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又一蓝海!碳纤维复合材料在轨道交通应用中大显身手
发布时间:2019-07-09
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轨道交通车辆工业领域可能是继风电叶片之后,大量使用碳纤维复合材料的又一工业领域。随着原材料的不断发展和工艺的改进创新,碳纤维复合材料在轨道交通应用中正在逐步降低生产成本。

 

又一蓝海!碳纤维复合材料在轨道交通应用中大显身手

  

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。

 

重量轻、阻燃的复合材料车厢地板

 

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胶真空袋,在真空灌注工艺中制造地板。

 

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。

 

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,因此订购了复合材料车顶部分来替换轨道车辆上旧的金属车顶结构。

 

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。”

 

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。

 

我国新一代复合材料地铁车辆和轻轨车

 

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。

 

几乎与此同时,由中车长春轨道客车股份有限公司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。

 

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。

 

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。(文章来源:荣格塑料工业)

 

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