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铁路与轨道交通 |
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复合材料在铁路行业应用研究 |
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作者：复材在线 |
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复合材料，很多人把它看做一种神奇的材料。它的优点实在太多：重量轻，比强度、比钢度高，因此他被视为传统材料（例如金属、木材）的最佳替代品。
今天，复合材料技术大量采用人造纤维作为基体增强材料，如玻璃纤维，芳纶纤维和碳纤维等等。使得这两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能大大优于原组成材料而满足各种不同的要求。
由于纤维增强材料和树脂基体的选择具备各种组合的灵活性，复合材料为金属结构应用领域提供了很多好处。
研究人员表示，由于复合材料密度较低，并且它固有的优于金属的特性，因此通常在结构中应用至少可以比金属结构减轻27%的重量，并且更具有抗冲击性。
在工业设计领域，复合材料结构受到越来越多的重视。复合材料将高性能纤维和一系列的树脂、金属或陶瓷作为基体，在许多工程中扮演着重要角色。
复合材料结构，已成为工业领域的一类新兴应用。它可以满足严格的生产标准，即使在高温，高压，腐蚀性环境也会有令人满意的表现。
为什么是复合材料？
与传统材料相比，复合材料能够满足不同的设计要求，并且能够最大节省重量和具有很高的强度重量比。除此之外，我们在下面还列举出了复合材料的其它优点：
复合材料的拉伸强度（高达60%的拉伸强度）是钢或铝的4~6倍；
更高的扭转刚度和抗冲击性；
复合材料具有较高的抗疲劳性；
满足同样功能需求的情况下，复合材料比铝结构减重30~45%；
与其它结构材料如钢、铝相比，复合材料的内嵌能量低；
复合材料在工作中，比任何金属发出的噪音都要小，而且提供比其它材料更低的震动传递；
复合材料比金属的设计性更高，可专门满足特殊性能需求和复杂的设计要求；
较长的使用寿命能够提供卓越的耐疲劳性和耐候性，并且可以大大降低维护费用；
与金属材料相比，复合材料具有更低的生命周期成本①；
复合材料具有优良的耐腐蚀性和阻燃性能；
复合材料产品外观精美、细腻；
相比传统的金属部件，复合材料部件可以无需连接件或紧固件，可以为结构提供更简约、集成化设计。
复合材料的主要应用领域
集众多优点于一身的复合材料，在发展中市场凸显出了它的优势，比如印度市场，而且扮演着重要角色。他们致力于发现复合材料更广阔的应用领域。
复合材料具有广泛的应用领域，例如航空航天(制动盘、飞机内部装饰、机盖，机翼等)，汽车(金属基刹车鼓，汽缸等)，化工业(储罐，洗气器，管道，反应器，光栅等)，电器和电子(交换机和金属层压品)，海洋 (拖网船，驳船，船舶舰艇及其它造船部件)，建筑(门窗、铣板和房屋内部装饰)，消费者和运动(盘子、家具、辅助部件、网球拍、高尔夫俱乐部、射箭器材等)。
复合材料与铁路
铁路行业中正在越来越多的使用复合材料，因为这种新型原材料在帮助制造商降低成本的同时还能提高列车性能。结构件减重50%，非结构件减重75%，能够带来一些列好处：提高列车行驶速度，降低能耗，减少轨道磨损，能够运载更多货物。
复合材料的出现，为火车的设计提供了更大的灵活性，使火车性能更为优良（例如：降低重心提高列车行驶稳定性）。复合材料作为列车结构性材料时由于具有较高的刚度，所以可以减少支撑框架的使用。复合材料的模块化建设提供的各项零部件能够帮助工人快速安装。由于复合材料具有较高的阻燃性，所以能够在列车整个系统中使用。
复合材料在火车车厢内饰中的应用
在铁路客车②上我们可以发现很多复合材料的应用实例，它在帮助客车提高结构性能的同时还兼具精美的外观。客车的零部件主要由玻璃纤维增强环氧树脂/酚醛树脂制成。
保守估计，印度铁路列车的每一节车厢都将消耗掉160公斤复合材料。
对于公共运输系统，轻质车厢是实现列车高速行驶的重要条件。过去，工程师使用不锈钢和轻质合金来代替车身制造中最常见的钢材和铸铁，以此实现轻质车身；现在，车身中越来越多的零部件采用GFRP，它不但具有优良的防腐性能，而且使得车身整体工作性能大幅提高。
①生命周期成本（life cycle cost，LCC）： 是指在产品经济有效使用期间所发生的与该产品有关的所有成本，包括开发（计划、设计和测试）、生产（加工作业）以及后勤支持（广告、销售和保证等）。具体而言包括产品设计成本、制造成本、使用成本、废弃处置成本、环境保护成本等。
②铁路客车：铁路客车是指载运旅客的车辆、为旅客提供服务的车辆以及挂运在旅客列车中的其他用途的车辆（图为普通硬座客车）。客车分运送旅客.为旅客服务和特殊用途等3种车辆。 目前，中国铁路客车根据用途的不同，主要有如下几种：硬座车、软座车、硬卧车、软卧车、行李车、餐车、邮政车、试验车。此外，还有公务车、卫生车、医务车、维修车、文教车、特种车等。
铁路货车：货物运输是铁路运输的重要组成部分,目前，中国铁路的年货物发送量位居世界第一，达到20亿吨以上。这些货物南来北往，都需要车辆来装运。因此，我们把铁路上用于载运货物的车辆统称为货车。铁路货车按其用途不同，可分为通用货车和专用货车。
复合材料：未来技术发展趋势
任何一个零部件在设计选材的时候，最重要的一点就是考察该款原材料结构是否完善。从网上我们可以看到一少部分各类各国际复合制造商和他们的文献研究，从中我们可以了解到目前全球的工业领域都将研究重点投向到复合材料这种新兴原材料领域，当然这其中我们不得不提到复合材料的“三明治”结构（夹层架构）。
这种“三明治”结构不仅提供更好的强度，而且也大大降低了部件的整体重量，能够满足某些特定领域的特殊需求。
什么是“三明治”结构？
近年来国际上出现的新型复合材料三明治板结构，由于相对于传统的金属板结构有着重量特轻、而同时具有良好机械特性以及保温隔音等功能而且便于大规模制造的特点。三明治”结构普遍是由两个表层和一个夹芯组成。它的出现能够有效帮助结构降低重量，提高强度，具备更好的力学性能，并且给了设计者全新的灵感和应用。
单独的一种材料可能强度并没有多高，可是当它们以“三明治”夹层结构结合在一起的时候，就形成了高强度、低重量的结构。将两个有增强树脂或一些金属做成的表层牢固地粘贴在中间的泡沫、木板、发泡材料、聚合物、塑料或弹性体的两个表层。中间层和两个表层可以是任意形状的：很多的核心层面板都是平行六面体，但是也有其他各种各样形状的。而且，这个技术可以扩展到多层，而不仅仅局限于3层。
虽然夹在两个表层之间的核心层在产品外观上是看不见的，但是这个核心层却隐藏着很大用途。比如说可以应用在轮船的底部、汽车的车身或者是高科技材料（如天线屏蔽器、航行器地板、赛车）等等。
核心层一般都具有较高的硬度质量比与绝缘质量的比值，同时，中间层也具有吸湿、消声等性能。在小数情况下，层与层之间可以采用不同的材料，例如金属和橡胶之间根据特有的方向进行交替排列以达到控制产品弹性的目的。层与层之间以球状形态排列能使材料达到最大的自由度。三层产品一般都采用好几种不同组分的物质。
三明治结构的优点包括：
非常高的强度重量比；
外观更平滑、少瑕疵；
稳定性好；
载荷量高；
耐疲劳寿命长；
与层压板相比，“三明治”结构具有裂纹扩展和断裂韧性的特点；
优良的隔热、消声特点；
双轴向压缩承载能力高。
“三明治”结构在过去的几年之中飞速发展，设计初期，表层会使用厚重的高密度木材，因此在很多情况下，夹芯在这类结构中的作用就不明显了。
表层材料
“三明治”结构的表层材料可以是任何金属、 塑料、 复合材料的材料等，是主要受力的部件，它们将承受弯曲载荷和拉伸载荷。
夹芯材料
人类受自然蜂窝启发,创造产生了蜂窝夹芯材料，最早应用于航空航天工业，近年来经研制开发,应用到建筑及装饰领域。这种薄壁多孔式结构是迄今为止所发现的现有结构中比强度，比刚度最高的一种。蜂窝夹芯结构复合材料实质是分散腹板的共字梁,有良好的抗剪切、抗弯曲性能。
它的主要优点有：
高强度，表面平整，不易变形。蜂窝夹层结构近似各向同性，结构稳定性好，不易变形，其突出的抗压能力和抗弯能力是箱式包装材料需要的最重要的特性。
抗冲击性、缓冲性好。蜂窝纸板由柔性的纸芯和面纸做成，具有较好的韧性和回弹性，独特的蜂窝夹芯结构提供了优异的缓冲性能，在所有的缓冲材料中具有更高的单位体积能量吸收值，高厚度的蜂窝纸板可替代现己大量使用的EPS塑料泡沫缓冲垫。
吸声、隔热。蜂窝夹层结构内部为封闭的小室，其中充满空气，因此具有很好的隔声保温性能。
无污染，符合现代环保潮流。蜂窝纸板全部由可循环再生的纸材制作，使用后可以百分之百地回收再利用。
复合材料在铁路行业应用：案例研究（共六项实际案例）
1.铁路机车FRP（玻璃钢）齿轮箱
这个研究项目是由M/s Permali Wallace Ltd公司（以下简称PWL）提出的，旨在研发一款FRP齿轮箱以代替目前的钢质齿轮箱。
FRP齿轮箱的发展涉及到该部件大幅减重，简化安装步骤，维护费用低，优化性能，因此使得该部件性能更为优越的同时，具备更广阔的商业市场。
FRP是沉重金属零部件和配件的最佳替代品，不但能够帮助提高设备性能，而且能够降低运输成本。沉重的钢制齿轮箱经常在列车行驶时导致其脱离牵引电机。而使用轻质FRP齿轮箱则能有效防止这类事故发生。
FRP齿轮箱项目的主要研发目标，就是改进齿轮箱各项设计性能，通过采用最为实用、高性能的树脂产品，大大降低产品生产成本。该产品预计使用寿命可以达到6年，而传统的钢制齿轮箱只能使用2~3年的时间内。并且前者具有更优异的生命周期成本。目前，这款FRP齿轮箱原型产品正在接受各项测试工作，据试验表明，除了上述优点，该产品还能够有效的防止润滑油泄漏。
新型FRP齿轮箱还能有效防止碎石道碴的影响。而且它生产工序简便，在使用过程中几乎无需任何维修工程而导致的停工时间，更重要的一点，它比同类传统材料产品节省了372公斤的重量。
FRP齿轮箱的问世，终结了只能用钢质等金属材质生产列车上具有严格功能要求零部件的神话。
下面是一组针对齿轮箱FRP层合板进行试验的详细信息：
另一项PWL公司即将批量生产的产品是列车车厢卫生间使用的FRP推拉门。公司生产两款完全不同的“三明治”结构门：一类是木料作为芯材，FRP面板作为表层；另一类是PU泡沫作为夹芯，同样也是FRP面板作为表层。针对这两类推拉门产品正在RRL-Bhopal进行相关的实验和检测工作。(end)
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(5/25/2010) |
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