复合材料在高铁中的应用

 

和谐号

 

　　复合材料在列车上的应用，按承力特征大致可分为两类：复合材料非主承力件和复合材料主承力件。其中复合材料非主承力件又可分为主承力件（如车身、地板和座椅等非主承力件）和辅助件（洗漱间、厕所和水箱等辅助构件），而复合材料主承力件主要是指列车车体、司机室和转向架构架等列车的大型承力构件，它是复合材料取代传统材料，实现车辆轻量化的关键。

 

　　1、复合材料在列车辅助件和一般承力件上的应用

       日本新干线使用的高速客车中，玻璃纤维增强素料（GFRP）复合材料主要使用在车窗内饰框、洗漱间、厕所、小便池、水箱、集便箱、车前头盖板、双层客车两端车顶板、空调风道的天花板以及餐车空调盖板的侧天花板等部位。为减少受电弓周围的空气动力噪声，在车顶上安装的受电弓罩也是采用GFRP材料制造。200系东北、上越新干线客车采用蜂窝夹层材料制造地板、中间间壁门等。

 

　　同样，法国TGV高速列车也大量采用纤维增强塑料（FRP）制造地板、墙板、门窗框架、座椅和车门等。采用FRP制造这些构件，除重量轻外，还具有易于设计、减轻维修作业，以及可采用整体成型降低成本等优点。此外，厕所用玻璃钢地板，整体卫生间在国外已较普及，既解决腐蚀问题，又达到减轻重量的目的。

 

　　意大利ETR500型高速列车上，所有的内部结构边墙、天花板和行李舱都使用了高比刚度复合材料夹层板——两层Tedlar聚氟乙烯塑料薄层中夹有Nomex蜂窝芯材玻纤酚醛层压板；欧洲之星列车也使用酚醛蜂窝板做其内部结构件。

 

　　英国的铁路部门通过试验后发现，选择芳纶纤维增强复合材料做受电弓头，其性能非常令人满意。近年来，复合材料还被用做抗冲击部件，并且取得了很好的试验结果。

 

　　目前，纤维增强复合材料在承载结构件上的应用也越来越多，其技术已基本接近实际应用。列车司机室、车体和转向架构架等作为列车的大型承力构件，在整车结构重量中占有较大比例，车体部分自重占车辆自重的15%~35%，转向架占车辆自重的25%~35%。因此，这些部分是应用新材料的主要研究领域。

 

　　（1）高速列车的司机室。其前端外形要制成鼻状形，既要轻量化，又要耐冲击，在此FRP获得了广泛的应用。英国城间的125型机车司机室的前端是用层压的FRP板包覆聚氨酯泡沫芯构成夹层结构，比钢制件轻30%~35%，并可耐0.9Kg重方钢块以300Km/h速度的冲击；意大利ETR500高速动力车头部采用Kevlar纤维和环氧树脂模压成型，其刚性和抗冲击性良好，列车高速度达300Km/h。

 

高速列车司机室

 

　　（2）复合材料车顶。复合材料在车顶盖上的应用能降低车辆的重心，增加车体运行的稳定性。日本铁道综合技术研究所与东日本客运铁道公司合作，用碳纤维增强塑料（CFRP）制成高速列车车顶，该CFRP车顶通过胶粘与铝合金框架相连，然后再通过焊接与车体上铝合金侧壁连在一起。试验表明，采用这种车顶的车体具有较高的气密强度和较低的重心，而且每节车厢减轻约300~500Kg

      （3）复合材料车体。车体的按工艺不同分为两种：

 

　　1、将厚为2.1mm曲面板与纵梁制成一体，将拉挤成型的CFRP外板铆接在铝合金框架上，试制车体长6000mm，宽3300mm，高3290mm，重量为680Kg。

 

　　2、热压成型制成长1000mm，宽3320mm高3300mm的两个半圆形车体，然后互相铆接在一起，较之铝合金车体重量减轻30%。而且酚醛基CFRP较之铝合金有良好的耐高温性能，铝合金在400℃和40MPa的应力之下会产生大的挠曲变形，而酚醛基CFRP在500℃和130MPa的应力变形很小。

 

车体3D

 

　　（4）复合材料转向架。机车车辆的转向架是支承车体、保证列车平稳运行的重要部件，其构架是对强度和耐疲劳性能要求特别高的大型承载构件，德国AEG和MBB公司就在联邦研究技术部的支持下，研制出上台复合材料构架的转向架，型号为HLD-E，设计速度200Km/h。继德国之后，日本也试制成功CFRP转向架构架，构架自重为0.3t，比普通钢制构架减轻了70%，该构架测梁为CFRP层压材料叠层结构，板厚16.4mm，横梁采用缠绕成型，高设计速度160Km/h。

 

高速列车转向架