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轨道交通车辆复合材料轻量化技术与应用探究

摘要：近年来中国铁路飞速发展，目前高铁轨道主要结构是板式无砟轨道，为提高减震性填充传统材料水泥沥青砂浆。采用复合材料降低成本的目前的重要课题。本文研究过程中首先阐述了复合材料技术在轨道交通中的优势，然后分析轨道交通车辆复合材料轻量化技术难点。

关键词：复合材料；轨道交通车辆；轻量化技术

轨道交通车辆轻量化，可以降低列车在加速和减速下的运行动力与车辆间冲击，能极大地节省能源，有研究表明轨道车辆减重10%可降低能耗7%。同时，轨道车辆轻量化设计还可以减小轨道的磨损与变形，降低线路的维护成本;减少对轨道的冲击力，降低车体振动，提高车体运行稳定性和乘坐的舒适性;轻量化设计能够减少列车动能，改善制动性能，提高运行安全性。传统的结构材料难以满足轨道车辆性能需求，具有轻量化、高强度、高耐候性、可设计性强等优异性能的碳纤维复合材料，能够为解决轨道交通车辆轻量化问题提供可能。

一、复合材料技术在轨道交通中的优势

车辆轻量化可节省能耗，减少磨损，增加有效荷载。车辆的轴向荷载是影响轨道与车辆维护费的关键因素。车轴通过频率导致类似于道渣流态化的结果。车辆减轻自重，可有效延缓轨道退化。

噪声是因车轮驶过与钢轨和轨腰接触时，轮心变形引起。轴重减轻改善了轮轨冲击力度，降低了噪声。紧急制动时，车辆轻量化减少了紧急制动产生的热量。列车质量大，制动装置需热量就大。降低车辆使用成本也追求车辆轻量化。使用复合材料是制造轨道列车的重要发展方向。

高铁列车具有低能耗，高速安全舒适节能等优点，是我国国民经济的重要组成部分。近年来铁路系统进行多次大范围提速，但轨道交通总体运载力不能满足人们的需求。目前我国高铁重要采用无砟轨道结构形势。加快高速铁路发展的重要途径就是对复合材料的应用。

复合材料是由两种不同化学物理性质的组分制成的材料。先进复合材料相对质量密度在1.5-2.0之间，非金属基复合材料分为高聚物基与陶瓷基复合材料。车体是车辆的大型承载构件，为达到轻量化要求，先进复合材料成为车体轻量化首选的材料。可使用不同的复合材料对车辆各部件进行重新设计。

先进复合材料表面富含树脂，具有良好的耐腐蚀性。先进复合材料可塑形强，为适应多方面用途要求提供了灵活性的条件。进复合材料为设计人员提供了一种比强高，比模高的材料。通过有限元计算，达到结构优化的目的。先进复合材料产品设计可从选材结构及成型工艺等方面考虑。先列车外形制作可采用符合空气动力学的轮廓，使内装设施设计更加美观。增加车辆稳定性。使用复合材料可减少结构支撑，便于装配。复合材料抗疲劳性与耐久性良好，使用复合材料可延长车辆的寿命。新防火材料的应用可增加安全性。

二、轨道交通车辆复合材料轻量化技术难点

（一）结构轻量化难点

高速列车运行阻力可以近似与列车质量成线性关系，轻量化对于降低机械阻力效果明显，并能提升传动效率。复合材料结构轻量化设计思想和制造工艺与金属材料差异性很大，虽然复合材料结构强度分析是在金属结构强度分析的基础上发展起来的，但由于复合材料的特点和复杂性，其强度分析比金属复杂得多，也带来更多的不确定性，甚至有些是设计准则的顶层问题，目前还存在分歧，出于安全可靠性考虑，即使有些问题似乎达成共识，也缺乏充足的理论和试验依据。

（二）安全性难点

复合材料与金属材料结构虽然原理相同，但对实际设计来说，差别是非常明显的。金属结构受拉的是关键部位，而复合材料受压的是关键部位。对复合材料结构，最危险的损伤是冲击损伤。冲击损伤是损伤容限的主要研究领域，目前国内外航空行业已经开始大规模地使用损伤容限的思想来设计复合材料结构，最大化地实现结构减重。此方法的基本假设是任何结构材料内部都有来自加工及使用过程的缺陷，而设计的目标是利用各种损伤理论以及给定的外载荷，确定这些缺陷的扩展速度和结构的剩余强度，保证结构在使用过程中现存的裂纹不会扩展成为临界裂纹。

因此普遍采取损伤容限的思想进行设计和维护，大部分的微小损伤其实是不进行处理而是保持监控，但如何监控必须回答两个问题：（1）此损伤尺寸达到多少是危险的，即临界尺寸是多少，损伤达到什么标准必须修理。（2）此损伤从现有尺寸扩展至临界尺寸要多长时间，即如何保证在微小损伤扩展到临界尺寸前即可发现并处理。对于金属材料，借助长期经验，已经可以很准确地进行预估，回答这两个问题。但对于复合材料，其临界损伤和扩展速度都缺乏足够的经验，为此其损伤标准和检查间隔都被迫定得更为严格，从而增加了维护成本，同时也是存在一定风险的。

（三）气动弹性力学难点

气动阻力在高速列车运行阻力中占主导地位，所引起的能耗与运行速度呈线性增长，不同速度下气动阻力能耗占牵引能耗比重为70%（200km/h）、80%（300km/h）、85%（350km/h）。气动弹性对列车的运行稳定性会产生显著影