复合材料在高速轨道交通领域的应用.pdf

《复合材料在高速轨道交通领域的应用.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《复合材料在高速轨道交通领域的应用.pdf（4页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、2 0 0 3 年 增刊 2 0 0 3 年 l 2月 2 0 日 机 乍 电 传 动 ELECTRI C DRI VE FOR LoCOM OTI VES Su p p l e me n t 2 0 0 3 DP C 2 0 2o 0 3 的应用 摘 要：介 绍 了复 合材料 的主要性 能，发 达 国家 复合 材料 在 高速 轨道 交 通领 域 的应 用 实例 以及 国 内复合 材料 的发 展情 况，以促进 复合 材料 在 国内 高速机 车 上的 应用。关 键词：复合 材料；轨 道交 通；高速；应用 中图分 类 号：T B 3 3：U 2 3 8 文献标 识 码：A 文 章编 号：1 0 0

2、 0-1 2 8 X 2 0 0 3)S 0-0 0 4 6-0 3 作者 简介：黄 再满(1 9 6 9 一)，男，1 9 9 1年 毕 业 于 武 汉 理 工 大 学材 料 系结 构 力 学专 业，硕 士 处 长，高 级 工 程 师 “8 6 3”课 题 副 组 长 现 主 要 从 事 复合 材 料 工 艺及 应 用研 究 以 及 相 关 项 目管理 等 工 作 Ap p l i c a t i o n s o f c o m p o s i t e s i n r a i l wa y t r a n s p o r t a t i o n HUANG Za i-ma n，CAO S h

3、 u-f e ng (B e i j i n g F R P R&D I n s t i t u t e，B e i j i n g 1 0 2 1 0 1，C h i n a)Ab s t r a c t：T h e p a p e r i n t r o d u c e d ma i n p r o p e r t i e s o f c o mpe s i t e s，t h e i r a p p l i c a t i o n s i n h i g h s p e e d r a i l wa y t r a n s p o r t a t i o n i n d e v e l

4、o p e d c o u n t r i e s a n d d e v e l o p me n t i n Ch i n a，i n o r d e r t o a c c e l e r a t e a p p l i c a t i o n o f c o mp o s i t e i n h i g h s p e e d l o c o mo t i v e a t h o me Ke y wo r d s：c o mp o s i t e s；r a i l w a y t r a n s p o rt a t i o n；h i g h s p e e d；a p p l i

5、 c a t i o n 0 引 言 复合材 料是 由基体 材料(聚合 物材 料、金属、陶 瓷)和增 强体(纤 维、晶须、颗粒)复合 而成 的具 有优 异 综合 性能 的新 型材料。是 2 O世 纪发 展最 迅速 的新 材 料之一。它具 有高 比强 度、高 比模 量、耐腐蚀、隔热、耐 磨 等优 异性 能 在航 天、航 空、交 通运 输、基 础设 施 中 发挥 了 巨大的作 用 成 为这些领 域产 品性 能提 高 和升 级换代 的关键 材料。在高速 轨道交 通领 域 纤维 复合 材料 也正 成 为越 来越重 要的一类材料。除被用于 内部设 备和装修 装饰 材料 以外 在 承载结构上 的应用也越来

6、越 多。1 复 合材 料 的优 势 1 1质 轻 强 度 高 用 复合 材 料做 成 的构 件，质量 小、强 度 高、刚 性 大，是一种 理想 的结构 材料。表 1是 复合 材料 与金 属 材 料 的力 学性 能 比较。可 见 复 合 材 料 比一 般 的金 属 材 收稿 日期：2 o o 3 -2 2 基金 项 目：国家“8 6 3”资助 项 目(2 0 0 1 A A3 3 5 0 2 0)料 的比强度、比模 量要高 出 l 一 5倍。1 2可 设 计 性 强 纤 维复合材料 的最显著特点是 高 比强度 和高 比刚 度 并且它可 以在一个很 宽的范 围内变 化，因此 复合 材 料可 以通过

7、材料选择、结构设计、铺 层设 计等方法解 决 各种技 术难题。现 在使 用 的纤 维 从 弹性 模量 为 7 O GP a、强度 为 3 5 0 0 MP a的 玻 璃 纤 维 到 模 量 为 6 0 0 GP a、强 度 为 2 0 0 0 MP a的高模量碳纤，其性 能范围很宽。根据 已知 的有关复合 定律 通过选择材料，可 以改变其性能，因此 每个结构件都可 以根据要求找到一种最佳 的铺层结 构。1 3安全性 高(高疲劳 强度和低缺 口敏感度)疲 劳特性是涉 及安全性 的主要问题。其 实在复合 材料 被用于轨道 车辆 的结构件 之前，就 曾被用于制造 航天 飞机、军 用 飞机、民用 飞机

8、 中的结 构件，应用 于高 应 力 领 域 若 有失效，很 多是因为动 态承载结构 件超过 了疲 劳强度 而致使其破 坏。金属材料也 面临同样的 问题。金 属材 料的振动强度 通常都 比其 静态强度小得 多。而复 合材料 的这 2个 数值几乎没有 什么 区别。承受连续振 动 的金属结构件上 有 了缺 口，很快就会导致 裂纹扩展 维普资讯 http:/ 增 刊 黄 再满，曹 淑凤：复合 材料 在高 速轨 道交 通领 域 的应用 表 1 复 合材料 与 其他材 料 的力 学性 能 比较 并 出现早 期 破 坏，而在 复 合材 料 中，力被 转移 到 邻 近 层，因此缺 口的影 响大大降低。由于 复

9、合 材料对扩展 裂 纹 的敏感 度很低。即使 出现损 伤，也 不致被立 即破 坏。l 4 。乏 干 扰 l 内 复 合 才 料 l l 未。l 0 、；：昙 叠 物 鐾，6 一-、二=3 一 ：0 1 0 l 0 2 l 0 3 l 0 4 l 0 s l 0 6 l 载 荷循 环 N I 1 不 同 衰 减 量 的 纤 维 复 合 材 料 的 耐 久 性 能”有缺 口和裂纹 的试样 的静态强度 比未 破坏 的试 件 的强度要低(图 1)，但 3个试样 的疲劳强度一 样。由此 可 见复合材料 的安全性和可靠性 高。1 4成 本 低(1)随着 原材 料 的发展 和工 艺 的进 步，复 合材 料

10、的成本 正在逐步降低：(2)由于 采用模 块化 设 计及整 体 成 型技 术，大 大 降低 了结构 的复 杂性，并减 少 了生产 和总装 所需 要 的 工作量，降低 了生 产成本：(3)由于复合材 料 的耐疲 劳、耐腐蚀 等特性，降低 了维 护、修理 成本：(4)由于减重，提 高 了运 营 能力，减 少 了能 耗，寿 命周期成 本(L C C)得到 了降低。2 复 合材 料 在 国外 轨 道 交通 中的应 用 树脂基 复合材料在高 速轨道交通领 域主要用作 车 内装 饰、车体 设备 等非 结构零 件材 料。随着 复合 材 料 技术 的进 步，近年来 也不 断用 于车体 等 结构件上。2 1 车

11、厢 内饰 件 日本新 干线 的高 速列 车 中，采 用 G F RP(玻璃 纤 维增强 塑料)复合 材料 制 作 车 窗 内饰、洗 漱 间、厕 所、小便 池、水 箱、集便 箱、车 头前端 盖板、双层客 车两 端 侧顶、兼 作 空调 风 道 的 天 花板、餐 车 空 调盖板的天花板 等。为 了减少 受电 弓 周 围的空气动力噪声，车顶上安装 的受 电弓罩亦 采用 G F RP材 料。2 2车 头 前 端 部 玻璃 纤维增强 塑料的一个典 型应用是制造 流线型 车头外壳，如“欧洲之 星”的车头 前端部。借助计 算机 辅助设计 可以得到非常精 确 的形状。意大利 E T R 5 0 o高 速列车 的

12、车头前 突部分采用 芳 纶纤维增 强环氧树脂 复合材料。用这种材料模 压成型 的车 头符合空气动 力学线型要求，具有优异 的抗 冲击 能力，当列 车 以 3 0 0 k m h速度行 驶时 有很好 的尺 寸稳 定 性。2 3车体 结 构 车辆 车体结构 的质 量在 整车 中所 占的 比例较 大，通常在 1 5 3 0。要提高车辆 速度减小车辆 质量，就 必须优先 考虑车体结 构的轻量化。过去人们 习惯 把铝 合金作 为车体轻量化 的首选材料，由于车辆轻量 化的 要求越来 越高，于是人们把 目光转 向复合 材料。法 国 国家 铁路公 司(S NC F)对于未来 的 T GV高 速 列车，考虑 到

13、 迫 切需 要进 一 步 减小 车体 质 量。双层 T G V拖 车采 用 复合材 料，并进 行 线路 运 行试 验，对其 耐火性、抗 冲击强度 等进行 了运 行测试。证 实 了用 复合 材料制造 车体是 可行 的，其强 度 比铝制 或钢制车体 的 大，预计用碳纤 维复合材料制 造 的车体 质量 比铝制 车 的减 少 2 5；同时也 证 实 了复 合 材料 车体 在 抗 振性 能、透声性 能和绝热性 能方面 的优 点，提 高了乘车 的舒 适 性。辛 德勒车辆公 司应 用玻纤或碳纤 维缠绕制成 了轻 型承 载结构 车体，1 9 9 5年首次 装于 S I G侧倾 式转 向架 上 的 3辆试 验

14、车 体在 瑞 士联 邦 铁 路线 上进 行 运 行 试 验，运 行速度达到 1 4 0 k m h，结 果令人满 意。车体结构 具 有质量小、舒适性好、安全性高、成本低 等优点，可 以 取 代铝合金结构进 行生产 日本 的制造 工艺是采 用拉挤 的方法制 造 C F R P曲 面外 板 0 ，再 用铆 钉强 面板 铆 接在 铝构 架 上。实 验表 明，通 过优化设 计，可 以制 出满足需 求 的车 体，并且 在 刚性方 面也得到 了与铝制车体结构 相 当的效果 维普资讯 http:/ 2 0 03正 2 4转 向 架 构 架 转 向架是 支承 车体 的重要 部件，转 向架构 架是 特 别重要

15、的高 强度部 件。因关 系到整 个 车辆 的安全，转 向架构 架必 须满 足安全、运 行舒适 以及耐 磨 和易检 修 等要求。从环境 方面考 虑，它还要 符合能耗 低、质量小 和 声学性 能 良好 的要求。德 国戴姆 勒 奔 驰集 团 的 2家 企业 A E G 和 MB B 与德 国联邦铁路(DB)紧密合作 开 发了世 界上第 一 台 纤维 复合 材料的转 向架构架。复合材 料转 向架 构架通 过 了静态模 拟实验、耐久试 验、运行 试验 以及“商业 检 验”在运 营 了 1 0 0多万 公里后 检测 未发 现 任何损 坏、磨损或撕 裂。复合材 料转 向架构 架与现 用 的转 向架构 架相

16、比 质量 大大 减小 零 件数减 少 运行性 能提 高(主要指 舒 适度 和受 力程度)，声 扩散小，降低 了检修 成本。2 5复合材料轮心 德 国正在 研究 采用 复合材 料 制造 轮心 可减小 质 量 2 以上，并 具有 降噪 以及缓 和车轮 与钢轨 间 冲击 的效 果 3国 内前 期技 术 基 础 国内的复合材料 经过 4 0多年的发展 无论在 数量 还是质 量上都得 到了长足的进步。在轨道交通 领域 的 应用也逐 年增 长 现 阶段 复合材料在 客车上的应用有：整 体卫生 间、机车 司机 台、内墙板、通 风管道 等产 品。但 工艺 较 为落 后。北 京 玻 璃钢 研 究设 计 院(以下

17、 简 称“北玻 院”)从 7 0年代就 开始研究 复合材 料在交通 运输领域 的应 用 在 以下材料及 成型技术上取 得 了进展并得 到应用。3 1 阻燃 技 术 复合材料 的阻燃技术 主要 包括材料技 术和成 型技 术 两个 方面。根据 阻燃等级 和使 用要 求 不 同 分为结 构 型阻燃材料 和添加型阻燃 材料。(1)结构 型阻燃材料 酚醛 树脂是 典 型的结构 型阻 燃树 脂 其 阻燃 性能 十分 出色。在伦 敦地 铁火灾 发生后 酚 醛制 品是 唯一 获得 伦敦 地铁 和海峡 隧道公 司批 准使 用 的复合 材料 但其 工艺性较差。在“八五”期 间，北玻 院承担 了国家“八五”项 目“

18、酚 醛 S MC技 术”，对 酚 醛结 构 和 成 型 工 艺 进 行 了 系 统 研 究，并通 过酚 醛结构 改性解 决 了酚醛 复合 材料 制 品性 能和工艺性 问题(2)添 加型阻燃材料 早期的 聚酯 复合材料是 通过添加 卤素来提高燃烧 等级 的。但是 卤化树脂在燃烧 时会产生烟 雾和毒性很 高 的气体。烟雾会阻碍人 们逃生，导致缺 氧窒息或 中毒 而 昏迷甚至死亡。2 0世纪 9 0年 代。北玻 院通过 添加新 型阻燃 剂和 烟雾 抑制剂解决 了制品阻燃 和烟雾 问题，并 在伊朗地 铁 支架制品 中得 到应用。地 铁支架 达到了德 国设计标 准。3 2表 面 技 术 2 0世 纪 9

19、 0年 代 以来 北玻 院在 国家“九五”项 目 “汽车复合材 料制品”的支持下对 R T M、B MC等复合材 料 制 品 的 A级 表 面技术 进 行 了研究 取得 了较 大进 展 解决 了关 键材料和工 艺控制技术 目前 已应 用于车 用部 件的开发。3 3复 合 材 料 成 型 技 术(1)模 压 技 术 模压技术是将 树脂和增 强材料或经过 预浸处理 的 增 强纤 维 放 人 模 具，加 压 成 型。该 过 程 需 要 合 适 的 工 模 具 和模 压机。由于是在 压力作用下 成型，并能 精确地控 制 树脂 纤维 的 比例 制 品具 有 尺寸 精度 高、强度 大的 优点。可用 于制造

20、高速列 车的座椅构架、挡风板 和车 门 等结 构件。2 0世纪 8 0年代 北玻 院首 次采用 S MC工艺生 产 了列 车的窗框。(2)缠绕技术 纤维 缠绕成 型是在 控制纤维 张力和预定线 型的条 件下，将连续 的纤维粗纱 或布带浸渍树 脂胶液、连续地 缠绕在 相应于制 品内腔尺寸 的芯模或 内衬上 然后 固 化 成 型 的一 种 工 艺 方 法。这 种工艺生产 的制品 比强度 高 可设 计性好 适 于 稳定 的工业 化生产。辛 德勒车辆公 司应用该技术绕 制 了轻 型承载结构车 体 。(3)拉 挤 技 术 拉挤 工艺将预浸树 脂后的纤维拉 过加热 的金属模 具，使 之 固化 成型。其 特

21、点是连续 成型 效率高；通过更 换 模具 可以制造各种截 面的型材。日本采用 该工艺生产 GF R P曲面板，制造车体。(4)树脂 传递模 塑(R T M)技术 R T M 工艺将 树脂 注入封 闭模腔，浸 渍预铺 覆的增 强材料，尔后 固化成 型。其特点是 初始投 资少、环境 污 染 小、产 品尺寸稳 定性 好、双 面光洁 可 以生产 夹心结 构 的产 品，适于 中等批 量的制 品生产 典型应用是 采用该工艺 制造高速车 车头部件。(5)S C RI MP技 术“十五”期 间，北玻 院在 国家“8 6 3”计划 项 目“车用 树脂基 复合材料 大型构件制造关(下转第 5 2页)维普资讯 ht

22、tp:/ 2 O0 3年 l 湖 南省 复合 材料 r程技 术 研究 I f 1 心研 制 部 分j H复合材 料 的高速 4 部件(左：1 头端 盖：I 1：机 仪表妊：l：4 f】窗框)基础 上，对机 车 车辆 的 内部 设备、装 饰 材料 及辅 助 设 备用 复合材 料进行改 造；同 时进行 高性 能复 合材 料车 体、转 向架 等 承 力结 构 的研 究开 发 工 作 力争 早 日使 成 熟 的 技 术 投 入 市 场，赶 上 和 超 过 围 际 水 平：并 开 展 高性 能 复合材 料制作 车轮、制 动盘 等承 力结构 的深 入 研究。抢 占技术 制 高点 为 以后 的发 展 打下

23、坚 实 的基 础。复合 材料应 用 于高速 列车，还 有一 些问题 有 待进 一步研 究I：如 何降 低高速 列 车 复合材 料 构件 的 制造 成 本：如 何 提 高 高 速 列 车 用 复 合 材 料 的 阻 燃 性 能：如 何 解 决高 速 列 车大 型 复合 材 料构 件 整 体成 型 的技 术 问题 和 相 应 的环 保 问 题 复 合材 料 大 量应 用 于高 速 列 车是 高速 列车 技 术 和复合 材料 技 术 发 展的 必然 趋 势，可 以归 纳 为：复 合 材料 用 于次承 力件 向用 于 主承力件 发 展；结构 复合 材 料应 用 向结 构、功 能复合 材料 同时应 用

24、发展。制造 高 速 车 聚 合 物 复 合 材 料 构 件 的 工 艺 南手 糊 为 主 向 S MC、R T M、托挤、编织 成型等 发展，并将 逐步型材 化。各 种先进 复合 材料、先进复 合结 构 如蜂 窝 夹层 结 构、泡 沫 夹层 结 构、功能 层 合板 将 成 为铁 路 系统 和 高 速列车 的研 究开发重点。C F R P将 作为 2 l世纪车辆 构 架 轻 量 化 的 主 要 材 料。速 度 2 0 0 k m h以 上 的高 速 列 车 新 型制 动 盘摩 擦 材 料等 采用 复 合 材料 已成 为迫 切 需 求，研 究开发迫在 眉睫。同时，具有人 体亲合性的天 然 纤 维

25、增 强 复合 材 料 在 高 速 列 车 上 的 应 用 也 将 逐 步 受 到 人 们 关 注 参 考 文 献：l：术 焕 成，张 祖光 军 机 离乍 存 力设 计 与复 合材 料 防护装 甲：J：航 夺 制造 f 一 程，l 9 9 3，(1 O)：3 2j 杨允 表，石洞 复 合材料 谯桥 梁 丁程中的应 用 J 桥 梁建设 1 9 9 7，(4)：1 4 ：3 李 晓 娟 用 于大 型 船的 复 合材 料 中外 船 舶科 技 J：，1 9 9 5、(3)：l 8 2 3 4 曾 竞成，刘 钧 景 游 览车聚 合 物复 合 材料 乍 本的研 制：J：玻 璃 钢 复合材 料，2 0 01

26、【3)：3 8 4 1 5 畅 建 光 科技 专家 话提 速 J 科技 参考资料，2 0 0 0，(I 1)：1 6 汗 燕 乍辆结构 材料技 术 J 国外机 车 乍辆 I 艺、1 9 9 7，(3)：l 7 铃 术康 文【日】高速 客 车 复合 材料 J 同外铁 道车辆，1 9 9 5，(6)：2 4 8 j 阳 波 复合材 料 在铁路 高速 客 车 中的 应J j J 热 同性 树 脂、1 9 9 5，(4)：3 8-41 9 顺 振i 复合 材料 在铁 路高 速 列车 上的 应用 J 玻璃 钢 复合 材 料 1 9 9 8，(1)：3 4 l O 陶 勇 因 外高 速 列 车 的材 料

27、与。r艺 进 展(上)J j，同外 机 车 车辆 I 艺、l 9 9 3 (1)：1 I 1 j刘 钧、曾竞 成 R T M 注 射 成 型 列车 机 车片j 复 合 材 料 车门，窗 框 J：纤 维 复合 材料、2 0 0 2、(3)：l 一 3 l 2 森 l H斡 郎、川 越 诚 日 日本 未 来 复 合 材 料 J：纤 维 复 合 材 料、l 99 9、(3)：5 4 5 5(上接 第 4 8页)键技 术”的支持 下，对 S C R I MP技 术进 行 了研究 并取 得 进 展。S C R I MP工艺 是针对 大型构 件 成型而开 发 的一种 新 型技术。其特 点是 成型效 率高：产 品 的纤 维含量 可 达到 8 0 ，强度 高；原材 料使 用范 围广：适 于制造 大型 结构件。参考文献：1 R o l f J L e o 复 合材料 在 高性能 铁路 车辆 转 向架上 的 应用 J 1 国外 机 车车辆 1=艺 1 9 9 6，(4)2J J C A RRU T HE R S，等 铁路 客 车壳体 结构 复合 材料 J 围外机 车 车 辆 l丁艺，1 9 9 8，(5)3 铃木 康木 复合 材料 在铁道 车辆 部 门的 应用现 状与 趋势 J 国外机 车辆 1 二 艺 1 9 9 7，(1)维普资讯 http:/