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论述轨道车辆中应用纤维复合材料在的影响

2020-05-23 367 上传者：管理员

摘要：纤维复合材料因其优异的性能已被广泛应用于各个领域。国内轨道车辆关于碳纤维材料的研究和应用起步较晚，但近几年该技术得到了飞速发展。文章介绍了纤维复合材料的特点，对复合材料在轨道车辆中应用的优势进行了分析，概述了纤维复合材料在我国轨道车辆中的应用现状。

关键词：
应用
碳纤维复合材料
综合性能
轨道车辆
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纤维复合材料是以金属、玻璃、陶瓷、有机材料等为基体，复合以纤维，以提高或改善其综合性能的新型材料。纤维复合材料技术在近年来得到了飞速发展，因其优异的性能被广泛应用于各个领域，如基础设施建设、交通运输、航空航天等领域。

近年来，随着我国轨道交通行业的飞速发展，关于轨道车辆新型材料的研究越来越多，应用新型材料的比重也越来越大。其中，关于纤维复合材料的研究和应用最为突出。这是因为纤维复合材料可以根据设计需求，通过不同基体和增强体材料的选择、不同比例的调配及采用不同的成型工艺，能够得到拥有不同综合性能的新材料，如良好的隔热、耐腐蚀、耐磨、高比模量、高比强度等性能，这一特性是传统单一材料无法满足的。

在轨道车辆设计中，复合材料已被大量应用于车辆的内饰、内部设备等部位，在受载荷的结构部位也得到了一定应用。采用复合材料制成的结构件具有强度高、质量轻、刚性大等优点，其制造工艺通常采用近终形成型技术，无须深加工，可大幅降低制造成本。轨道车辆应用复合材料还可以有效提高车辆的舒适性和安全性，减振降噪，降低车身重量。纤维复合材料已成为轨道交通领域中不可或缺的关键材料。

1、纤维复合材料特点介绍

碳纤维复合材料的比模量与比强度是目前常用材料中最高的，在强度、刚度及烟毒性方面具有明显优势。新型玻璃钢材料具有良好的阻燃、隔音性能。而芳纶复合材料具有阻燃、强度高、耐高温、绝缘等级高、耐潮耐腐蚀、物理化学性质稳定等性质。各类复合材料均具有不同的特性，应用在轨道车辆不同的关键部位。

2、复合材料在轨道车辆中的应用优势分析

2.1 良好的力学性能

复合材料体现了基体材料和增强体材料两者的综合性能，具有强度高、重量轻、刚性大、减振降噪、耐疲劳、隔热保温等优异性能，对于车辆轻量化设计、提高车辆的安全性和舒适性有重要意义。表1可以看出，复合材料的比强度、比模量均明显高于传统的单一材料。

2.2 符合轨道车辆轻量化发展要求

近年来，轨道交通车辆的运营速度越来越高，这就要求轨道车辆在不降低安全性能的同时须做到轻量化设计。而轨道车辆采用复合材料是最有效的方案。

2.3 可降低成本

随着轨道交通运营速度的提升，人们在关注车辆安全性、舒适性的同时，也越来越注重维护成本和运营成本。虽然轨道交通行业的初期投入较大，车辆采用复合材料整体造价明显高于普通材料车辆造价，特别是新材料、新工艺的研发势必要投入巨额资金。但轨道交通运营周期长，从车辆的全寿命周期来看，轻量化车辆一方面能够有效降低车辆运行能耗，降低运营成本；另一方面，复合材料的抗振性、抗疲劳性能、耐腐蚀性能、损伤容限、碰撞吸能性均优于普通金属材料，故车辆的检修维护周期能得到延长，其维护成本可大大降低。因此，从长远利益出发，复合材料能够有效降低车辆的全寿命周期成本。

表1 不同材料性能比较

复合材料优异的应用优势符合轨道交通行业高舒适性、高安全性和节能环保等理念。因此，研究复合材料在车体结构上的应用迫在眉睫，对进一步提高产品质量和市场竞争力将会起到重要作用。

2.4 具有很强的可设计性

高比模量、高比强度是纤维复合材料最为突出的特点，并且这一力学性能可变化范围较宽，因此，通过复合材料基体、增强体的选择和改变材料的成型工艺等措施能够满足各种设计需求。如玻璃纤维的抗拉强度可达3500MPa，弹性模量为70GPa，高模量碳纤维的抗拉强度可达3900MPa，弹性模量为600GPa。且已通过实验得知，通过改变基体材料性能差异很大的复合材料，在结构件的成型过程中，均能够根据设计要求找出最佳的铺层结构。

2.5 良好的可靠性和安全性

影响结构件安全性最关键的一点是材料的抗疲劳性能和缺口敏感度。在此之前，复合材料被广泛应用于航空航天等高应力领域，正是因为复合材料优异的抗疲劳性能和低缺口敏感度。普通金属材料虽然具有很高的静强度，但在剧烈振动的工况下，其强度显著下降，如金属材料结构件某一点出现缺口，在振动和冲击（变载荷）下，缺陷会很快扩散直至结构件损坏。但复合材料的静强度和抗振强度的差异几乎为零，即使结构件出现缺口，材料中的应力会向邻近层转移，不会因为长期的变载荷而被破坏。这也是复合材料零部件的使用寿命远远高于金属材料零部件的原因之一。

3、纤维复合材料在轨道车辆中的应用

3.1 碳纤维复合材料

虽然国内关于碳纤维材料的研究和应用起步较晚，但近几年该技术得到了飞速发展，尤其是在车辆交通领域。例如，中车青岛四方机车车辆股份有限公司在某动车设备舱的设计中采用了碳纤维材料，车辆的抗冲击、耐腐蚀及力学性能均得到保证，设备舱重量较铝合金材料降低约35%。图1所示。

图1 碳纤维材料设备舱

中车长春轨道客车股份有限公司在轨道交通领域研制出具有完全自主知识产权的世界首辆全碳纤维复合材料地铁车体，在柏林展会中亮相，如图2所示。碳纤维在轨道车辆中被广泛运用，如车体外壳、车头罩、城轨车辆司机室头罩、导流罩及司机台、裙板等。

3.2 玻璃纤维复合材料

具有优良的降噪和阻燃性能，机械强度和刚度比表现更为突出。因此，常被用于轨道车辆的座椅、司机室头罩等部位。该材料在其他部位的应用尚处于研究和试验阶段。

3.3 芳纶纤维复合材料

芳纶复合材料相比较传统金属材料具有阻燃、强度高、绝缘等级高、耐潮耐腐蚀、物理化学性质稳定等优良性质，被充分使用在电机、变压器等位置，能够起到良好的绝缘减重作用。

4、结语

复合材料在轨道车辆中的应用将越来越广，特别是在车体结构中具有良好的应用前景。复合材料在轨道交通领域的发展是一个漫长的过程，广大学者在研发过程中应注意以下几点：(1）研发与试验过程中要大量采集数据，并结合理论进行分析，做到反复验证。(2）复合材料结构件设计时，必须充分考虑制造工艺，进行可行性分析和论证，避免不必要的成本浪费。(3）车辆结构设计应尽量采用整体成型方案，以提高车辆的承载能力。

参考文献：

[1]孙国平,RolfJLeo.复合材料在高性能铁路车辆转向架上的应用[J].国外机车车辆工艺,1996(4):1-8.

[2]肖加余,刘钧,曾竟成等.复合材料在高速列车上的应用现状与趋势[J].机车电传动,2003:49-52.

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