編者按

國外在軌道交通用復(fù)合材料領(lǐng)域的研究已有將近半個(gè)世紀(jì)，雖然目前國內(nèi)軌道交通、高鐵等發(fā)展迅速，且國內(nèi)復(fù)合材料在該領(lǐng)域應(yīng)用如火如荼，但是與國內(nèi)大量采用碳纖維復(fù)合材料有所不同，國外軌道交通中大量采用的復(fù)合材料中增強(qiáng)纖維更多的是采用玻璃纖維，如本文中提到的TPI復(fù)合材料公司開發(fā)車身用復(fù)合材料中碳纖維占比不到10％，其余的是玻璃纖維，因此在保證輕量化的同時(shí)又可以平衡了成本。大量采用碳纖維不可避免造成成本難以控制，因此可以在一些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件如轉(zhuǎn)向架等應(yīng)用。 

50多年來，熱固性復(fù)合材料生產(chǎn)商N(yùn)orplex-Micarta一直在制造用于軌道交通應(yīng)用的材料（包括火車、輕軌制動(dòng)系統(tǒng)以及高架電軌的電氣絕緣）方面保持穩(wěn)定的業(yè)務(wù)。但是如今，該公司的市場正在從相對狹窄的細(xì)分市場擴(kuò)展到其他更多的應(yīng)用，例如壁、屋頂和地板。

Norplex-Micarta的業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)DustinDavis認(rèn)為，在未來幾年中，鐵路和其他大眾運(yùn)輸市場為其公司以及其他復(fù)合材料制造商和供應(yīng)商提供的機(jī)會(huì)將越來越多。這種預(yù)期的增長有幾個(gè)原因，其中有一種是歐洲采用的消防標(biāo)準(zhǔn)EN 45545-2，該標(biāo)準(zhǔn)對大眾運(yùn)輸提出了更嚴(yán)格的防火、防煙和防毒（FST）要求，通過使用酚醛樹脂系統(tǒng)，復(fù)合材料制造商可以將必要的防火和防煙性能納入其產(chǎn)品中。

另外，公共汽車、地鐵和火車的運(yùn)營商開始意識(shí)到復(fù)合材料在降低噪聲振動(dòng)和刺耳聲方面的優(yōu)勢。 Davis說：“如果您曾經(jīng)在地鐵上聽到過金屬板在嘎嘎作響。若面板是由復(fù)合材料制成的，則它會(huì)減弱聲音，從而使火車更安靜?！?/span>

復(fù)合材料的重量更輕，也使其吸引了對減少燃料使用和擴(kuò)大其使用范圍感興趣的公交運(yùn)營商。市場研究公司Lucintel在2018年9月的一份報(bào)告中，預(yù)測2018年至2023年之間，用于大眾運(yùn)輸和越野車輛的復(fù)合材料的全球市場將以每年4.6％的速度增長，到2023年有望達(dá)到10億美元的價(jià)值。機(jī)遇將來自各種各樣的應(yīng)用，包括外部、內(nèi)部、引擎蓋和動(dòng)力總成零件以及電氣組件。

Norplex-Micarta現(xiàn)在生產(chǎn)的新零件目前正在美國的輕軌線上進(jìn)行測試。此外，該公司繼續(xù)采用連續(xù)纖維材料專注于電氣化系統(tǒng)，并將其與更快固化的樹脂系統(tǒng)結(jié)合在一起。Davis解釋說：“您可以降低成本，提高產(chǎn)量，并將FST酚醛樹脂的全部功能推向市場?！彪m然復(fù)合材料可能比類似的金屬零件貴，但 Davis說，成本并不是他們正在研究的應(yīng)用決定因素。

輕巧，阻燃 

歐洲鐵路運(yùn)營商Duetsche Bahn的66輛ICE-3快車車隊(duì)進(jìn)行了翻新，這是復(fù)合材料滿足客戶特定需求的能力之一?？照{(diào)系統(tǒng)、乘客娛樂系統(tǒng)和新座椅的安裝給ICE-3軌道車增加了不必要的重量。此外，原始的膠合板地板不符合新的歐洲防火標(biāo)準(zhǔn)。該公司需要一種地板解決方案，以幫助減輕重量并符合防火標(biāo)準(zhǔn)。輕質(zhì)復(fù)合材料地板就是答案。

位于德國的復(fù)合材料面料生產(chǎn)商Saertex為其地板提供了LEO?材料系統(tǒng)。Saertex集團(tuán)全球營銷主管Daniel Stumpp表示，LEO是一種分層的非卷曲織物，比機(jī)織織物具有更高的機(jī)械性能和更大的輕量化潛力。四組分復(fù)合材料系統(tǒng)包括特殊的防火涂料、玻璃纖維增強(qiáng)材料、SAERfoam?（具有集成3D-玻璃纖維橋的核心材料）和LEO乙烯基酯樹脂。

復(fù)合材料制造商SMT（也位于德國）使用英國公司Alan Harper制造的可重復(fù)使用的硅真空袋，通過真空灌注工藝制造了地板?！拔覀儚囊郧暗哪z合板中節(jié)省了大約50％的重量，” Stumpp說。“LEO系統(tǒng)基于具有非填充樹脂系統(tǒng)的連續(xù)纖維層壓板，具有出色的機(jī)械性能……。此外，復(fù)合材料不腐爛，這是一個(gè)很大的優(yōu)勢，特別是在冬天下雪并且地板很濕的地區(qū)。” 地板、頂部的地毯和橡膠材料均符合新的阻燃標(biāo)準(zhǔn)。

MT生產(chǎn)了超過32,000平方英尺的面板，迄今為止，這些面板已安裝在八列ICE-3列車的約三分之一中。在翻新過程中，正在優(yōu)化每種面板的尺寸，以適合特定的汽車。ICE-3轎車的OEM對新的復(fù)合材料地板印象深刻，以至于它已訂購復(fù)合材料車頂來部分代替軌道車中的舊金屬車頂結(jié)構(gòu)。

走的更遠(yuǎn)

加利福尼亞州的Proterra是零排放電動(dòng)公交車的設(shè)計(jì)者和制造商，自2009年以來一直在其所有車身中使用復(fù)合材料。2017年，該公司的電池充電Catalyst?E2公交車單程行駛1100英里，創(chuàng)造了世界紀(jì)錄。那輛公共汽車的特點(diǎn)是由復(fù)合材料制造商TPI復(fù)合材料公司制造的輕質(zhì)車身。
最近，TPI與Proterra合作生產(chǎn)了集成的一體式復(fù)合材料電動(dòng)公交車。TPI戰(zhàn)略市場高級(jí)總監(jiān)Todd Altman解釋說：“在典型的公共汽車或卡車中，有一個(gè)底盤，車身位于該底盤的頂部。憑借公共汽車的硬殼設(shè)計(jì)，我們將底盤和車身集成在一起，類似于一體式車的設(shè)計(jì)?！痹跐M足性能要求方面，單一結(jié)構(gòu)比兩個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)更有效。

Proterra單殼車身是特制的，從零開始設(shè)計(jì)為電動(dòng)汽車。奧特曼說，這是一個(gè)重要的區(qū)別，因?yàn)樵S多汽車制造商和電動(dòng)客車制造商的經(jīng)驗(yàn)都嘗試過有限的嘗試，以將其用于內(nèi)燃機(jī)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)改編為電動(dòng)汽車。“他們采用現(xiàn)有平臺(tái)，并嘗試盡可能地裝入電池。從各種角度來看，這并不能提供最佳的解決方案?！盇ltman說。

例如，許多電動(dòng)公交車的電池都安裝在車輛的后部或頂部。但是對于Proterra，TPI能夠?qū)㈦姵匕惭b在總線下方?！叭绻谲囕v結(jié)構(gòu)上增加很多重量，則無論從性能還是從安全角度出發(fā)，都希望該重量盡可能的輕，”Altman說。他指出，許多電動(dòng)公交車和汽車制造商現(xiàn)在都在回到圖紙上，為他們的車輛開發(fā)更高效且有針對性的設(shè)計(jì)。

TPI已與Proterra簽訂了為期五年的協(xié)議，將在TPI位于愛荷華州和羅德島州的工廠生產(chǎn)多達(dá)3,350個(gè)復(fù)合材料客車車身。

需要定制

設(shè)計(jì)Catalyst總線主體需要TPI和Proterra不斷平衡所有不同材料的優(yōu)缺點(diǎn)，以便它們可以達(dá)到成本目標(biāo)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)最佳性能。Altman指出，TPI在生產(chǎn)長約200英尺長、重達(dá)25,000磅的大型風(fēng)葉片方面的經(jīng)驗(yàn)使他們生產(chǎn)40英尺重在6,000至10,000磅之間的公共汽車車身相對容易。

TPI能夠通過選擇性地使用碳纖維來獲得所需的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并保留它來加固承受最大載荷的區(qū)域?！拔覀冊诨旧峡梢再徺I汽車的地方使用碳纖維，”Altman說?？傮w而言，碳纖維僅占車身復(fù)合材料增強(qiáng)材料的不到10％，其余的是玻璃纖維。

TPI選擇乙烯基酯樹脂的原因也與此類似?！爱?dāng)我們查看環(huán)氧樹脂時(shí)，它們很棒，但是當(dāng)您固化它們時(shí)，必須升高溫度，因此必須加熱模具。這是一筆額外的費(fèi)用，”他繼續(xù)說道。

該公司使用真空輔助樹脂傳遞模塑（VARTM）來生產(chǎn)復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)，從而為單體外殼提供必要的剛度。在制造過程中，一些金屬配件（例如螺紋配件和攻絲板）被結(jié)合到主體中。母線分為上下兩部分，然后粘合在一起。工人必須稍后添加一些小的復(fù)合材料裝飾件如整流罩，但是零件的數(shù)量只是金屬總線上的零頭。

將完成的車身發(fā)送到Proterra巴士生產(chǎn)工廠后，生產(chǎn)線的流動(dòng)會(huì)更快，因?yàn)橐龅墓ぷ鞲佟！八麄儾槐剡M(jìn)行所有的焊接、研磨和制造過程，而且它們的接口非常簡單，可以將車體連接到傳動(dòng)系統(tǒng)上，”Altman補(bǔ)充說。Proterra節(jié)省了時(shí)間并減少了開銷，因?yàn)閱误w外殼所需的制造空間更少。

Altman認(rèn)為，隨著城市轉(zhuǎn)向電動(dòng)公交車以減少污染和削減成本，對復(fù)合材料公交車車體的需求將繼續(xù)增長。根據(jù)Proterra的說法，與柴油、壓縮天然氣或柴油混合動(dòng)力公交車相比，電池電動(dòng)汽車的運(yùn)營生命周期成本最低（12年）。這可能就是Proterra說現(xiàn)在電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)巴士的銷售額占整個(gè)運(yùn)輸市場銷售額的10％的原因之一。

復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于電動(dòng)客車車身仍然存在一定的障礙。一種是不同的公交車客戶需求的專業(yè)化。“每個(gè)運(yùn)輸當(dāng)局都喜歡以不同的方式獲得公交車-座椅配置、艙口打開方式。對于公交車制造商來說，這是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，其中許多配置項(xiàng)可能會(huì)流向我們?！盇ltman說?！熬C合的車身制造商希望擁有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)建，但是如果每個(gè)客戶都希望進(jìn)行高度的定制，這將很難做到?！?TPI繼續(xù)與Proterra合作以增強(qiáng)總線設(shè)計(jì)，以更好地管理最終客戶所需的靈活性。

探索可能性

復(fù)合材料公司正在繼續(xù)測試其材料是否適合新的大眾運(yùn)輸應(yīng)用。在英國，專門研究回收和再利用碳纖維的技術(shù)的ELG Carbon Fibre領(lǐng)導(dǎo)著一個(gè)企業(yè)聯(lián)盟開發(fā)輕型復(fù)合材料用于客車的轉(zhuǎn)向架。轉(zhuǎn)向架支撐汽車的車身，引導(dǎo)輪對并保持其穩(wěn)定性。它們通過吸收鐵軌的振動(dòng)并在火車轉(zhuǎn)彎時(shí)最大程度地減小離心力的作用來幫助提高乘坐舒適性。

該項(xiàng)目的一個(gè)目標(biāo)是生產(chǎn)比同類金屬轉(zhuǎn)向架輕50％的轉(zhuǎn)向架。ELG產(chǎn)品開發(fā)工程師Camille Seurat說：“如果轉(zhuǎn)向架更輕，它將對履帶造成的損壞減少，并且由于履帶上的負(fù)載會(huì)降低，因此可以減少維護(hù)時(shí)間和維護(hù)成本?！?nbsp;附加目標(biāo)是將車輪側(cè)向輪軌力降低40％，并提供終生狀態(tài)監(jiān)測。英國非營利性鐵路安全與標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)（RSSB）為該項(xiàng)目提供資金，目的是生產(chǎn)具有商業(yè)可行性的產(chǎn)品。

已進(jìn)行了廣泛的制造試驗(yàn)，使用壓模、常規(guī)濕法鋪層、灌注和高壓釜的預(yù)浸料制成了許多測試面板。由于轉(zhuǎn)向架的生產(chǎn)將受到限制，因此該公司選擇了在高壓釜中固化的環(huán)氧預(yù)浸料作為最經(jīng)濟(jì)高效的建造方法。

全尺寸的轉(zhuǎn)向架原型車長8.8英尺、寬6.7英尺、高2.8英尺。它由回收的碳纖維（ELG提供的非織造墊）和原始碳纖維織物的組合制成。單向纖維將用于主要的強(qiáng)度元件，并將使用機(jī)器人技術(shù)將其放置在模具中。選擇具有良好機(jī)械性能的環(huán)氧樹脂，將是一種新配制的阻燃環(huán)氧樹脂，已通過EN45545-2認(rèn)證，可在鐵路上使用。

與由轉(zhuǎn)向橫梁焊接到兩個(gè)側(cè)梁的鋼制轉(zhuǎn)向架不同，復(fù)合材料轉(zhuǎn)向架將被制造為不同的頂部和底部，然后結(jié)合在一起。為了替換現(xiàn)有的金屬轉(zhuǎn)向架，復(fù)合材料版本將必須在同一位置結(jié)合懸架和制動(dòng)器連接支架以及其他配件?！澳壳埃覀冞x擇保留鋼制配件，但對于進(jìn)一步的項(xiàng)目，將鋼制配件替換為復(fù)合材料式配件可能很有趣，這樣我們可以進(jìn)一步減輕最終重量，” Seurat說。

伯明翰大學(xué)的傳感器和復(fù)合材料小組的一個(gè)財(cái)團(tuán)成員正在負(fù)責(zé)監(jiān)控傳感器的開發(fā)，該傳感器將在制造階段集成到復(fù)合轉(zhuǎn)向架中?！按蠖鄶?shù)傳感器將專注于監(jiān)測轉(zhuǎn)向架上離散點(diǎn)的應(yīng)變，而其他傳感器則用于溫度傳感，”Seurat說。傳感器將允許對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而可以收集使用壽命載荷數(shù)據(jù)。這將提供有關(guān)峰值負(fù)荷和長期疲勞的有價(jià)值的信息。

初步研究表明，復(fù)合材料轉(zhuǎn)向架應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)所需的重量減輕50％。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)希望在2019年中期準(zhǔn)備一輛大型轉(zhuǎn)向架進(jìn)行測試。如果原型機(jī)的性能達(dá)到預(yù)期，它們將生產(chǎn)更多轉(zhuǎn)向架，以測試由阿爾斯通鐵路運(yùn)輸公司生產(chǎn)的有軌電車。

根據(jù)Seurat的說法，盡管仍有許多工作要做，但初步跡象表明，有可能制造出一種商業(yè)上可行的復(fù)合轉(zhuǎn)向架，該轉(zhuǎn)向架在成本和強(qiáng)度上可以與金屬轉(zhuǎn)向架競爭。她補(bǔ)充說：“ 之后我認(rèn)為復(fù)合材料可用于鐵路行業(yè)有很多選擇和潛在的應(yīng)用。

來源：碳纖維及其復(fù)合材料技術(shù)

作者：錢鑫博士

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