全球首列商用碳纤维地铁列车车厢内部的碳纤维立柱和碳纤维座椅。中车四方股份公司 供图
凌晨三点，当青岛这座美丽山海城还在沉睡，中车四方股份公司碳纤维地铁列车主任设计师刘金柱和同事们迎来了一天中最忙碌的时刻。“我们需要利用地铁1号线这两三个小时的非运营时间，对碳纤维列车进行用户现场的线路实验，让车辆在真实场景中‘跑’起来。”
刘金柱所说的“碳纤维列车”，是指中车四方股份公司联合青岛地铁集团为青岛地铁1号线研制的碳纤维地铁列车“CETROVO1.0碳星快轨”。6月26日，该列车在青岛正式发布，这是全球首列用于商业化运营的碳纤维地铁列车，较传统地铁车辆减重11%，具有更轻更节能等显著优势。
在交通工具轻量化方面，碳纤维列车做了哪些探索尝试？与其他材料的列车相比，碳纤维列车有哪些不同之处？未来，它将如何引领地铁列车实现全新绿色升级？让我们一起走近全球首列商用碳纤维地铁列车。
更轻量
整车减重约11%，运行能耗降低7%，每列车每年可减少二氧化碳排放约130吨
赛场上，它助力运动员刷新纪录；生活中，它让“轻装上阵”成为习惯；太空里，它向金属材料发起凌厉冲击……它就是被誉为“工业黑色黄金”的碳纤维。
2021年，我国首次成为全球最大的碳纤维生产国。2023年，我国碳纤维运行产能占据全球碳纤维产能的一半。
细如发丝、轻若鸿毛、强过钢铁的碳纤维，目前在我国已实现多个系列和级别的国产化，广泛应用于航空航天、轨道交通、船舶车辆、新能源等领域。在航空航天领域，碳纤维凭借其轻质且高强度的特性，成为飞机、导弹等关键部件的首选材料。在风电叶片领域，众多碳纤维生产商积极与风电设备制造商展开合作，共同研发更适配风电叶片的碳纤维材料。此外，日常生活中的碳纤维棒球棒、网球拍、自行车，早已被大众熟知。
轻量化，同样是轨道交通技术领域的追求。在保证车辆性能的前提下尽可能减轻车身重量、降低运行能耗，是实现轨道车辆绿色化、低碳化的关键技术。
近年来，地铁列车越做越轻，不断地被力学优化的合金材料已经发挥到了性能极限，必须要找到一种综合型的优良材料。通过反复论证，中车四方股份公司选择了将碳纤维复合材料应用到“CETROVO1.0碳星快轨”的设计上。
“以前的地铁列车也有运用碳纤维材料的，但是用作装饰比较多。‘CETROVO1.0碳星快轨’与传统列车最大的不同是，它的车体、转向架构架等主承载结构采用碳纤维复合材料制造，实现了车辆性能的全新升级。”刘金柱介绍，中车四方股份公司联合青岛地铁集团等单位共同攻关，攻克了碳纤维大型复杂主承载结构一体化设计、高效低成本成型制造、全方位智能检测维护等关键技术，在全球首次实现了碳纤维复合材料在商用地铁车辆主承载结构上的应用，使该车具有更轻更节能、强度更高、环境适应力更强、全寿命周期运维成本更低等技术优势。
车身更轻盈，运行更节能。与传统金属材料的地铁车辆相比，一列6节车厢编组的碳纤维地铁车辆的车体减重25%，转向架构架减重50%，整车减重约11%，运行能耗降低7%，每列车每年可减少二氧化碳排放约130吨，相当于植树造林101亩。
“CETROVO1.0碳星快轨”采用“4节动力车+2节无动力车”的编组形式，一共有6节车厢。刘金柱介绍：“如果整列车的车体和转向架都采用碳纤维材料，那么这列车能减重约24吨。假如列车一年运营12万公里，大约可以节省13万度电。”
更长寿
耐疲劳性能更优，延长结构使用寿命，大大降低后期维护成本
手指粗的一束碳纤维，就可以拉动两架飞机。
与如此优质特性相对应的，是碳纤维复杂的生产工艺流程。生产碳纤维要经过上百道工序，三百多项关键技术、三千多个工艺参数，经过十多个系统的集成才能制作完成。因此，碳纤维的价格也比其他材料贵不少。
算一算经济账：生产一列碳纤维地铁列车是否成本太高昂？从制造成本来看，“CETROVO1.0碳星快轨”未来具有可复制性吗？
“对于轨道交通车辆碳纤维复合材料部件，如果要实现产业化与规模化，必须从全寿命周期的角度进行评价。”中车四方股份公司技术中心副主任蒋欣介绍，全寿命周期成本是包括产品从研究、设计、制造、销售、使用直到报废为止的全部费用。只有将材料及材料选型、工艺设计、结构设计、运行维护、回收再利用等全部纳入全寿命周期考虑，才能感受到碳纤维复合材料的应用优势。
蒋欣给记者举了个例子：“与采用传统金属材料相比，碳纤维转向架构架部件具有更强的抗冲击能力，耐疲劳性能更优，延长了结构使用寿命，大大降低了后期维护成本。因此从全寿命周期成本考虑，碳纤维列车更‘长寿’更耐用，前期的投入也就‘划得来’了。”
得益于碳纤维轻量化材料和新技术的应用，碳纤维地铁列车的轮轨磨耗显著降低，大幅减少了车辆和轨道的维护量。同时，通过应用数字孪生技术，为碳纤维列车配置了智能运维平台，实现了整车安全、结构健康及运用性能的自检测与自诊断，能够为应急排故提供秒级响应的故障报警数据，同时收集全寿命周期运维数据。一系列创新之举，提高了运维效率，降低了运维成本，使列车全寿命周期检修成本降低了22%。
在轨道车辆碳纤维技术领域，中车四方股份公司发挥产业优势，通过十余年的研发积累和“产学研用”协同创新，搭建了全链条研发、制造、验证平台，形成了从碳纤维结构设计研发到成型制造、仿真、试验、质量保障等成套工程化能力，可提供全寿命周期一站式解决方案。
更舒适
碳纤维立柱摸起来不冰手，主动径向技术有效控制转弯带来的噪音
与青岛地铁1号线正在运营的黄色列车相比，这列以炭黑色为基础色的碳纤维列车尤为显眼。
走进头部车厢，可以看到碳纤维立柱、碳纤维座椅，充满未来科技感。“与普通的不锈钢立柱相比，碳纤维立柱大概减重了50%，轻量化成果明显。除此之外，它摸起来更舒服些，尤其在冬季乘车时，乘客握着立柱不会觉得冰手。”刘金柱介绍。
日常生活中，在乘坐某些线路的地铁列车时，乘客会感受到较大的噪音和晃动，影响乘坐体验。蒋欣解释道，“地铁列车每节车厢下面有两个转向架，每个转向架上有两个轮对，能帮助轨道交通车辆进行转向。但当地铁列车在通过小曲线半径线路，也就是‘急转弯’时，轮对与钢轨的摩擦加剧，所以会产生比在直线上行驶时更大的摩擦，带来噪音。”
针对这一困扰轨道交通领域已久的问题，项目团队研究出了主动径向技术。在列车过弯时，可通过快速精确调整轮对相对位置，主动控制车辆轮对沿着径向通过曲线，降低轮轨作用力对车辆和基础设施的影响，大幅降低了轮轨磨耗和噪声。此外，这一改进能够节省30%至50%车轮保养成本。
地铁运行于相对封闭的地下空间，防火安全至关重要。据了解，每一列地铁车辆在正式投入使用之前，都必须经过15分钟耐火测试，从而保证车辆外部一旦起火，火势在15分钟内不会蔓延至车厢内。
碳纤维具有很高的热稳定性和化学稳定性，在非极端条件下不会燃烧，而碳纤维复合材料中通常含有树脂等材料作为黏合剂，对防火性能是有所影响的。刘金柱介绍，为了满足碳纤维列车的防火性能，列车底部喷涂了膨胀型防火涂料。在遇到火源时，涂料会迅速膨胀形成致密的碳纤维层，隔绝氧气和热量的传递，从而阻止火势蔓延，保障乘客安全。
目前，“CETROVO1.0碳星快轨”已完成厂内型式试验，按照计划，年内将在青岛地铁1号线投入载客示范运营。未来，碳纤维列车将在更多线路、更多城市奔跑，给人们带来新的乘坐体验。
商用碳纤维地铁列车的问世，推动了地铁车辆主承载结构由钢、铝合金等传统金属材料向碳纤维新材料的迭代，打破了传统金属材料结构减重的瓶颈，实现了我国地铁列车轻量化技术的全新升级，将在推动我国城市轨道交通绿色低碳转型、助力城轨行业实现“双碳”目标中发挥重要作用。