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复合材料在高铁中的应用

高速铁路列车成为工业发达国家缓解公路、水运和空中交通拥挤的一个重要途径,包括中国在内的世界众多国家已把高速列车的发展作为未来列车发展的一个重要目标。当今,高速、安全、舒适成为当今高速铁路技术发展的重点,减轻动车组车辆自重、提高动车组速度是铁路工业发展的目标。

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和谐号

复合材料在列车上的应用,按承力特征大致可分为两类:复合材料非主承力件和复合材料主承力件。其中复合材料非主承力件又可分为主承力件(如车身、地板和座椅等非主承力件)和辅助件(洗漱间、厕所和水箱等辅助构件),而复合材料主承力件主要是指列车车体、司机室和转向架构架等列车的大型承力构件,它是复合材料取代传统材料,实现车辆轻量化的关键。

1、复合材料在列车辅助件和一般承力件上的应用

日本新干线使用的高速客车中,玻璃纤维增强素料(GFRP)复合材料主要使用在车窗内饰框、洗漱间、厕所、小便池、水箱、集便箱、车前头盖板、双层客车两端车顶板、空调风道的天花板以及餐车空调盖板的侧天花板等部位。为减少受电弓周围的空气动力噪声,在车顶上安装的受电弓罩也是采用GFRP材料制造。200系东北、上越新干线客车采用蜂窝夹层材料制造地板、中间间壁门等。

同样,法国TGV高速列车也大量采用纤维增强塑料(FRP)制造地板、墙板、门窗框架、座椅和车门等。采用FRP制造这些构件,除重量轻外,还具有易于设计、减轻维修作业,以及可采用整体成型降低成本等优点。此外,厕所用玻璃钢地板,整体卫生间在国外已较普及,既解决腐蚀问题,又达到减轻重量的目的。

意大利ETR500型高速列车上,所有的内部结构边墙、天花板和行李舱都使用了高比刚度复合材料夹层板——两层Tedlar聚氟乙烯塑料薄层中夹有Nomex蜂窝芯材玻纤酚醛层压板;欧洲之星列车也使用酚醛蜂窝板做其内部结构件。

英国的铁路部门通过试验后发现,选择芳纶纤维增强复合材料做受电弓头,其性能非常令人满意。近年来,复合材料还被用做抗冲击部件,并且取得了很好的试验结果。

2、复合材料制造列车主承力件

目前,纤维增强复合材料在承载结构件上的应用也越来越多,其技术已基本接近实际应用。列车司机室、车体和转向架构架等作为列车的大型承力构件,在整车结构重量中占有较大比例,车体部分自重占车辆自重的15%~35%,转向架占车辆自重的25%~35%。因此,这些部分是应用新材料的主要研究领域。

(1)高速列车的司机室。其前端外形要制成鼻状形,既要轻量化,又要耐冲击,在此FRP获得了广泛的应用。英国城间的125型机车司机室的前端是用层压的FRP板包覆聚氨酯泡沫芯构成夹层结构,比钢制件轻30%~35%,并可耐0.9Kg重方钢块以300Km/h速度的冲击;意大利ETR500高速动力车头部采用Kevlar纤维和环氧树脂模压成型,其刚性和抗冲击性良好,列车最高速度达300Km/h。

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高速列车司机室

(2)复合材料车顶。复合材料在车顶盖上的应用能降低车辆的重心,增加车体运行的稳定性。日本铁道综合技术研究所与东日本客运铁道公司合作,用碳纤维增强塑料(CFRP)制成高速列车车顶,该CFRP车顶通过胶粘与铝合金框架相连,然后再通过焊接与车体上铝合金侧壁连在一起。试验表明,采用这种车顶的车体具有较高的气密强度和较低的重心,而且每节车厢减轻约300~500Kg

(3)复合材料车体。车体的按工艺不同分为两种:

1、将厚为2.1mm曲面板与纵梁制成一体,将拉挤成型的CFRP外板铆接在铝合金框架上,试制车体长6000mm,宽3300mm,高3290mm,重量为680Kg。

2、热压成型制成长1000mm,宽3320mm高3300mm的两个半圆形车体,然后互相铆接在一起,较之铝合金车体重量减轻30%。而且酚醛基CFRP较之铝合金有良好的耐高温性能,铝合金在400℃和40MPa的应力之下会产生大的挠曲变形,而酚醛基CFRP在500℃和130MPa的应力变形很小。

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车体3D

(4)复合材料转向架。机车车辆的转向架是支承车体、保证列车平稳运行的重要部件,其构架是对强度和耐疲劳性能要求特别高的大型承载构件,德国AEG和MBB公司就在联邦研究技术部的支持下,研制出世界上第一台复合材料构架的转向架,型号为HLD-E,设计速度200Km/h。继德国之后,日本也试制成功CFRP转向架构架,构架自重为0.3t,比普通钢制构架减轻了70%,该构架测梁为CFRP层压材料叠层结构,板厚16.4mm,横梁采用缠绕成型,最高设计速度160Km/h。

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高速列车转向架

文章来源:新材料研习社


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