复合材料在高速动车组车体上的应用

白兆阳 景发明

摘要：随着高速动车组速度的提升以及载客量增加的需求，对于应用新型复合材料已经成为高速动车组车体技术研发的关注点，由于复合材料优异的性能，在高速动车组制造行业大幅度的应用已经成为一种趋势。

关键词：高速动车组 复合材料 车体

1、前言

高速动车组已成为世界许多国家及地区缓解公路、水运和空中交通拥挤的一个重要交通工具，包括中国在内的世界许多国家已把高速动车组的发展作为未来轨道交通行业乃至国家经济战略发展的一个重要目标。当今，由于乘客出行越来越高的要求以及车辆智能化的发展，高速、安全、舒适已成为当今高速铁路技术发展的重要方向，减轻动车组车辆自重、提高动车组速度是铁路工业发展的重要目标。

复合材料在高速动车组上的应用，按受力性质及特征大致可分为两类：复合材料非主承力件和复合材料主承力件。其中复合材料非主承力件又可分为主承力件（如车身、地板和座椅等非主承力件）和辅助承力件（洗漱间、厕所和水箱等辅助构件），而复合材料主承力件主要是指列车车体、司机室和转向架构架等列车的大型承力构件，它是复合材料取代传统材料，实现车辆轻量化的关键。复合材料在高速动车组上的应用如图1所示。

图1 碳纤维车体

2. 复合材料的应用

复合材料，是由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(微观)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优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。

目前，纤维增强复合材料在承载结构件上的应用也越来越多，其技术已基本接近实际应用。列车司机室、车体和转向架构架等作为列车的大型承力构件，在整车结构重量中占有较大比例，车体部分自重占车辆自重的15%～35%，转向架占车辆自重的25%～35%。因此，这些部分是应用新材料的主要研究领域。

高速列车的司机室。其前端外形要制成鼻状形，既要轻量化，又要耐冲击，在此FRP获得了广泛的应用。英国城间的125型机车司机室的前端是用层压的FRP板包覆聚氨酯泡沫芯构成夹层结构，比钢制件轻30%～35%，并可耐0.9 kg重方钢块以300 km/h速度的冲击；意大利ETR500高速动力车头部采用Kevlar纤维和环氧树脂模压成型，其刚性和抗冲击性良好，列车最高速度达300 km/h。具体如图2所示。

图2 复合材料司机室

复合材料车顶。复合材料在车顶盖上的应用能降低车辆的重心，增加车体运行的稳定性。日本铁道综合技术研究所与东日本客运铁道公司合作，用碳纤维增强塑料（CFRP）制成高速列车车顶，该CFRP车顶通过胶粘与铝合金框架相连，然后再通过焊接与车体上铝合金侧壁连在一起。试验表明，采用这种车顶的车体具有较高的气密强度和较低的重心，而且每节车厢减轻约300～500 kg。

3、结论

随着列车速度的提升，对机车车辆用材料也不断有新的要求，国外许多公司都因此做了大量的研究。对机车车辆上各种部件的特殊要求，铝合金、不锈钢、玻璃纤维复合材料以及一些生产成本昂贵的碳纤维复合材料、铝基复合材料、陶瓷材料等等都被应用到高速动车组上，并取得巨大的经济效益与社会效益。

参考文献

1. 杨永勤,孙加平,张丽荣,等.浅析复合材料在高速动车组上的应用[J].铁道车辆,2014,52(5):4.

[2]张丽荣,陈煜,张娟歌,等.复合材料结构部件在高速动车组上的应用研究及性能评价[J].电力机车与城轨车辆,2015,38(A01):5.

[3]许鹏,许睿.高速动车组碳纤维材料车头连接结构及强度分析[J].大连交通大学学报,2020,41(4):4.

[4]董雪妍,崔志超.高分子材料在高速动车组中的应用[J].工业,2016(9):00242-00242.

[5]丁叁叁,田爱琴,王建军,等.高速动车组碳纤维复合材料应用研究[J].电力机车与城轨车辆,2015,38(A01):8.