複合材料在高鐵中的應用

複合材料在高鐵中的應用

高速鐵路列車成為工業發達國家緩解公路、水運和空中交通擁擠的一個重要途徑，包括中國在內的世界眾多國家已把高速列車的發展作為未來列車發展的一個重要目標。當今，高速、安全、舒適成為當今高速鐵路技術發展的重點，減輕動車組車輛自重、提高動車組速度是鐵路工業發展的目標。

和諧號

複合材料在列車上的應用，按承力特征大致可分為兩類：複合材料非主承力件和複合材料主承力件。其中複合材料非主承力件又可分為主承力件（如車身、地板和座椅等非主承力件）和輔助件（洗漱間、廁所和水箱等輔助構件），而複合材料主承力件主要是指列車車體、司機室和轉向架構架等列車的大型承力構件，它是複合材料取代傳統材料，實現車輛輕量化的關鍵。

1、複合材料在列車輔助件和一般承力件上的應用

日本新幹線使用的高速客車中，玻璃纖維增強素料（GFRP）複合材料主要使用在車窗內飾框、洗漱間、廁所、小便池、水箱、集便箱、車前頭蓋板、雙層客車兩端車頂板、空調風道的天花板以及餐車空調蓋板的側天花板等部位。為減少受電弓周圍的空氣動力噪聲，在車頂上安裝的受電弓罩也是采用GFRP材料製造。200係東北、上越新幹線客車采用蜂窩夾層材料製造地板、中間間壁門等。

同樣，法國TGV高速列車也大量采用纖維增強塑料（FRP）製造地板、牆板、門窗框架、座椅和車門等。采用FRP製造這些構件，除重量輕外，還具有易於設計、減輕維修作業，以及可采用整體成型降低成本等優點。此外，廁所用玻璃鋼地板，整體衛生間在國外已較普及，既解決腐蝕問題，又達到減輕重量的目的。

意大利ETR500型高速列車上，所有的內部結構邊牆、天花板和行李艙都使用了高比剛度複合材料夾層板——兩層Tedlar聚氟乙烯塑料薄層中夾有Nomex蜂窩芯材玻纖酚醛層壓板；歐洲之星列車也使用酚醛蜂窩板做其內部結構件。

英國的鐵路部門通過試驗後發現，選擇芳綸纖維增強複合材料做受電弓頭，其性能非常令人滿意。近年來，複合材料還被用做抗衝擊部件，並且取得了很好的試驗結果。

2、複合材料製造列車主承力件

目前，纖維增強複合材料在承載結構件上的應用也越來越多，其技術已基本接近實際應用。列車司機室、車體和轉向架構架等作為列車的大型承力構件，在整車結構重量中占有較大比例，車體部分自重占車輛自重的15%~35%，轉向架占車輛自重的25%~35%。因此，這些部分是應用新材料的主要研究領域。

（1）高速列車的司機室。其前端外形要製成鼻狀形，既要輕量化，又要耐衝擊，在此FRP獲得了廣泛的應用。英國城間的125型機車司機室的前端是用層壓的FRP板包覆聚氨酯泡沫芯構成夾層結構，比鋼製件輕30%~35%，並可耐0.9Kg重方鋼塊以300Km/h速度的衝擊；意大利ETR500高速動力車頭部采用Kevlar纖維和環氧樹脂模壓成型，其剛性和抗衝擊性良好，列車最高速度達300Km/h。

高速列車司機室

（2）複合材料車頂。複合材料在車頂蓋上的應用能降低車輛的重心，增加車體運行的穩定性。日本鐵道綜合技術研究所與東日本客運鐵道公司合作，用碳纖維增強塑料（CFRP）製成高速列車車頂，該CFRP車頂通過膠粘與鋁合金框架相連，然後再通過焊接與車體上鋁合金側壁連在一起。試驗表明，采用這種車頂的車體具有較高的氣密強度和較低的重心，而且每節車廂減輕約300~500Kg

（3）複合材料車體。車體的按工藝不同分為兩種：

1、將厚為2.1mm曲麵板與縱梁製成一體，將拉擠成型的CFRP外板鉚接在鋁合金框架上，試製車體長6000mm，寬3300mm，高3290mm，重量為680Kg。

2、熱壓成型製成長1000mm，寬3320mm高3300mm的兩個半圓形車體，然後互相鉚接在一起，較之鋁合金車體重量減輕30%。而且酚醛基CFRP較之鋁合金有良好的耐高溫性能，鋁合金在400℃和40MPa的應力之下會產生大的撓曲變形，而酚醛基CFRP在500℃和130MPa的應力變形很小。

車體3D

（4）複合材料轉向架。機車車輛的轉向架是支承車體、保證列車平穩運行的重要部件，其構架是對強度和耐疲勞性能要求特別高的大型承載構件，德國AEG和MBB公司就在聯邦研究技術部的支持下，研製出世界上第一台複合材料構架的轉向架，型號為HLD-E，設計速度200Km/h。繼德國之後，日本也試製成功CFRP轉向架構架，構架自重為0.3t，比普通鋼製構架減輕了70%，該構架測梁為CFRP層壓材料疊層結構，板厚16.4mm，橫梁采用纏繞成型，最高設計速度160Km/h。

高速列車轉向架