碳纤维复合材料在转向架上的开发与应用

　　碳纤维复合材料论文第五篇：碳纤维复合材料在转向架上的开发与应用

　　摘要：碳纤维复合材料具有强度高、密度低和耐腐蚀等特点，在航空航天、休闲体育以及汽车等领域得到了广泛应用。因此，阐述复合材料在轨道交通转向架领域的国内外研发现状，分析轨道交通车辆转向架各大部件结构及运用特点，并结合已经试装车及正在开发的几个转向架碳纤维零部件开发过程，探讨碳纤维复合材料在轨道交通车辆转向架上开发运用的趋势。

　　关键词:碳纤维;轨道交通;转向架;天线梁;

　　Abstract：Carbon fibre composites are widely used in aerospace, leisure sports, automobile and other fields because of their high strength, low density, corrosion resistance and low coefficient of thermal expansion. This paper analyses the research and development status of composite materials in the field of rail transit bogies at home and abroad.Based on the study of the structure and application characteristics of major components of the bogie of rail transit vehicles and the development process of several carbon fiber components of bogies that have been commissioned and are being developed, the trend and direction of the development and application of carbon fiber composite materials in the bogie of rail transit vehicles are discussed.

　　转向架是轨道交通车辆的核心部件，主要作用是承受和传递车辆载荷，以保证车辆沿轨道安全运营。随着我国轨道交通车辆的高速和重载化的不断发展，特别是随着城市轨道交通车辆对绿色节能和安全可靠的要求越来越高，转向架轻量化和可靠性研究成为必须解决的重要课题。转向架构架现有技术大多采用低合金高强度钢板的箱形梁结构，并且已经做了大量轻量化工作。但是，由于钢板的密度大，尽管转向架的结构已经相当成熟，但是轻量化效果却不明显。由于转向架的部分结构部件工作环境恶劣，原有金属材料结构很难满足30年的设计要求。因此，探索全新的转向架设计方法，利用新型复合材料优异的综合性能，研制新型轻量化、高性能的转向架具有重大意义。

　　1 国外转向架复合材料在转向架上的应用现状

　　1.1 德国

　　20世纪80年代德国研发城际特快列车（Inter City Express,ICE）时，率先开始了复合材料技术在转向架中的应用研究。AEG公司和有航空技术背景的MBB公司，与德国铁路股份公司（简称DB）合作，研制了世界上首个纤维复合材料转向架构架，型号为HLD-E，设计速度为200 km·h-1。该构架利用构架本身的结构弹性取代了传统的一系弹簧实现了结构简化，使得构架中复合材料的总质量为500 kg。

　　1.2 日本

　　2014年，日本川崎重工业株式会社开发了新一代铁道车辆用转向架（ef Wing）。该转向架是世界上首次采用具备悬挂功能的碳纤维增强复合材料（Carbon Fibre Reinforced Polymer,CFRP）制作的板簧。ef Wing转向架在以往转向架钢制构架的主结构上采用了CFR。由于该材料具有悬挂功能，因此每辆车质量减轻了900 kg[1]。

　　1.3 英国

　　英国ELG碳纤维公司利用碳纤维材料回收再利用及3D打印技术，生产了碳纤维材料的转向架构架侧梁及端梁。它采用工型结构+箱型结构+胶结/螺栓连接的结构，有效减轻了转向架的质量[2]。

　　2 碳纤维复合材料在转向架部件的研发分析

　　轨道交通车辆转向架主要分为构架系统、轮对轴箱系统、一系悬挂系统、二系悬挂系统、中心牵引系统、基础制动系统、驱动系统和辅助设备系统8种系统[3]。以某型地铁车辆动车转向架为例，各大系统构成及质量如表1所示。

　　表1的统计数据表明，动车转向架轮中轴箱系统、驱动系统和构架系统3个系统总占比近80%，是转向架的核心系统。构架及轮对轴箱的碳纤维研发对车辆轻量化及充分发挥碳纤维材料高强度优势具有重要意义。但是，一方面构架和轮对运用工况复杂、环境恶劣，又关系到整个车辆运用的安全，另一方面这两种系统产品结构尺寸较大，碳纤维产品制造工艺复杂。前期研发投入较大，使这两种系统部件的碳纤维产品开发难度较大。

　　与构架相比，轮对系统结构和运用工况复杂，但辅助设备支架、悬挂系统的各种吊杆、拉杆和吊梁等部件结构简单，运用工况也相对简单，且产品的开发周期短、成本较低，容易实现批量化装车运用考核，为碳纤维材料在转向架上的开发运用打下了基础[4]。

　　表1 某型地铁转向架各系统及质量分布     

　　3 碳纤维复合材料在转向架上的开发与应用

　　中车南京浦镇车辆有限公司近年在转向架新材料方面加大了研究力度，特别是碳纤维材料的零部件开发方面取得了一定突破，目前已经有多个产品装车试用。

　　3.1 碳纤维天线梁

　　轨道交通车辆TI天线梁悬挂在转向架构架端部，主要作用是安装TI信号设备。随着车轮及线路状态的变化，原天线梁结构出现裂纹。通过分析裂纹天线梁发现，原钢质天线梁在运用中受到了来自轨道的振动激励。并与天线梁自身的结构模态产生了共振，从而引发了疲劳断裂。新开发的碳纤维天线梁接口和原钢质天线梁一致，天线梁通过了振动冲击试验，如图1所示。目前，该碳纤维天线梁已在3个项目的地铁车辆上装车运用。

　　图1 碳纤维天线梁振动冲击试验  

　　3.2 碳纤维轴箱提吊

　　某型地铁转向架轮对提吊在设计时满足静强度要求，并有一定裕量。车辆运营多年后，出现了异常振动并断裂的现象。新研制的碳纤维提吊质量减小了3/4，模态提高了一倍，碳纤维轴箱提吊如图2所示。目前已试装2个项目列车进行运用考核，运用状态良好。

　　图2 碳纤维轴箱提吊  

　　4 碳纤维复合材料在转向架中的运用技术难点

　　目前，碳纤维复合材料已经在多个领域应用广泛，形成了一定的行业设计、工艺与试验检测标准。但是，碳纤维材料在轨道交通领域的运用才刚起步，在转向架领域还没有批量运用的经验，大部分技术还在开发和科研阶段，行业标准尚未形成[5]。通过研究碳纤维复合材料，分析碳纤维复合材料在轨道交通转向架领域广泛运用需要突破的难点，主要包括碳纤维原材料的开发、碳纤维复合材料基材的开发、碳纤维复合材料通用技术规范、碳纤维复合材料无损检测标准、碳纤维复合材料转向架零部件结构强度评估规范以及碳纤维复合材料转向架检修维护方法及规范等。

　　5 碳纤维复合材料在转向架中的运用趋势

　　碳纤维材料优越的性能对转向架的轻量化、结构强度等有着重要意义，是轨道交通领域新材料应用的发展趋势。从目前的发展态势来看，碳纤维复合材料在轨道交通车辆领域有广阔的应用前景。相关科研单位、制造企业及关键部件供应商应开展碳纤维复合材料零部件的开发和应用研究，研究方向也应从非承载件向承载结构件发展。

　　6 结语

　　目前，安全吊、TI天线梁、轴箱以及提吊等部件已试验装车，并通过了运用考核，并在构架、车轮、车轴及制度盘等部件中都开展了碳纤维复合材料的研究和试制。后续还要从碳纤维复合材料性能、结构设计、分析计算、成形工艺、试验检测、加工装配、无损检测以及运用维护等方面开展深入研究，实现转向架更多部件的开发与批量化装车运用。

　　参考文献

　　[1]李梁京,王继荣,李军新型轻材料在转向架部件中应用[J].青岛大学学报(自然科学版) , 2017(4).42-46.

　　[2]李建利, 张元,张新元碳纤维复合材料刹车片的发展及应用前景[J].材料开发与应用, 2012(2):107-111.

　　[3]崔俊杰,郭章新,朱明,等.表面带金属层的复合材料层合板低速冲击数值模拟[J].材料导报, 2021(4):9.

　　[4]肖金涛,张帅,徐锐良,等.碳纤维复合材料防撞梁与铝合金吸能盒低速碰撞轻量化设计优化[J]河南科技大学学报(自然科学版) , 2021(3):10.

　　[5]周俊杰,王生楠复合材料层合板低速冲击渐进损伤模型[J].西北工业大学学报，2021(1):37-45.