先进复合材料轨道交通车辆轻量化发展与思考

1、 先进复合材料轨道交通车辆轻量化发展与思考 章潇慧轨道交通是一种充分利用物理空间、对空间进行三维拓展的交通方式，具有运输能力大、准时性高、安全性高、环境污染少等特点。大力发展轨道交通，是拉动区域经济的有效手段，是解决城市交通拥堵的根本方法，世界各国均认同这一理念。近年来，我国高度重视轨道交通技术及产业发展，已经成为世界领先的轨道交通强国。同时，国家为促进轨道交通产业的发展，出台了一系列利好政策：2015年1月12日，我国发展和改革委员会发布关于加强城市轨道交通规划建设管理的通知；2015年5月8日国务院发布的中国制造2025，先进轨道交通装备被列为10大重点发展领域之一；2016年5月，国家发

2、展改革委联合交通运输部印发交通基础设施重大工程建设三年行动计划，其中指出2016-2018年拟新建城市轨道交通2 000km以上，涉及的投资达1.6万亿元。在一系列国家级的顶层设计方案的指引下，各地方政府也相继推出支持轨道交通建设的方案。在国家政策的扶植与引导和现实需求的牵引下，我国轨道交通技术及产业发展进入了加速阶段。根据中国铁路总公司公布的数据，截至2017年底，全国铁路营业里程达到12.7万km，比2016年增长2.4%（图1），其中，高速铁路营业里程达到2.5万km。全国铁路路网密度132.2 km/万km2，比2016年增加3.0 km/万km2。其中，复线里程7.2万km，比201

3、6年增长5.4%，复线率56.5%，比2016年提高1.6%；电气化里程8.7万km，比2016年增长7.8%，电化率68.2%，比2016年提高3.4%。西部地区铁路营业里程5.2万km，比2016年增加1 663.5km，增长3.3%。有分析指出，“十三五”期间，中国轨道交通产业完成的投资量比“十二五”期间将增加 50%70%，近年来，大铁路、城际和城轨产业年均的投资额均在万亿元人民币以上。轨道交通技术及产业蕴藏十分丰富的投资机会与发展潜力，对于轨道交通这个庞大的产业体系而言，新材料的应用与发展，将为轨道交通产业带来无限的商机。材料是轨道交通产业链中最上游、最基础的一段，支持着整个轨道交通

4、产业。与轨道交通产业相关的材料众多，包括机车车辆与关键部件材料、车轮用材料、机车表面涂层与防腐材料、减振降噪材料、路基材料等。随着轨道交通行业技术的不断发展，其对材料的轻量化需求也愈加显著。轻量化对于车辆减重、提速、降噪、降低能源消耗具有重要的意义。通过新材料的替换以及材料工艺技术的进步，可有效提升装备的轻量化水平。一大批轻量化材料，如先进复合材料、新型铝合金、高强度镁合金应等，为轨道交通装备的轻量化、减重提供了保障。以碳纤维复合材料为主要发展趋势的先进复合材料，是国民经济与国防建设不可缺少的重要新型战略材料，也是轨道交通轻量化的重要发展手段。与传统金属材料相比，碳纤维复合材料具有密度小、强度

5、高、模量高等特点，并且在隔声、隔热、减振、防腐等方面性能优异，广泛适用于高端装备的承载结构。“十三五”国家科技创新规划中国制造2025均将碳纤维复合材料作为战略产业进行重点突破，中国中车科技发展“十三五”规划明确提出“重点突破基于碳纤维等复合材料在轨道交通领域的应用”。1 先进复合材料轨道交通车辆应用现状轨道交通车体结构对牵引能耗的影响程度最大，是正常减重、轻量化的主要部件，其质量约占整车的15%30%。若动车组车辆质量减轻100 kg，则运行中可节能约100GJ牵引能量。目前的轨道车辆车体材料包括耐候钢或低合金钢、高强度钢、铝合金、不锈钢等。其中，海洋性气候的沿海地区和高原地区主要使用耐腐蚀

6、的不锈钢；耐候钢和低合金高强度钢主要用于车体底架部件，牵引梁、枕梁、缓冲梁等；大多数国产车体结构端底架部位采用耐候钢、低合金高强度钢（主要因为其良好的焊接性和疲劳强度）；其余承载部分采用 SUS301L系列奥氏体不锈钢。实现车体结构质量减轻的重要方法是轻量化选材和结构设计。与钢、铝等传统金属材料相比，碳纤维复合材料为主的先进复合材料在轻量化、节能、电磁屏蔽、碰撞吸能等方面具有明显的优势。例如，采用碳纤维复合材料制作的司机室头罩具，抗冲击性能明显提升，当承受350kN的静载荷时，抵挡1kg铝弹的660 km/h的高速冲击；高速列车车体和转向架采用碳纤维，减重49%，轻量化节能效果显著。国际上碳纤

7、维复合材料在轨道列车的应用集中于车体、转向架、车外设备和车内装饰。案例一：日本新型新干线N700系高速列车CFRP部件，利用碳纤维复合材料，设计和制造了分车体蒙皮、绝缘子（导电弓架边缘）和客车窗框等。案例二：日本KAWASAKI（川崎重工）采用碳纤维，开发了第1代铁道车辆用列车“efwing”。“efwing”采用为碳纤维侧梁的柔性构架，对原本刚性的转向架进行的革命性的改进，经过美国交通技术中心（TTCI）线路运行试验，轮重减载率下降50%，车体外壳总减重40%。案例三：德国SIEMENS在新开发的列车车体侧部使用了碳纤维复合材料。针对复合材料在轨道交通上的应用，国内相比国外而言起步较晚，但发

8、展较为迅速：2018年1月，中车长春轨道客车股份有限公司在轨道交通领域研制出具有完全自主知识产权的世界首辆全碳纤维复合材料地铁车体（图2）。全碳纤维复合材料整车较同类地铁金属车体减重约35%，从而对提高车体的运载能力、降低能源消耗等具有重大意义。2018年9月，德國柏林国际轨道交通技术展上，中国中车发布了下一代地铁产品取得了令人瞩目的成效，碳纤维复合材料车体、转向架、司机室、设备舱的成功研制，使得整车减重15%，轨道交通业界对碳纤维复合材料在轨道交通领域的应用充满期待。2 先进复合材料轨道交通应用的主要问题尽管全球轨道交通行业在利用先进复合材料进行轻量化研究方面做出了很大的努力，但是碳纤维等先

9、进复合材料的应用与推广，仍然受到了很大的限制。从发展现状可以看出，碳纤维等先进复合材料在轨道交通领域的应用和发展还存在以下问题：处于研制早期阶段，技术发展较慢，工艺成本高，研制周期长，效率低；共性技术研究严重不足，未形成统一研制流程规范；缺乏统一的产品平台，资源共享不足。3 先进复合材料轨道交通轻量化应用的思考目前限制先进复合材料在轨道交通车辆上应用的最突出矛盾是工艺成本高、生产效率低。为此，我们可借鉴航空航天的先进经验，利用网状结构对轨道交通车体进行设计和制造，实现降低工艺成本、提高生产效率的目标。为推进中车轨道交通装备的轻量化发展进程，中车研究院牵头组织各相关子企业与俄罗斯中央特种机械研究

10、所进行了技术交流和工作对接。2018年3月份，该所协助中车开展了高速列车车体的初步概念设计。经过前期的技术交流，中俄双方认为复合材料网格结构技术在400km高速列车、600km磁悬浮列车车体、司机室以及过渡车钩等轨道交通车辆零部件领域有巨大的应用前景。以航空航天领域前期研究结果推测，采用网格结构的轨道交通复合材料装备，可比现有案例的复合材料轨道交通装备再减重10%，装配量降低20%，制造周期缩短15%，制造成本下降15%。3.1 先进复合材料网格结构在复合材料工业中，网格结构复合材料是最有希望实现长期寻求的轻量化和高强度双重目标的结构材料。复合材料网格结构是一种主要应用于抗屈曲结构和加筋表面结

11、构的网格，主要是因为复合材料网格结构具有较大的截面惯性矩，并且具有较高的柔性。使用各向异性网格结构的先驱工作可以追溯到30年前，该技术现在主要由俄罗斯的中央特种机械研究所（CRISM）掌握，用于俄罗斯太空计划。在俄罗斯，网格结构的设计技术、成型技术、性能测试与表征等技术更加全面而深入，并且已采用各向异性网格复合材料网格结构成功地进行了40次卫星发射。自1981年CRISM开展复合材料网格结构技术的研究以来，该技术经过不断发展和完善，在航天及军工领域得到了广泛的应用，如图3所示。1986年，该所成功研制伊尔-IL-114飞机的机身；2001年研制的质子-M号适配器成功进行第1次发射；2007年，

12、进行优化设计的适配器更加轻量化。目前该所正在进行民用产品的开发，积极拓展复合材料网格结构技术在民用领域的应用。自2010年以来，基于民用航空领域进一步减重和降成本的目标，欧盟第七框架计划（Seventh Framework Programme，FP7）连续资助了3个项目以支持复合材料网格结构技术在商用飞机机身的应用研究，参与国家包括德国、俄罗斯、法国、荷兰、瑞士、西班牙、英国、比利时、意大利等。在FP7项目中，提出了新机身的理念，如图4所示，网格结构承受主要载荷，蒙皮满足功能性要求，因此可降低蒙皮厚度，达到结构质量最小和性能参数最佳的目的。与铝合金的机身段相比，FP7项目研制的机身段减重高达5

13、4.5%。美国网格结构的历史始于由等边三角形组成的铝等网格；这些结构是由麦克唐纳道格拉斯公司（现为波音公司的一部分）开发的，并且被用作Atlas和Delta运载火箭的级间。随着近年来网格结构复合材料的迅速发展，其应用领域逐渐扩大，其潜在市场也变得十分可观。研究发现，网格结构复合材料具有良好的承载能力，对损伤不敏感、易于修复，并且可靠性明显提高，与夹层复合材料相比，具有更好的力学性能和多功能优势。不同的制备技术的出现，促进了网状结构复合材料的巨大发展，为其各种应用奠定了坚实的基础。3.1.1 网状结构复合材料的类型及分类网格结构有多种类型，它们表征了复合材料网格结构的参数和性能。网格结构是由螺旋

14、肋和环形肋部分组成的薄壁圆柱形或锥形材料，其与主轴成一定角度，如图5所示。网格结构中沿2个方向布置的肋为角网格，沿3个方向布置的肋被称为三向结构或六角形网格结构，而沿轴线正交布置的肋为四向结构。图5显示了不同类型的复合材料网格结构。如果2个方向上的肋为正交的，则该结构为正交网格，并且当肋在3个方向上形成等边三角形时，该网格结构为等网格。目前，典型的六角形钢筋结构可以较好地解决节点处纤维严重累积、三角形结构中存在的纤维架空现象问题，并降低节点处的纤维含量，提高节点的粘结强度。一般来说，基本的网格结构是不需要蒙皮的。但是在实际设计和制造中，根据要求，可以采用单面或双面蒙皮作为网格结构的蒙皮。根据网

15、格结构的表面形状，可将网格结构分为内表面网格结构和外表面网格结构。3.1.2 网格结构的优点与传统的复合材料制品相比，网格结构具有以下优点：良好的可成形性。网格结构及其蒙皮形成一个整体并共同固化，有助于提高网格杆与蒙皮连接的可靠性。设计灵活性。可以对网格结构进行设计，以优化设计素材中所用材料的特征和结构的组合；这种组合可以根据外部荷载（如网格间距、宽度、高度和蒙皮层的放置）来调整网格结构参数，以便最大限度地提升复合材料的强度和刚度。突出的结构稳定性。网格结构框架改善了蒙皮的局部压曲临界荷载，并提高了结构的稳定性和实际承载能力。結构可靠性高。与夹层结构相比，网格结构不易损伤、易维修且可在更多承重

16、构件下增大承载能力。更高的比强度与比刚度。在复合材料网格结构中，纤维占其强度的95%以上，这在其他结构中是很难实现，并且使用网格结构可使复合材料具有更强的竞争力。成本低、效益高。网格结构复合材料制品的质量比金属网状结构产品轻50%左右，而且成本也更低。3.2 网格结构的制造与加工纤维缠绕、编织和经编网可用于形成若干网格结构，例如四边形、三角形和六角形的网状结构。网格制造工艺的主要目标是为网格结构提供优良的机械性能及纵向加固。目前，复合材料网格结构的形成方法主要有：增加网格。加筋网格板是一种用于生产零件的网格结构型板，不适合用于制造回旋加速器本体结构。手工铺设技术。采用树脂传递模塑（RTM）、高

17、压釜模塑、高压釜固化压力法等技术，可以将长纤维束或切断的短纤维束手动铺设到网格槽中，形成网格结构。手工铺设技术比较简单，但劳动强度高，生产效率低，不适合大规模、批量生产。缠绕成型。通过直接采用数控绕线机在网格槽进行绕线，通过连续纤维缠绕形成复合材料网格结构，降低了生产成本，提高了产品稳定性能，并且易于实现批量生产。编织2（或更多）组纱线载体围绕圆形框架反向旋转形成编织预制件。编织网格预制件由2（或更多）组纱线交织而成，编织纱线从不同的方向引入，并且通过这种工艺制造的网状结构是高度互连的，通常以平铺状或管状形式形成2D或3D网格结构。经编。使用经编机根据不同的导杆配置和纱线运动，将纱线形成具有啮

18、合环的网状织物结构，例如三角形、菱形或六角形网格结构。3.2.1 加筋网格结构网格加筋结构主要包括网状加强结构、编织和织构结构、缠绕网格和其他网格制备方法。对于复合材料的网格结构，无论是从制备技术还是从结构性能的角度来看，铸件的制备是网格结构复合材料的关键因素。螺旋箍筋是網格结构中的主要承重构件。虽然加筋肋是刚度和强度均低于单向层合结构的单向微结构，但迄今为止工业化生产的网格结构的螺纹钢筋模量是传统单向复合材料的80%，而压缩强度仅为传统单向复合材料的40%。其原因是：螺旋箍的相互交叉使得纤维体积小于50%；纤维损伤（特别是高模量碳素纤维），使得与设备的接触更加严重。为了解决这一问题，通常采用

19、硅橡胶模，可以方便地改造肋骨网格，解决侧向压力，优化肋骨间的粘接方式。复合材料网格结构模的分类如下：软模。软模法包括在弹性材料上开网格槽。美国空军（USAF）飞利浦实验室是这个领域的领航者，软模用于太阳能板、整流罩和适配器的生产。但是，软模法也有其缺点：产品表面粗糙，棒材尺寸不稳定，软模固化后需要进行拆分以提取产品，成本高，并且脱模困难。用硬质泡沫开槽模。与软模法相似，纤维束和泡沫中的树脂会形成沟槽并形成网格结构。气泡可以滞留在复合材料结构中，具有保温隔音效果，气泡还可以消除机械损伤、化学损伤或热损伤等。这种方法的主要缺点是，由于网格节点纤维体积高达60%，并且连杆和节点位置的纤维组分仅为30

20、%，所以网格结构的性能远低于具有这种纤维体积含量的层状复合材料结构。硬模法。硬模法（如金属模）的缺点包括：纤维体积含量不能太高、劳动强度大等。然而，其优点也很明显，即产品的尺寸、稳定性好、精度高。复合模法。在该方法中，模具可由2种或多种材料制成：一种材料提供刚性基材的热稳定性，用于形成整个轮廓形状的网格结构（可选择金属或环氧树脂）；另一种是具有高弹性模量的材料，用于增强已固定和成形网格材料。最常用的方法是采用硅橡胶。混合技术。首先，根据网格框架的形状和功能要求，制作出专用的基底膜。接着，在底膜上铺设膨胀垫，在缠绕或铺设成形工具之后对预浸剂进行固化，并使用固化留下的热量使槽垫膨胀。然后，将预浸剂

21、从横向网格框架挤出，以确保所生产的网格结构的质量。膨胀模工艺法。Kim提出1，膨胀模工艺（见图6）得利于金属底板和对所需模具的多种形状的扩展能力，并且因为模具的膨胀可以采用可拆卸螺栓固定在地板上。根据特定功能要求所需的网格结构的形状，在网格框架结构上对各种几何形状进行分组。在固化过程中，存在导致网格结构膨胀和从网格框架的任一侧挤出的反应。控制凝固块尺寸的热量和膨胀可以调节网格框架的压力，从而确保网格框架的纤维体积含量，并保证网格框架的质量。根据使用的何种工艺，可以在缠绕之前或之后在模具中放置钢筋。拉挤-联锁工艺。Han提出的拉挤-联锁技术是一种适用于网格框架的简单制备方法。图7显示了拉挤-联锁

22、工艺示意图。首先，利用拉挤工艺生产出具有相应尺寸的加强肋，网格框架的拉挤槽的肋以槽的形式相互锁定到组合后的肋中。输运床气化技术（Transport Integrated Gasification，简称TRIG）工艺是由斯坦福研究所提出的，适用于锥形壳体、壳体或球形，是一种制备先进复合材料网格结构的新方法。图8显示了TRIG加工工艺示意图。该方法使用金属管作为模具，并且固定壳体在管之间保留有用于交叉缠绕复合材料的间隙空间。整个网格结构形成后，管将成为肋壁的一部分。3.2.2 编织和经编网状结构编织的网状结构采用编织技术生产网格复合材料。通过利用纺织和化学生产的基本原理，在织机上完成织造和树脂整理

23、，从而得到复合材料网状结构。网格尺寸可根据材料的应用情况进行选择。材料的选择、工艺的采用、合理的织物整理方法、以及涂层干燥方法的实施均是复合材料网格化的关键，也是影响网格结构复合材料的功能与特征的重要因素。在组织结构方面，与纱网结构相比，普通网状结构具有最简单的组织、稳定的结构和清晰的网格。因此，一般采用平纹梭织。编织网格结构复合材料采用弱捻或无捻纱线作为经纬材料，编织成相对稀疏的网状结构。由于传统编织过程较长，织造后不易保持稳定性，因此需要专用的编织机。编织机包括主体、经纱输送机和织造机。经纱输送机由底框、多个经纱传动轴和许多传动轴支撑。主编织机设有经纱升降装置和电柜，用于在织造纬纱时将经纱

24、上下分离。编织机的其他组成部分包括纬纱装置、牵引装置、平移装置和切割装置。编织网格织物整理包括在涂装和干燥工艺中加入抗滑光剂。对编织网格织物进行整理时需要考虑2个因素：整理剂的选择和制备。网格结构复合材料用整理剂必须具有一定的粘度，并且容易干燥。根据网格结构复合材料的不同应用，选择不同的整理剂。干燥溫度和时间。该整理剂需要一定的温度和时间来进行干燥。在整理过程中，应特别注意干燥温度和干燥时间，并确保设备均匀干燥，以及在生产编织网格结构复合材料时的所有重要参数。经编网格结构主要采用常用的玻璃纤维、高强度聚乙烯纤维、高强度聚酯、聚丙烯等加筋材料。经编网格结构的主要工艺生产过程是原材料和织造技术的选

25、择。根据应用的需要，在经编网格结构中使用不同的原料：对于一般应用，通常使用聚酯、聚丙烯、玻璃纤维；对于一些特殊应用，使用高性能材料，如碳纤维和芳纶纤维；通常使用较细的涤纶纱线作为加固物。经编网格结构采用单一或复式纬纱双轴经编机进行全线生产。这种经编机的主要生产商为2家德国公司：卡尔迈耶纺织机械公司和利巴纺织机械公司。一台直线式纬纱双轴向经编机包括衬经、纬纱和连接衬里。这3个系统被引入一个环形区域，然后通过编织运动连接成一个圆。将经纱和纬纱的衬里捆绑在一起，从而形成一个双轴向经编网。单一纬纱机或啮合拉舍尔机中可使用一个或多个内置导杆，导杆不能重叠。然后，通过在一根或两根导杆中以不同针距在针背处部

26、分穿入纬纱，以便生产出各种网格结构。一台复式纬纱双轴向经编机（线纬双轴向经编机）包括衬经、纬纱和连接衬里。这3个系统被引入一个圆形区域，然后通过编织运动被连接成一个环形网格。经纱和纬纱的衬里被捆绑在一起，从而形成双轴向经编网。编织网的双轴经纱，在每个平铺网格上进行横向和竖向编织，且不会相互交错，但在更精细的连接中，会将经纱和纬纱交汇处的衬里绑接在一起，形成一个强节点。对纵行线圈进行加固，并将纹路加固并联结在一起，以形成网格。3.2.3 纤维缠绕网格结构当网格结构受到轴向压缩时，箍筋处于相当低的拉伸应力下，因此其性能并不重要，因为蒙皮（通常由环形线圈制成）几乎不受轴向荷载的影响。螺旋钢筋是网格结

27、构中的主要承载件，其性能主要取决于制造工艺的参数（钢筋的尺寸、张力、树脂粘度等）和网格设备的成型。网格结构制造工艺的主要类型如下：所采用的传统增强法是一种自由成型缠绕技术，纱线按一定的角度和距离布置在心轴上。该成型方法成本很低，但网格成品的性能较差，如圆柱体的网格扭曲，以及纵筋端部网格严重偏离。轻质泡沫芯材料的缠绕通常包括蒙皮伤口、蒙皮伤口内注射模芯材料内的蒙皮，然后在沟槽中缠绕纵向加强件，并最终从蒙皮中绕出。该成型方法成本适中、性能高、网格结构质量好、承载能力佳、具有耐高温、防潮、降噪效果好等特点。如果只有网格结构的外蒙皮，则拆除可能会引起机械损伤、化学损伤和热损伤的泡沫模具。连续纤维缠绕、

28、布带铺设和RTM方法已应用于网格结构的生产，具有实现全自动生产的巨大潜力。对于热塑复合材料，即使没有真空袋或高压釜也可进行固化。这样，将大大降低生产成本。网格结构可采用具有网格槽的金属内衬形成金属复合材料，用作轴承箱和压力容器。根据复合材料的特点，优化网状结构和蒙皮层，使复合材料的强度和刚度达到最大。举例来说，太阳能电池阵的典型网格框架板由2个平铺复合材料网格板组成，该网格板由单向碳素纤维增强塑料通过纤维缠绕制成。框架由2个平铺网格复合材料板组成，使用框架式连接器组装成三维面板。通过缠绕预拉伸的碳素纤维胶带或将粗纱均匀地铺在平铺心轴上的槽中，可以同时制造2个网格板。这些槽造于心轴的硅橡胶弹性涂

29、层中。一旦完成缠绕和固化，便可切割板材，并将其从心轴中取出。3.3 先进复合材料网状结构在轨道交通车辆中的应用与夹层结构相比，网格结构的一个重要优点就是其可靠性高；网格结构对损伤不敏感，易于修复，而且多重承载也不会降低结构的承载能力，因此其应用广泛，市场潜力可观。复合材料网状结构和网格结构这一概念前景广阔。在航空工业中，网格结构或网格结构广泛应用于商用飞机的机身结构，因为基本的承载元件是由单向碳-环氧复合材料制成，与铝原型相比，质量减少了30%40%。此外，薄织物外蒙皮在张力作用下不会开裂，在受到撞击时也不会分层。另一个优点是，网格结构完全一体。在生产时，装配部件和附件是通过卷绕程序与机身结构一并制造的。除了