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碳纖維復(fù)合材料在軌道交通中的應(yīng)用挑戰(zhàn)

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碳纖維復(fù)合材料在高端醫(yī)療、汽車、航空航天等都有廣泛的應(yīng)用,但是針對碳纖維在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用,卻知之甚少。這主要是由關(guān)鍵技術(shù)、研發(fā)水平以及使用成本等因素導(dǎo)致,但隨著研究的深入,國內(nèi)碳纖維產(chǎn)業(yè)的環(huán)境也在發(fā)生著翻天覆地的變化。當(dāng)碳纖維復(fù)合材料與傳統(tǒng)金屬材料擁有相等的競爭力時,碳纖維復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域?qū)l(fā)揮出更重要的作用。

在輕量化方面,軌道列車的能量消耗主要是用來克服運行的阻力,包括列車滾動的阻力、重力、加速阻力和空氣阻力等。以蘇州某鋁合金地鐵列車為例,一列車每公里能量消耗約為10KWh,運行150000km,大約消耗540000GJ能量,其中有25%的能量是用于克服車體重量,20%的能量用于克服車內(nèi)裝載的貨物重量,剩余的5%用于克服車體的承載結(jié)構(gòu)重量。

而碳纖維復(fù)合材料密度僅有1.7g/cm3,若車體采用不銹鋼增強(qiáng)骨架,側(cè)墻體和頂蓋采用鋁蜂窩夾芯,蒙皮采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料構(gòu)成三明治結(jié)構(gòu),這樣的車體外殼總質(zhì)量可比鋁合金結(jié)構(gòu)降低約30%以上,根據(jù)試驗數(shù)據(jù),地鐵列車每減重30%,每公里能量消耗可以減少8100GJ。

當(dāng)然,碳纖維復(fù)合材料在軌道交通方面的應(yīng)用不僅僅限于它的輕量化,軌道車輛的制造過程中還需要考慮到車體的使用壽命、靜強(qiáng)度、剛度等技術(shù)要求。車輛設(shè)計使用壽命預(yù)計至少在30年以上,車體材料必須保證在30年的工作載荷中不得產(chǎn)生疲勞失效,并具有一定的拉伸載荷力以及極小的變形性。

例如軌道列車車體需滿足在AWO載荷工況(整備重量)時上撓度小于兩轉(zhuǎn)向架距離的1/1000mm,并保證在所有載荷下車門能正常工作;列車車體在承受各種較大垂直載荷的同時,沿車鉤安裝縱向水平方向施加1200KN的靜壓載荷,拉伸載荷800KN,車體應(yīng)力不超過設(shè)計許用應(yīng)力。除此之外,軌道車輛的制造材料還必須滿足隔聲、隔熱、防火安全、振動等要求。面對這些要求,碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用表現(xiàn)都十分優(yōu)異。

目前,碳纖維復(fù)合材料在軌道交通方面也出現(xiàn)了很多成功案例。例如德國福伊特公司推出的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料過渡車鉤,總質(zhì)量僅23kg,比鋼鐵過渡車鉤減重一半;日本鐵道綜合技術(shù)研究所與東日本客運鐵道公司聯(lián)合研制的CFRP高速列車車頂,使每節(jié)車廂減重300-500kg;國內(nèi)方面,已有部分企業(yè)開始在500km/h的高速試驗車上采用了碳纖維復(fù)合材料車頭罩。

那么現(xiàn)階段,碳纖維復(fù)合材料在軌道交通中的相關(guān)應(yīng)用已經(jīng)成熟了嗎?對此,在碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用方面擁有豐富經(jīng)驗的蘇州挪恩復(fù)合材料研發(fā)部的陳工持反對意見。

陳工認(rèn)為現(xiàn)階段碳纖維復(fù)合材料在軌道車輛中的應(yīng)用還多以與金屬材料混合的形式為主,單純性的應(yīng)用多集中在非承載、小型、局部性構(gòu)件上,整體的材料用量比例還很小,要想取得CFRP構(gòu)件的更廣泛的應(yīng)用,除了盡可能地降低成本外,模塊化成型問題也很重要,因為,復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上的性能很大程度上依賴于連接的方式,如果模塊過多,需要裝配連接的零件數(shù)量也越多,這會影響到車體對抗振動的能力。

可見,碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于軌道交通的實際障礙還是技術(shù),關(guān)鍵性的技術(shù),不僅是設(shè)計技術(shù)、成型技術(shù),還有整體裝配技術(shù)。

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