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復合材料在軌道交通上的應用與發展

蔣鞠慧，陳敬菊。
(1.中材集團有限公司，北京 100035，2.北京玻鋼院復合材料有限公司，北京 102101)

摘　要：本文綜合評價了復合材料的性能，并對復合材料在國外軌道交通領域上的應用實例與發展情況作了詳細介紹。
關鍵詞：復合材料；軌道交通；應用

　　復合材料是由基體材料(聚合物材料、金屬、陶瓷)和增強體(纖維、晶須、顆粒)復合而成的具有優異綜合性能的新型材料，是本世紀中發展迅速的新材料之一。我國軌道交通建設已進入繁榮期，這為復合材料產業提供了一個大有可為的嶄新空間。用復合材料做成的構件重量輕、強度高、剛性大，對減輕車廂重量，降低噪聲、振動，提高安全性、舒適性，減少維修等均有重要作用，已成為理想的高速軌道交通用結構件。除用作軌道交通內部設施和裝飾材料外，其在承重結構上的應用也越來越廣泛。

1　復合材料的性能特點

　　先進復合材料的相對質量密度在1.5～2.0之間，只有普通碳鋼的1／4～1／5，而機械強度卻達到或超過普通碳鋼的水平。車體是車輛的大型承載構件，在質量上占有很大比例，為達到輕量化的要求，除了鋁合金外，先進復合材料已成為車體的首選材料之一。為了增加運輸乘客的能力，可使用不同的先進復合材料對車輛各部件重新設計，涉及到的材料包括碳纖維、玻璃纖維、環氧樹脂和酚醛樹脂等，而用蜂窩、泡沫結構則比傳統的鋁結構質量減輕30％。而且復合材料具有高疲勞強度和低缺口敏感度，極大提高了安全性能。
　　先進復合材料表而富含樹脂，而樹脂具有良好的耐腐蝕性能、耐候性能及阻燃、低毒、低發煙性能。根據具體的使用環境狀況，有針對性地選擇樹脂來生產復合材料，可使樹脂基復合材料達到所要求的耐腐蝕性能、耐候性能及阻燃性能。由于復合材料的抗疲勞、抗沖擊和耐久性能好，使用復合材料還可以延長車輛的壽命(耐老化還意味著減少維修次數)。新的防火材料可以防止火焰擴散，消除煙霧，增加安全性。
　　先進復合材料的可設計性很強，為適應多方面的用途要求提供靈活性。先進復合材料產品設計時可從選材、結構形式及成型工藝等方而全而考慮，充分發揮各自材料的優點，避免它們的缺點。因此，先進復合材料不僅給設計人員提供了一種比強度、比模量高的材料，而且還提供了一種在一定程度上可隨意設計的材料。同時可通過有限元計算，在減重的同時達到結構優化的目的，使列車性能更優越。列車外形可采用符合空氣動力學的輪廓，降低整車重心，增加車輛穩定性；而內裝飾可設計成更流暢、美觀的外形，增加乘客的舒適感。使用復合材料可減少甚至消除結構支撐，增加客車空間，便于裝配，減低內部噪聲。
　　多部件一體化是降低成本的有效途徑。在中批量生產的車型中，用先進復合材料取代鋁材可以降低成本40％左右，從產品研制到形成批量生產的開發周期也大大縮短。復合材料部件安裝簡便，可與鋼制品一起進行高溫烤漆，熱膨脹系數近似于鋼材，較容易與鋼材組合使用；且與薄鋼板相比，被物體碰撞后不易留下凹痕。

2　復合材料在國內外應用發展概況及應用實例

　　在80年代前，復合材料主要用于航天、航空、先進武器系統等軍事領域，隨著軌道車輛綜合性能的提高，復合材料已在軌道交通中廣泛應用。根據法國國營鐵路公司(SNCF)的線路運行試驗和Schin-dlerWaggon公司在瑞士聯邦鐵路線上進行的運行試驗，軌道車輛車體結構可以使用復合材料，其技術已達到實用化程度。復合材料車體結構具有重量輕、舒適度好、安全性高、成本低等優良特性，可以取代鋁合金結構進行實用化生產。在車廂內飾件方面，日本新干線的高速客車中，采用GFRP(玻璃纖維增強塑料)復合材料制作車窗內飾、洗漱間、廁所、小便池、水箱、集便箱、車前頭蓋板。雙層客車兩端頂、兼作空調風道的大花板，餐車空調蓋板的天花板等部位亦被采用。為了減少受電弓周圍的空氣動力噪聲，而在車頂上安裝的受電弓滑板亦采用GFRP材料制造。我國藍箭、中華之星以及和諧號高速列車的一部分輔助件也采用了復合材料，如司機臺儀表框、車門窗框、車頂罩、蓄電池箱等，目前還只是局限于車內裝修裝飾件、座椅和車頭罩等。在軌道交通的站臺、軌線設施中還需要大量絕緣、耐腐蝕的復合材料型材構件、制品。本文將從車廂內飾件、車輛車體和軌線設施三部分分別論述國內外復合材料在軌道交通中的應用。
　　車廂內飾件
　　目前復合材料在軌道交通領域用途廣泛的仍然是內飾件，車廂內飾件的制造要求是造型復雜和采用高比剛度的板材，其主要應用部位情況如下：
　　(1)車門、車窗
　　國外客車車門主要采用FRP復合材料制作，我國目前已有專門的研發、生產和應用。這種車門具有重量輕、強度高、使用可靠、制造方便等優點。英國XP64型客車、MKIII型客車均安裝了聚酯FRP復合材料門。法國的Mietra客車采用FRP復合材料夾層模制整體車門。前蘇聯26m長的輕型客車車門為三層夾層結構，中間填充泡沫塑料，內外殼為FRP復合材料。
　　法國制造的歐洲標準客車Y型車的內窗框用FRP復合材料制造。英國客車車宙裝飾外包層采用阻燃的聚脂樹脂和E玻璃纖維。日本京浜800型快車上首先使用FRP復合材料整體成型的內框。日本681系電動車客室內是使用FRP復合材料多的車輛，其中就包括內窗框。
　　(2)座椅
　　國外FRP復合材料座椅較為普遍。如英國XP64型客車、MKIII型客車、法國“珊瑚號”、日本部分客車和30系地鐵車、前蘇聯二等客車等均用FRP復合材料制造座椅。我國藍箭、中華之星和和諧號高速列車的座椅亦用復合材料制造。
　　(3)客車墻板、頂板、地板
　　國外客車端板一般采用FRP復合材料和泡沫塑料夾層結構。如德國漢堡高速鐵路上的客車端板。捷克、瑞士、荷蘭等國也用FRP復合材料做客車內墻板。
　　英國有的客車上內頂板采用白色FRP復合材料。日本特快電動車上的內頂采用的是FRP復合材料大型部件。法國新型Mistra客車上采用FRP復合材料頂板。瑞士標準客車、奧地利BM02系列空調車側走廊頂板也都采用FRP復合材料制造。
　　采用FRP復合材料制造客車地板因成本高，國外只有少數采用。如英國的XP64型客車采用FRP復合材料制作地板。我國目前已有企業開發出仿大理石玻璃鋼地板用于鐵路客車。
　　(4)廁所、盥洗間、集便箱
　　廁所、盥洗間、集便箱是極易腐蝕部件，適于采用FRP復合材料制造。國外客車的廁所、盥洗間地板及集便箱大都采用FRP復合材料。德國新研制的客車衛生間大量使用FRP復合材料，其墻板、地板、便器及便器蓋均采用FRP復合材料。美國、英國、日本、荷蘭等國使用FRP復合材料整體衛生間。衛生間的頂板、墻板、地板均采用FRP復合材料制造，粘結連接為一整體。整體衛生間能可靠地保護相連接的金屬構件，使之不會產生腐蝕破壞。集便箱采用FRP復合材料制造可提高使用壽命。日本新干線車輛的集便箱由FRP復合材料制造，其結構為在FRP復合材料制橢圓形外殼周圍，用加熱方法粘接聚氯乙烯泡沫塑料，并在上面再手糊一層FRP復合材料的夾層結構。
　　(5)臥鋪、茶桌、行李架
　　日本12系14型臥車的上鋪和中鋪采用FRP復合材料制造。581系電動車的臥鋪框架也是FRP復合材料制造。法國的大西洋TGV-A裝用的可折疊式茶桌采用FRP復合材料制造，重量只有鋁茶桌的1／2。德國Apm123型空調客車和高速運輸的客車及一、二等混編列車都是采用FRP復合材料層壓板制造。
　　(6)制動盤和剎車片
　　各國對高速軌道交通列車制動盤進行了大量的研究工作，其重點主要放在制動盤材料的選取上，法、德、日、英等國在這一領域走在前列。上述不僅對傳統的摩擦制動材料進行了一系列的材料改進和優化工作，而且致力于開發新型材料，如顆粒增強鋁基復合材料和碳/碳復合材料，以減輕列車簧下重量，降低牽引功率損耗。德國鐵路部門投巨資，由KnoorBremse公司研制了高速列車用碳纖維復合材料盤形制動器，日本、法國開發研制的碳纖維復合材料剎車片已成功應用于新干線和TGV高速列車制動。我國湖南大學陳振華教授主持完成的高速列車鋁基復合材料制動盤及其閘片項目，通過了來自鐵道部等單位的專家組的鑒定，鑒定專家一致認為該項目整體達到國際先進水平，建議盡快裝車試運行。
　　有研究稱，對于行駛時速在250～300km／h之間的高速列車，采用價格適中的陶瓷顆粒增強鋁基復合材料制作制動盤，不僅可以減輕列車自重，而且具有優良的制動性能，但需要在降低成本、改善性能及結構匹配等方面進行系統研究。對于時速超過350km／h以上的超高速列車，應采用碳/碳復合材料制作制動盤，復合材料應采用低廉的工藝方法制備，材料表面應進行致密化處理和抗氧化處理，并應對制動器結構進行改進，以保證材料表而不吸濕，抗氧化，彌補其摩擦系數波動較大等特點。
　　(7)空調風道及其他部件
　　德國城間運輸用的新型二等空調開敞式客車都是采朋FRP復合材料層壓板制成。高速列車是通過受電弓滑板從路網導線上獲取電能，驅動牽引電機運行來帶動列車行駛，因此滑塊質量穩定是高速列車正常行駛的前提。目前受電弓滑板較成熟的技術是采用樹脂基復合材料，而具有創造性和新穎性的則是采用石墨基炭-炭復合材料，在高速列車滑板制造技術和工藝研究上取得了重大突破，解決了國際性難題。另外，國外客車還用FRP復合材料制造其他的小部件，如法國國際聯運用的二等客車毛巾架和垃圾箱、德國開敞式客車的窗簾框及槽等。
　　車輛車體
　　復合材料在軌道交通的一些次結構上的應用在國內外已有多年歷史，但在車輛車體結構上的應用，目前國外有應用實例，而國內只局限于用在車頭蓋。車輛車體結構的重量在整車中所占的比例較大，通常在15％～30％左右。因此，提高車輛速度需要解決車輛輕量化，就必頌優先考慮車體結構的輕量化。過去人們習慣把鋁合金作為車體輕量化的首選材料，由于車輛輕量化的要求越來越高，于是人們把目光注視到復合材料上來。
　　(1)轉向架
　　轉向架由構架、驅動裝置、輪軸、彈簧、制動裝置及與車體連接的裝置構成。轉向架構架的主梁一般由6～12mm的鋼板焊接而成，轉向架的質量占車輛質量的25％。現在法國、德國、日本等正在試制鋁合金或FRP制的轉向架，除質量可以減輕50％以外，CFRP轉向架還具有減振效果。然而這種轉向架除了成本和制作方法的問題外，其可靠性及耐久性等問題也尚無定論，迄今尚未進入實用化階段。
　　法國正在研制FRP車輪，輪心為FRP材料，與鋼制輪殼用膠粘劑粘接。這種車輪除能減輕彈簧質量20％以外，還有降噪及緩和輪軌沖擊等效果。美國采用超高分子量聚乙烯(UHMWPE)制造心盤墊、車鉤托板磨耗板、緩沖器與鉤尾框間磨耗板。此材料耐磨性比其它塑料高15倍，比鋼制品高4倍。應用UHMW PE制造的心盤墊、磨耗板已運行了80萬公里而未發生損壞地不需潤滑、維護。此外美國轉向架軸承也采用UHMW PE材料制作，完全能滿足轉向架旁承承受高負荷的要求。美國鐵路還采用尼龍制造轉向架框、制動拉桿磨耗套等。軸承保持架采用塑料制造的趨勢已很明顯，法國使用纖維增強尼龍制造軸承保持架，比黃銅保持架耐磨、壽命更長。
　　(2)車體
　　瑞士Schindler車輛公司在漢諾威博覽會上展示了采用纏繞技術制造的泡沫夾芯三明治結構FRP整體鐵蹄車輛車體。該車體成型使用一臺專門設計的重35t、長25m的纏繞機和一個重16t、直徑3.8m的矩形模芯，電纜管和空調管在成型時敷設在泡沫層中，窗口待脫膜后切出。與鋁制車體相比，這種采用FRP整體纏繞成型的車體可減輕車體20％～25％的重量。另外用鋼或鋁制作車體，在焊接地板、車頂和側墻時需大量的手工作業，只有很少的部位可以使用焊接機器人。用本工藝可實現生產高度自動化，構件數量大大減少，使車輛制造減少計劃、設計和后勤費用，并縮短生產時間，車輛車體重量的降低，也降低了機車能源消耗和輪、軌的磨損。目前該公司對車體按標準進行一系列實驗，包括耐火實驗、車體的三點彎曲實驗和整段車體的結構承載能力實驗等，結果令人滿意。目前該公司計劃將這種車輛打入歐洲輕軌交通市場。德國Adtranz公司開發了一種命名為Regio Shuttle的FRP和金屬混合結構的客車車體。該車體采用鋼型材做車身構架(采用鋼材是因為鋼材比鋁合金容易焊接)。用酚醛FRP三明治夾芯板做車體板，車體板采用特殊的彈性粘合劑固定在鋼結構框架上。這種新設計的車體結構充分發揮了這兩種材料的長處。
　　(3)車頭蓋
　　英國的Intercity25是早采用FRP整體成型的駕駛審端蓋的機車之一，其芯材料使用聚氨酯泡沫，外蒙皮整體成型，內蒙皮分三件拼合，電線和各種導管固定在泡沫芯材中。采用這種方法制造的駕駛室比傳統鋼結構駕駛牽重量輕30％～35％，同時這種FRP整體成型的駕駛室端蓋具有很好的抗沖擊能力，能承有客觀存在重0.9kg的立方體鋼塊以350m／h的速度沖擊。意大利ETR500高速列車的車頭前突部分采用的是芳綸纖維增強環氧樹脂的FRP復合材料，用這種材料模型成型的符合空氣動力學線型要求的車頭具有優異的抗沖擊能力，當列車以300m／h速度行駛時有很好的尺寸穩定性。我國藍箭機車的車頭蓋是采州RTM工藝成型的前鼻端，手糊工藝整體成型導流罩；中華之星動力車的車頭蓋和導流罩也是復合材料制成，大白鯊高速電動車組采用流線形頭形，車頭蓋用復合材料制作。這些產品重量輕、強度高，阻燃性好、耐腐蝕、耐溫性好。
　　軌線設施
　　復合材料在軌道交通領域用于軌線設施多的是地鐵軌線中，主要應用有電纜支架、疏散平臺、DC1500V，供電軌的支座及防護構件、復合軌枕等。
　　(1)電纜支架、疏散平臺
　　英吉利海峽隧道中使用FRP復合材料電纜槽，總長度450公里，總重量超過2200噸。其技術要求非常嚴格，要求耐蝕、防火、高強、絕緣，且外形較復雜，終選擇了FRP復合材料拉擠型材，取得了滿意的效果。
　　地鐵車站隧道的主體結構鋼筋、隧道內的金屬管線、構件極容易被腐蝕，因此采用復合材料電纜支架、地鐵護罩和疏散平臺基本解決了區間隧道潮濕環境的金屬銹蝕問題及區間隧道各種設備產生的電化腐蝕問題，減少了運營維護的工作量，大大加強了運營的安全性。復合材料疏散平臺與電纜支架輕質高強，可現場切割，滿足區間隧道有限空間的設備安裝需要，且安裝簡單方便。復合材料疏散平臺滿足區間隧道防火要求，導熱系數低、火場環境溫度下有可滿足乘客安全疏散的機械強度。利用復合材料性能的“可設計性”使材料達到優的性能組合，可針對軌道交通實際工況和使用方式，要求復合材料疏散平臺與電纜支架達到高強度、高剛度、電絕緣性、防火性、耐腐蝕性、耐老化性、耐疲勞性等，同時可滿足疏散平臺而的時摩擦性。目前國內廣州地鐵對不受潮濕環境、雜散電流電化腐蝕等影響的非金屬材料進行了研究，并將電纜支架、管線支架與疏散平臺構件組合設計，形成電纜支架、管線支架與疏散平臺一體化的組合式復合材料構件，大量應用于地鐵三、四號線中。
　　(2)供電軌的支座及防護構件
　　供電軌的支座與防護裝置需在高電壓條什下工作，材料的絕緣強度是必須保證的指標，供電方式尚需延伸到地下線路，因此其防火性能也類同于電纜支架。此外，為保證列車的受電靴與供電軌之間具有良好的動態接觸關系，還需具備機械強度和抗沖擊能力。在北京地鐵的5號線支撐防護系統中也應用了大量復合材料，北京地鐵5號線為上接觸方式，在地而及高架段采用復合材料絕緣子支撐，復合材料絕緣子是用玻璃纖維增強不飽和聚酯樹脂膜塑料高溫模壓制成型。為滿足隧道內潮濕的使用條件，隧道區段采用復合材料的整體絕緣支座，整體絕緣支架采用SMC片狀模塑料(璃纖維增強不飽和聚酯片材)在高溫高壓下使用金屬對模的模壓成型法壓制成型，玻璃纖維含量一般可達30％。5號線全線采用玻璃纖維增強不飽和聚酯樹脂復合材料制成的防護罩及防護罩支架。防護罩支架安裝于接觸軌上，具有相當高的承載能力，與整體絕緣支架所采用復合材料一致，也是采用聚酯片材壓制成型，防護罩采取連續拉擠工藝制造。
　　(3)復合軌枕
　　復合軌枕在國外鐵路軌道上已開始鋪設應用多年。加拿大已批量生產復合軌枕，日本用合成木材FFU復合軌枕已鋪設多年，并應用大號碼高速道岔復合岔枕，FFU用玻璃長纖維加強的聚氨酯樹脂的發泡體制成，具有高強度，耐久性的特性，FFU軌枕重量輕加工性優越，易于現場調整，能維持高精度軌道在車輛高速行駛時的穩定性，并可替代木材，保護森林資源。
　　(4)走道格柵、護欄格柵
　　走道格柵護欄格柵采用復合材料拉擠型材，具有外形美觀、耐腐蝕、免維修等優點，雖然價格略高于普通碳鋼格柵，但低于不銹鋼格柵，是一種常見的復合材料制品，在國外應用普遍。

3　結　語

　　復合材料在軌道交通上的麻川發展方向從復合材料裝飾件到仝復合材料的高速列車，都展示了巨大的優勢及其在軌道交通領域廣泛的應用前景。國內除應用現有技術和工藝，為高速軌道車輛研發、配套車門、整體衛生間等車體設備和裝飾件外，應深入研究具有自主知識產權的復合材料制造技術及其批量化產品，促進我國高速軌道交通事業的發展。當前我國正處于軌道交通建設的繁榮時期，已經成為上大的城市軌道交通市場。對于復合材料產業而言，這是一個嶄新的、大有可為的應用領域，作為復合材料行業的工作者應抓住這一契機，提高復合材料在高速軌道領域的應用水平。

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