强、可一体化成型的特点,应用碳纤维复合材料的车体最大限度地实现部件整合、零件 整合,通过模具一体成型。提高了车体尺寸精度和外观质量。

据悉,中车长客本次展出的碳纤维复合材料轻轨车,将最终交付给武汉, 届时将作为世界首辆用于运营的全复合材料轨道列车。它的研制成功进一步推动了碳纤维复合材料在轨道交通的大批量工业化生产应用,拓展了碳纤维复合材料产业的应用市场。

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