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轨道交通或为碳纤维国产化带来机遇 相关应用标准成拦路石?

轨道交通或为碳纤维国产化带来机遇 相关应用标准成拦路石?

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发布时间:
2019/03/27
【摘要】:
“复兴号”动车组在京沪高铁实现了350公里时速的运用,高速列车速度无疑迈进了一个新的阶段。随着后续列车速度的进一步提高,车辆的轻量化就变得尤为必要。根据目前轨道列车轻量化方案来看,车体局部结构件中使用了更轻、更强的碳纤维复合材料。国内碳纤维复合材料在轨道交通领域的应用起步较晚,但发展迅速,中车集团开展了大量研制及试验研究工作,目前在司机室、头罩、操控台、内饰板、设备舱、导流罩等方面获得应用。“这是

“复兴号”动车组在京沪高铁实现了350公里时速的运用,高速列车速度无疑迈进了一个新的阶段。随着后续列车速度的进一步提高,车辆的轻量化就变得尤为必要。根据目前轨道列车轻量化方案来看,车体局部结构件中使用了更轻、更强的碳纤维复合材料。

国内碳纤维复合材料在轨道交通领域的应用起步较晚,但发展迅速,中车集团开展了大量研制及试验研究工作,目前在司机室、头罩、操控台、内饰板、设备舱、导流罩等方面获得应用。

“这是一个趋势,高性能复合材料将会从内部装饰等慢慢延伸到列车车体、承载结构等部件。碳纤维复合材料在轨道交通领域的发展潜力巨大,但是,这对碳纤维复合材料在轨道交通装备领域批量化应用提出了低成本、高效率、高质量的要求。” 在刚结束不久的中国轨道交通产业大会上,中车研究院技术研究部高级工程师陈朝中在接受新材料在线®的专访时表示。

中车研究院技术研究部高级工程师陈朝中

从碳纤维复合材料的批量制造能力、成本控制、生命周期评价等角度的综合考虑,陈朝中认为,碳纤维复合材料在轨道交通的应用前景比较乐观。

应用前景乐观

2018年9月,德国柏林国际轨道交通技术展上,中车四方正式发布新一代碳纤维地铁车辆“CETROVO”。CETROVO采用碳纤维技术,整车“瘦身”13%。值得一提的是,CETROVO的诞生标志着国内成功突破碳纤维大型复杂件结构设计、制造成型等关键技术,实现了碳纤维复合材料在车体、转向架构架、司机室等车辆主承载结构上的全面应用。

与传染金属材料相比较,CETROVO的车体、司机室、设备舱分别减重30%以上,转向架构架减重40%,整车减重13%。

尽管CETROVO交出亮眼的轻量化成绩单,不过目前而言,如何造出更多的“CETROVO”,即碳纤维复合材料在轨交列车上的批量化应用仍是业界亟待破解的问题。“碳纤维复合材料目前是受到轨交行业高度关注,但还处于起步发展的阶段。”陈朝中说。

成本是影响批量化生产的重要因素之一,对于业界而言,从研制阶段来看,材料选型、创新设计、仿真优化、低成本制造工艺等阶段都需要开展低成本技术的研究,需要进行成本把控。

以设计为例,由于碳纤维复合材料属于各项异性材料,其最大的优势就是可设计性。以大部件设计为例,大部件每个部分的受载情况不一致,碳纤维的铺层厚度不一样,这时需要通过设计和仿真优化技术,获得满足功能性要求并且用材最少、重量最轻的最佳方案。

此外,设计必须与制造相结合,碳纤维用量的铺层设计会影响到后端的制造,“脱离工艺的设计,传递到制造环节,会导致制造困难甚至造不出来,也会带来成本的攀升,所以两者必须结合起来。”陈朝中说。

不过,与前期投入的成本相比,在轨道交通碳纤维复合材料突破批量供应后,其后期运营成本将降低。

从碳纤维复合材料的耐候性等特征来看,碳纤维复合材料在轨交车辆的长期服役上具有优势。高速列车的设计寿命为30年,根据相关研究显示,金属车体在服役期间价格加维护价格成本占整个生命周期价格成本的60%以上。

导入碳纤维复合材料应用后,与金属材料的成本对比来看,参考航空航天的案例,碳纤维复合材料与金属材料结构的生命周期相差无几,甚至成本略低。

“复合材料导入应用之后的轻量化带来的轨道交通车辆运行和维护的成本降低,是很有积极意义的。”陈朝中对新材料在线®表示。

应用标准建设已经展开

碳纤维复合材料在轨道交通的应用面临桎梏不止于材料的成本,与其他行业类似,其产业化同样绕不开标准的问题。

从全球范围来看,轨道交通装备结构仍以金属材料为主,无论是国际或者国内,金属材料在轨交装备上的应用已经形成比较完善的标准体系,而对于碳纤维复合材料而言标准体系处于空白阶段。

标准体系的缺失意味着碳纤维复合材料产业在制造与设计时缺少标杆准则去遵循。陈朝中举例到,当车体受到细小硬物的冲击时,对金属和碳纤维复合材料产生的损伤是完全不一样的。对复合材料产生的冲击会导致内部缺陷的产生,在碳纤维复合材料长期服役中,这种损伤对复合材料长期服役性能的影响需要研究,建立相关标准进行指导。

此外,以工艺选择为例,不同工艺带来的内部制造缺陷不同。比如航空航天中主承载部件与次承载部件的缺陷标准不同,主承载件的孔隙率要求控制在0.5%以下,随着承载能力的要求降低,孔隙率的标准也需要放宽。

“标准的缺失导致难以说服下游客户,因此标准建立这一系统性的工程需要业界不断地努力,逐步建立起来,这也将有利于推进碳纤维复合材料在轨道交通中的应用。”

陈朝中表示,中车研究院作为轨道交通碳纤维复合材料标准体系建设的主导单位,目前正在开展相关的工作,“相信随着标准分析、研究的不断深入,会出现一些非常好的成果。”

国产化的好机会

从我国“先进轨道交通装备技术路线图”来看,节能环保的绿色智能,是我国轨道交通装备行业的重点方向,碳纤维复合材料带来的轻量化,越来越受到业界关注。这或许是国产化的一个机会。

碳纤维复合材料的应用不仅是轻量化。从中车四方公开披露的资料来看,CETROVO相较传统金属材料的地铁,综合节能达到15%以上。

陈朝中在轨道交通产业大会上演讲时也提到,复合材料在轨道交通装备领域应用的必要性在于:节能、增强可设计性、降低轮轨磨耗、减少维护、改进舒适性、减少部件尺寸、增加容量。

陈朝中介绍,车身轻量化后,也可以相应减少部件尺寸。比如车身重量下降后,车辆惯性降低,刹车距离也随之缩短,如此一来传统庞大的刹车系统可以小型化,而部件小型化后,车辆的减重空间又变大,“这是一个良性循环的过程。”

早在2000年,法国就已经将碳纤维复合材料应用在车身,并实现了减重40%。日本、德国也成功实现了将碳纤维复合材应用在车钩、转向架等部件。

陈朝中认为,轨道交通碳纤维复合材料的发展是全产业链的问题,特别是对于上游而言,需要解决国产化碳纤维性能稳定性及与之相匹配的高性能树脂等问题。“随着上游的发展,国内的碳纤维复合材料会越来越好,将会给轨道交通等下游应用带来更多的通畅环境。”