復(fù)合材料在高鐵中的應(yīng)用
2020-01-08
和諧號(hào)
復(fù)合材料在列車上的應(yīng)用，按承力特征大致可分為兩類：復(fù)合材料非主承力件和復(fù)合材料主承力件。其中復(fù)合材料非主承力件又可分為主承力件（如車身、地板和座椅等非主承力件）和輔助件（洗漱間、廁所和水箱等輔助構(gòu)件），而復(fù)合材料主承力件主要是指列車車體、司機(jī)室和轉(zhuǎn)向架構(gòu)架等列車的大型承力構(gòu)件，它是復(fù)合材料取代傳統(tǒng)材料，實(shí)現(xiàn)車輛輕量化的關(guān)鍵。
1、復(fù)合材料在列車輔助件和一般承力件上的應(yīng)用
日本新干線使用的高速客車中，玻璃纖維增強(qiáng)素料（GFRP）復(fù)合材料主要使用在車窗內(nèi)飾框、洗漱間、廁所、小便池、水箱、集便箱、車前頭蓋板、雙層客車兩端車頂板、空調(diào)風(fēng)道的天花板以及餐車空調(diào)蓋板的側(cè)天花板等部位。為減少受電弓周圍的空氣動(dòng)力噪聲，在車頂上安裝的受電弓罩也是采用GFRP材料制造。200系東北、上越新干線客車采用蜂窩夾層材料制造地板、中間間壁門等。
同樣，法國(guó)TGV高速列車也大量采用纖維增強(qiáng)塑料（FRP）制造地板、墻板、門窗框架、座椅和車門等。采用FRP制造這些構(gòu)件，除重量輕外，還具有易于設(shè)計(jì)、減輕維修作業(yè)，以及可采用整體成型降低成本等優(yōu)點(diǎn)。此外，廁所用玻璃鋼地板，整體衛(wèi)生間在國(guó)外已較普及，既解決腐蝕問題，又達(dá)到減輕重量的目的。
意大利ETR500型高速列車上，所有的內(nèi)部結(jié)構(gòu)邊墻、天花板和行李艙都使用了高比剛度復(fù)合材料夾層板——兩層Tedlar聚氟乙烯塑料薄層中夾有Nomex蜂窩芯材玻纖酚醛層壓板；歐洲之星列車也使用酚醛蜂窩板做其內(nèi)部結(jié)構(gòu)件。
英國(guó)的鐵路部門通過試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，選擇芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料做受電弓頭，其性能非常令人滿意。近年來，復(fù)合材料還被用做抗沖擊部件，并且取得了很好的試驗(yàn)結(jié)果。
2、復(fù)合材料制造列車主承力件
目前，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在承載結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用也越來越多，其技術(shù)已基本接近實(shí)際應(yīng)用。列車司機(jī)室、車體和轉(zhuǎn)向架構(gòu)架等作為列車的大型承力構(gòu)件，在整車結(jié)構(gòu)重量中占有較大比例，車體部分自重占車輛自重的15%~35%，轉(zhuǎn)向架占車輛自重的25%~35%。因此，這些部分是應(yīng)用新材料的主要研究領(lǐng)域。
（1）高速列車的司機(jī)室。其前端外形要制成鼻狀形，既要輕量化，又要耐沖擊，在此FRP獲得了廣泛的應(yīng)用。英國(guó)城間的125型機(jī)車司機(jī)室的前端是用層壓的FRP板包覆聚氨酯泡沫芯構(gòu)成夾層結(jié)構(gòu)，比鋼制件輕30%~35%，并可耐0.9Kg重方鋼塊以300Km/h速度的沖擊；意大利ETR500高速動(dòng)力車頭部采用Kevlar纖維和環(huán)氧樹脂模壓成型，其剛性和抗沖擊性良好，列車最高速度達(dá)300Km/h。
高速列車司機(jī)室
（2）復(fù)合材料車頂。復(fù)合材料在車頂蓋上的應(yīng)用能降低車輛的重心，增加車體運(yùn)行的穩(wěn)定性。日本鐵道綜合技術(shù)研究所與東日本客運(yùn)鐵道公司合作，用碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）制成高速列車車頂，該CFRP車頂通過膠粘與鋁合金框架相連，然后再通過焊接與車體上鋁合金側(cè)壁連在一起。試驗(yàn)表明，采用這種車頂?shù)能圀w具有較高的氣密強(qiáng)度和較低的重心，而且每節(jié)車廂減輕約300~500Kg。
（3）復(fù)合材料車體。車體的按工藝不同分為兩種：
1、將厚為2.1mm曲面板與縱梁制成一體，將拉擠成型的CFRP外板鉚接在鋁合金框架上，試制車體長(zhǎng)6000mm，寬3300mm，高3290mm，重量為680Kg。
2、熱壓成型制成長(zhǎng)1000mm，寬3320mm高3300mm的兩個(gè)半圓形車體，然后互相鉚接在一起，較之鋁合金車體重量減輕30%。而且酚醛基CFRP較之鋁合金有良好的耐高溫性能，鋁合金在400℃和40MPa的應(yīng)力之下會(huì)產(chǎn)生大的撓曲變形，而酚醛基CFRP在500℃和130MPa的應(yīng)力變形很小。
車體3D
（4）復(fù)合材料轉(zhuǎn)向架。機(jī)車車輛的轉(zhuǎn)向架是支承車體、保證列車平穩(wěn)運(yùn)行的重要部件，其構(gòu)架是對(duì)強(qiáng)度和耐疲勞性能要求特別高的大型承載構(gòu)件，德國(guó)AEG和MBB公司就在聯(lián)邦研究技術(shù)部的支持下，研制出世界上第一臺(tái)復(fù)合材料構(gòu)架的轉(zhuǎn)向架，型號(hào)為HLD-E，設(shè)計(jì)速度200Km/h。繼德國(guó)之后，日本也試制成功CFRP轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，構(gòu)架自重為0.3t，比普通鋼制構(gòu)架減輕了70%，該構(gòu)架測(cè)梁為CFRP層壓材料疊層結(jié)構(gòu)，板厚16.4mm，橫梁采用纏繞成型，最高設(shè)計(jì)速度160Km/h。
高速列車轉(zhuǎn)向架
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來源：新材料研習(xí)社