复合材料在列车上的应用

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欢迎访问e展厅 展厅 6 铁路与轨道交通展厅 铁路养护工具, ... 现今，轨道交通车辆在内饰件上采用了很多复合材料，但是车身覆盖件仍然主要采用金属材料。最新开发的飞机已经有一半采用了复合材料，包括主要的承力部件。George Marsh探究了其中的原因，并报道了复合材料在现今列车上的应用情况。 轨道车辆在采用复合材料方面要落后于航空航天领域。现在大部分轨道车辆在车辆内部广泛采用复合材料，但是外部部件，特别是结构部件，仍然采用金属材料。与之相反，最新型的飞机有50%采用了复合材料，包括主要承力部件。 为什么会存在这种差距呢？毕竟轨道交通和航空运输存在很多共同之处。他们都需要快速移动，运送旅客，在长期、苛刻的使用寿命中会产生动态和静态应力和材料疲劳损伤。火灾对于二者来说都是非常危险的因素，因此在产品设计时应尽量考虑将这种风险降至最低，并确保具有足够的耐撞击强度。舒适度和外观也是乘客所非常关心的。不断增加的燃油成本也是二者选用复合材料的主要原因。 Umeco Structural Materials公司（之前的Advanced Composites Group）轨道交通领域市场经理Richard Horn博士介绍说，通常用于轨道交通的玻璃纤维复合材料的比重为1.4，约为铝的一半（2.7），不到低碳钢的1/5。这就是为什么部分采用塑料的列车与以往全金属车辆相比，能够在节省能源的同时还能达到很高的速度，实现快速加速、快速制动。 轨道交通采用复合材料的优势还在于其具有高刚度、高强度，优异的抗疲劳、抗冲击和耐腐蚀性能。而且，增强塑料还可以成型出美观的外形，进行中等批量生产。在生产形状复杂的产品时，与金属材料相比，可以减少部件数量，降低成本。 复合材料的发展障碍 虽然复合材料还没有进入轨道交通车辆的关键部件，如主要承力结构件，不同于航空航天领域。诚然，减重对需要克服重力起飞的飞机来说显得更加紧迫，但是造成这种滞后情况还有其他一些原因。 当然，在一些传统行业里，还是惯于采用重型构造，由于安全的原因，不允许进行很多实验。抛开文化基础，铁路行业的工程师如果让他们抛弃传统金属材料而采用复合材料，他们会不知所措，因为他们不了解复合材料是什么。虽然复合材料的配方很多，可满足很多应用需求，这也算是一种优势，但是复合材料的确也面临着一种认同危机。这也反应在软件模型的缺乏上——可以通用的开发工具，而对金属材料来说，虽然其存在较大的不一致性，但是却有很多标准的模拟工具。开发人员往往需要花费好几天的时间来为复合材料建模，而金属材料只需要几个小时。 而且，复合材料的多变性可以允许设计人员为每一特定应用进行材料优化，但是会导致制造过程中因材料或人为因素带来的不一致性。材料一致性可以通过采用片状模塑料（SMC）和预浸料来解决，这些材料的生产过程可以严格控制。不幸的是，在自动化程度较低的生产中，大量的手工操作很难保证材料的一致性。尽管采用闭模成型有利于产品质量控制，但很多复合材料成型还需依赖手工湿法积层。 另一个问题是材料连接，以及检测复合材料最终粘合强度的难度。贴片测试可能有所帮助，但是也不能完全解决问题，因为，贴片并不完全具有代表性。连接两种不同材料是一种非常困难的事。金属和复合材料的结合是过渡到全部复合材料的权宜之计。铁路行业也是通过材料复合的形式来解决粘合或连接问题，与航空航天行业一样。 火灾风险是另一个阻碍因素。为了确保燃烧、烟密度和毒性（FST）符合法规要求，需要在通用聚酯、环氧等树脂中添加阻燃化合物，或者采用其他种类树脂，如酚醛树脂或丙烯酸树脂这些成型困难的树脂。法规要求树脂中使用的添加剂要为非卤素类的。 然而在这个行业中还存在一个标准和法规的雷区。铁路一般都是属于国有企业的。直至今日，每个国家都制定了各自的FST法规、抗撞击性和其他性能要求法规。车辆制造商必须面对国内和海外市场的不同情况。最近，通过各方的努力，一些国际标准已经出台，如EN45545；该标准将于今年生效。不过即使如此，整个行业还需要进一步的协调统一。 内装饰的发展趋势 尽管有这些限制，复合材料的优势将使其在轨道交通车辆中扮演的角色越来越重要。特别是内饰材料，如侧板、饰件、椅子、桌子、窗框、行李架、垃圾桶、舱壁、地板、天花板、门廊、卫生间和楼梯。这些可以使列车减轻重量，保持良好的性能，并带来经济效益。 Newcastle大学研究中心轨道交通小组组长Joe Carruther博士指出，都市里的轨道交通车辆重量每减轻10%，能耗便可以降低7%，每年每辆车可以节省10万美元。 在近期进行的一项研究中，Carruther博士表示，用复合材料扶手取代金属扶手非常普遍。金属扶手会给列车增加半吨重量。由Exel复合材料公司生产的碳纤维复合材料扶手比不锈钢扶手轻了57%，通过采用拉挤-缠绕工艺，其价格也低于不锈钢扶手（突出部件若实现批量生产的话，其成本也不会太高）。 Carruther博士认为，如果设计人员不再局限于内装饰部分，复合材料在轨道交通中的认可度将会大幅提高。如果能够将性能要求具体规范化将比只说“扶手应该用缎面抛光不锈钢或铝”要好。他还强调说，新材料的推广必须非常谨慎，或许只能通过有限的试点工程。实际生命周期评估通常会有利于这些材料。 Umeco公司的Richard Horn博士指出，现在内装饰件的生产还主要是基本的湿法积层和SMC，然而如果改成先进的工艺与材料的结合，如模压预浸料，将会降低成本。在今年的欧洲JEC展览会上，他们推出了一款用2mm厚的玻璃纤维/酚醛预浸料替代传统的聚酯SMC生产的靠背，重量降低了40%。一旦解决了产品的表面质量问题，产品的成本将非常具有竞争力。 英国Ipeco复合材料公司，一家具有航空航天背景的公司，采用预浸料在阳模上真空灌注成型并用热压釜固化生产制品。产品的机械性能和FST性能良好，并且减轻了产品重量，生产了960件靠背，事实证明成本可以接受。这些产品用在国家高铁运营的英国庞巴迪电子之星30列车上。 Horn认为列车运营者对复合材料的推动作用要大于列车制造者。 他说，“零件制造商将标准化的车身壳体交给运营商，运营商再进行内装饰。运营商非常欢迎复合材料，因为他们能够清楚看到重量的降低给他们节约了运营成本，带来了利润。” Horn还说，对于某些类型的列车，如高速列车、地铁、双层列车和单轨列车等来说，重量降低非常重要，因此复合材料在这些领域具有很好的前景。例如，使单轨列车轻量化，不仅可以节省燃油消耗，而且还可以使基础设施变轻，并减少磨损。 Umeco仍致力于开发新的材料和工艺，旨在提高产品质量和工艺性能的同时，降低产品成本。但从事这项工作的并只是这一家公司。例如，固瑞特（Gurit）公司开发了一系列环氧、酚醛、氰酸酯和苯并恶嗪基预浸料，增强材料包括玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维。他们正在欧洲和中国销售改进的酚醛预浸料。 根据固瑞特交通部总经理Kees Reijner介绍，酚醛由于能够满足FST方面的严格要求而在内饰件上非常受欢迎。随着重量进一步减轻，传统的单片层板将会逐渐被预浸料和蜂窝或泡沫制成的更轻的夹芯结构取代。这种制品在生产中不需要采用热压釜便可以快速成型，表面质量非常高。 不仅酚醛树脂可以在有阻燃要求的领域使用。Scott Bader公司成功开发出了在轨道交通领域应用的聚氨酯丙烯酸酯。他们说，一些西班牙和中国的车辆制造商已经采用了他们的Crestopol树脂，代替酚醛树脂，通过添加氢氧化铝填料来达到阻燃性能要求。这些树脂可以进行模压和拉挤生产。它们不仅安全、无害，且具备车间生产效率，而且能够达到所需的机械性能和阻燃要求。此外还具备不错的表面光洁度。 Scott Bader公司还介绍了一些无卤素的手糊和喷射用胶衣和面漆，可以帮助层板满足FST要求。 运营在地面下的地铁列车对防火和安全上的要求更加严格。英国Permali Gloucester公司是提供这方面材料的专业公司。Permaglass MFM是一种装饰性层压板，做地铁列车内装饰内衬，包括伦敦地铁车厢。Permaglass MER材料具备隔热、无卤素阻燃特性，可以在许多电器闭合件的应用上取代石棉制品。该公司还可以提供夹芯地板和隔热部件。 夹芯复合材料同时具有轻质、高刚性和弯曲强度特性。专为列车开发的材料包括结构芯材Divinycell P，由瑞典DIAB公司提供。这种可以回收的热塑性夹芯结构可满足欧盟FST规定，可以与常用的酚醛体系兼容，并可以用传统的手工和真空袋法成型，还可以采用更加先进的工艺，比如灌注和树脂传递成型（RTM）。可以与多种中温固化预浸料一起使用，还可以用加热或拉挤工艺成型。 其声称的优点包括：良好的机械性能和抗疲劳性能，低吸水率、良好的隔音和隔热性能，耐化学性且具备环保优势——可以回收。目前可供应于面板或即将用于建筑件的Diviycell P有不同的厚度，密度范围为60~150g/cm3。内饰件包括车厢地板。 还有一种夹芯部件来自瑞士Airex 复合材料系统（ACS）公司——COMFLOOR地板系列夹芯板，内含隔热泡沫芯材和为车厢加热的一体式表面加热单元。 覆盖件和结构件 复合材料在车辆内饰方面作出了很重要的贡献，特别是高速列车和短距离郊区、城区车站较多，需要快速加速和减速的地方。然而，要想进入主要结构部件还有很长的路要走。很难想象用复合材料生产转向架、底盘横梁等这些无可争议要采用重金属的部件。虽然如此，这种轻质、舒适型材料依然可以在一些地方发挥其作用。 由于列车流线型前端已经成为一种设计时尚，复合材料已经征服了这一领域。而在高速列车方面的应用并不是因为时尚，而是出于空气动力学和减重方面的考虑。在车速超过200mph时，空气阻力会大幅上升，对列车前进产生非常大的阻力。流线型前端流畅的曲线和光滑的表面——这些都是复合材料成型件的特性，可以有效地降低产生的阻力。这种驾驶室是高度一体化的，很少采用金属材料，连接缝非常少。在批量生产下，其生产成本比金属成本低。 欧洲、美国等发达国家目前生产的列车都已经采用复合材料前端。一些欠发达国家也正在这么做。几年前，Kineco公司将印度首个前端驾驶室应用到一辆柴油电动多单元列车上。控制台和内饰板由一整块玻纤复合材料组成。采用了树脂灌注，真空袋工艺以确保产品的力学性能。在首批驾驶室经过实际运营且获得满意结果的基础上，印度铁路系统决定将这种外观时尚的、更加舒适的且具有良好空气动力学性能的复合材料前端也应用于其他列车上。 Kineco公司的市场和项目总经理Ravi Shrivastava说，“复合材料通过改进其空气动力学外形，降低了阻力，并且耐腐蚀，维护需求减少。大型复合材料部件易于成型，产品可以充分一体化，并满足了美观方面的要求。” 这种新潮的列车在郊区也正日益普及。在欧洲，Compin集团旗下Front Ends & Composites公司已经将复合材料前端安装在列车上，其中包括阿尔斯通的LRV Citidas列车，其前端是树脂灌注成型的，并已将类似的车头出口到中国。Compin对这种preequipped“即插即用式”的前端感到非常自豪，它们可以简单地连接到车辆上。 车头越来越多地采用夹芯技术，以前都是采用整体层压板。例如，芯材专家DIAB公司承接了澳大利亚新南威尔士州华特尔双层列车的驾驶室的制作，而ACS（AIREX）公司提供给上海磁悬浮列车的驾驶室是世界上最大的单件纤维增强车头。ACS实现了所需的机械、热学和声学特性，并且这种新型驾驶舱具有低重量，良好的抗贯通性和阻燃性——这些是通过将蒙皮和芯材结合，加上型材和局部加强件的使用来实现的。预组装模块提供了很高的功能集成度，而较小的制造公差便于后续组装。 芬兰Fibrecom Oy公司改变了夹芯形式，利用蜂窝和泡沫芯材开发了一种通道式复合材料技术。从本质上讲，面板蒙皮与夹芯之间有连续通道，而不是分隔的独立单元。这些三维通道可以填充各种材料以实现阻燃、隔热、隔音和其他性能，或用于电缆或通风管道等。 Fibercom公司声称，由于这种芯材结构，具有很高的吸能作用，可以用于提高列车的防撞性。据说，该结构适合于从手糊到树脂传递模塑的所有生产方法。带有通道的复合结构有时可用作保护罩，特别是PendolinoSm3列车上的下包围。这种易于安装和拆卸的保护罩具有抗压、抗震和防火性能。这种材料还可以用作ICS双层列车的尾部面罩及DV-2车型的车门，也可以用在一些列车的天花板和内装饰框上。 复合材料也可以用作车身壳体和车顶，特别是高速列车或区间/郊区列车。韩国Hanvit 200特快列车拥有一个23m长的车身壳体，也是第一辆采用碳纤维复合材料壳体的列车，其重量较铝制壳体减轻了40%。复合材料车身在组装时安装到钢制车架上，使整个车身成为混合结构。在区间车和郊区列车市场中，庞巴迪公司生产了一种轻质混合结构的Talent列车，也是将复合材料车身安装在钢制车架上。阿尔斯通公司的“O”型列车在加拿大部分地区和其他国家替代了Talent列车，也采用的是复合材料车身壳体。 ACS 公司也开始涉足复合材料车身壳体，生产一种弯曲的轻质夹芯车板，表面采用一种新型保护层替代油漆。他们还生产一体式高度模块化车顶，不再需要其他框架。20m长的车顶产量正在不断增加。 固瑞特公司的Kees Reijnen认为复合材料在轨道交通中的应用是“进两步退一步”的发展进程，需求起起伏伏，但是从长期来看这种趋势还是积极的。他表示目前的形式比较有利于推动这种趋势的快速发展。 “虽然成本仍然是最重要的制约因素，但是随着运营燃油成本的压力不断增加，减重是促进使用复合材料的主要原因。” 他指出，市场对固瑞特公司所生产的轨道交通车辆用原料将有很大需求，特别是酚醛预浸料。他说，“在阻燃方面，酚醛树脂具有不可替代的地位。而曾经是较大问题的加工性能现在也得到了改进，这种材料已经成为一种首选材料。我们公司经常为客户的工程师们提供基于酚醛树脂的夹芯结构解决方案。” Reijnen特别强调将复合材料和铝结合使用，生产轻质轨道交通车辆。他还暗示固瑞特正在优化用在风力发电叶片上的芯材技术，使其应用在轨道交通上。 有迹象表明，复合材料在“重型金属”驱动器和齿轮方面的应用取得了一些进展。例如，印度轨道交通部门已经在柴油和电力机车上为最终传动齿轮选用了复合材料齿轮箱。每个机车上有六个传动轴，每个轴的传动齿轮都需要一个齿轮箱。通常它们是用低碳钢焊接而成的，每个重约126kg。由于金属齿轮箱比较重，拆除和维护都非常困难，而且因为振动或来自轨道的冲击很容易出现移位。此外，金属很容易发生腐蚀，而且如果焊接部分出现泄露的话，还会导致价格昂贵的润滑油从焊缝漏出。 机车牵引电机制造商Bhahat Heavy Electrical Ltd（BHEL）公司，与其合作伙伴Permali Wallace公司展开合作，致力于开发这种金属齿轮箱的复合材料替代产品。区域实验室对材料提出了建议，而印度先进复合材料组织批准了这个项目，并将其推介给印度轨道交通部门。随后几年进行了试运行。每辆车上的复合材料部件使齿轮箱重量减轻了逾400kg（大约减重50%），并且由于复合材料的特性而变得非常耐用，且整体性好，边角圆滑。据当地报道，产品质量一致性很高；装配时间大幅减少；只需两个工人，无需其他辅助配件；尺寸非常稳定，几乎不漏油。 作为复合材料齿轮箱商业化的标志，单单印度轨道交通部门运营的机车就有数千台。由于钢制齿轮箱使用寿命有限，因此除了新生产的车辆，还有大批在用车辆需要改造。 印度轨道交通部门还开发了一些外装部件和半隐蔽性部件，如车辆下面的高压水箱，通道连接门、电池箱以及类似汽车行业的一些机械部分的盖子，如燃料注射泵、冷却风扇等。有趣的是，在印度及其他一些地区，运营商想采用的复合材料覆盖件还另有原因。用塑料制品可以防止盗贼拆卸金属件当废品变卖，如车门、空调通风管道等。而复合材料对于他们来说没有任何价值。 总的来说，到目前为止复合材料用在重要结构部件和传动齿轮上还很少，从重量上说也似乎不可能占到整个车辆的一半，车头部分就更少了。在任何情况下，除了磁悬浮列车，在没有空气动力装置压住列车的情况下，需要保持一个最小的重量以确保列车在高速行驶时，能稳定保持在轨道上。 50%的复合材料用量可以在轻轨铁路、郊区和地铁列车上实现。 正如Kees Reijnen总结说道，“我确信，这一目标终将在列车上实现，应用将从轻型地铁开始。随着燃料价格持续上涨，在轨道交通车辆设计上会着重考虑减轻重量。这对复合材料来说非常有利，它的成本非常有竞争力。这一切最终都要落到减重和成本上。”

文章内容仅供参考 (投稿) (6/19/2013)