復合材料在軌道車輛上的應用 zund切割機-克維拉台中雷射雕刻－游展仲焦點新聞熱搜

　　軌道車輛在采用復合材料方面要落后于航空航天領域。究竟為什么會造成這種差距，《半塑列車離我們還有多遠?》George Marsh探究了其中的原因，為我們的疑問提供了答案，并分析了目前復合材料在列車上的應用情況。
　　軌道車輛在采用復合材料方面要落后于航空航天領域。現在大部分軌道車輛在車輛內部廣泛采用復合材料，但是外部部件，特別是結構部件，仍然采用金屬材料。與之相反，新型的飛機有50％采用了復合材料，包括主要承力部件。
　　為什么會存在這種差距呢?畢竟軌道交通和航空運輸存在很多共同之處。他們都需要快速移動，運送旅客，在長期、苛刻的使用壽命中會產生動態和靜態應力和材料疲勞損傷。火災對于二者來說都是非常危險的因素，因此在產品設計時應盡量考慮將這種風險降至低，并確保具有足夠的耐撞擊強度。舒適度和外觀也是乘客所非常關心的。不斷增加的燃油成本也是二者選用復合材料的主要原因。
　　Umeco Structural Materials公司(之前的Advanced Composites Group)軌道交通領域市場經理Richard Horn博士介紹說，通常用于軌道交通的玻璃纖維復合材料的比重為1.4，約為鋁的一半(2.7)，不到低碳鋼的1／5。這就是為什么部分采用塑料的列車與以往全金屬車輛相比，能夠在節省能源的同時還能達到很高的速度，實現快速加速、快速制動。
　　軌道交通采用復合材料的優勢還在于其具有高剛度、高強度，優異的抗疲勞、抗沖擊和耐腐蝕性能。而且，增強塑料還可以成型出美觀的外形，進行中等批量生產。在生產形狀復雜的產品時，與金屬材料相比，可以減少部件數量，降低成本。

　　復合材料的發展障礙

　　雖然復合材料還沒有進入軌道交通車輛的關鍵部件，如主要承力結構件，不同于航空航天領域。誠然，減重對需要克服重力起飛的飛機來說顯得更加緊迫，但是造成這種滯后情況還有其他一些原因。
　　當然，在一些傳統行業里，還是慣于采用重型構造，由于安全的原因，不允許進行很多實驗。拋開文化基礎，鐵路行業的工程師如果讓他們拋棄傳統金屬材料而采用復合材料，他們會不知所措，因為他們不了解復合材料是什么。雖然復合材料的配方很多，可滿足很多應用需求，這也算是一種優勢，但是復合材料的確也面臨著一種認同危機。這也反應在軟件模型的缺乏上――可以通用的開發工具，而對金屬材料來說，雖然其存在較大的不一致性，但是卻有很多標準的模擬工具。開發人員往往需要花費好幾天的時間來為復合材料建模，而金屬材料只需要幾個小時。
　　而且，復合材料的多變性可以允許設計人員為每一特定應用進行材料優化，但是會導致制造過程中因材料或人為因素帶來的不一致性。材料一致性可以通過采用片狀模塑料(SMC)和預浸料來解決，這些材料的生產過程可以嚴格控制。不幸的是，在自動化程度較低的生產中，大量的手工操作很難保證材料的一致性。盡管采用閉模成型有利于產品質量控制，但很多復合材料成型還需依賴手工濕法積層。
　　另一個問題是材料連接，以及檢測復合材料終粘合強度的難度。貼片測試可能有所幫助，但是也不能完全解決問題，因為，貼片并不完全具有代表性。連接兩種不同材料是一種非常困難的事。金屬和復合材料的結合是過渡到全部復合材料的權宜之計。鐵路行業也是通過材料復合的形式來解決粘合或連接問題，與航空航天行業一樣。
　　火災風險是另一個阻礙因素。為了確保燃燒、煙密度和毒性(FST)符合法規要求，需要在通用聚酯、環氧等樹脂中添加阻燃化合物，或者采用其他種類樹脂，如酚醛樹脂或丙烯酸樹脂這些成型困難的樹脂。法規要求樹脂中使用的添加劑要為非鹵素類的。
　　然而在這個行業中還存在一個標準和法規的雷區。鐵路一般都是屬于國有企業的。直至今日，每個都制定了各自的FST法規、抗撞擊性和其他性能要求法規。車輛制造商必須面對國內和海外市場的不同情況。近，通過各方的努力，一些國際標準已經出臺，如EN45545；該標準將于今年生效。不過即使如此，整個行業還需要進一步的協調統一。

　　內裝飾的發展趨勢

　　盡管有這些限制，復合材料的優勢將使其在軌道交通車輛中扮演的角色越來越重要。特別是內飾材料，如側板、飾件、椅子、桌子、窗框、行李架、垃圾桶、艙壁、地板、天花板、門廊、衛生間和樓梯。這些可以使列車減輕重量，保持良好的性能，并帶來經濟效益。
　　Newcastle大學研究中心軌道交通小組組長Joe Carruther博士指出，都市里的軌道交通車輛重量每減輕10％，能耗便可以降低7％，每年每輛車可以節省10萬美元。
　　在近期進行的一項研究中，Carruther博士表示，用復合材料扶手取代金屬扶手非常普遍。金屬扶手會給列車增加半噸重量。由Exel復合材料公司生產的碳纖維復合材料扶手比不銹鋼扶手輕了57％，通過采用拉擠-纏繞工藝，其價格也低于不銹鋼扶手(突出部件若實現批量生產的話，其成本也不會太高)。
　　Carruther博士認為，如果設計人員不再局限于內裝飾部分，復合材料在軌道交通中的認可度將會大幅提高。如果能夠將性能要求具體規范化將比只說“扶手應該用緞面拋光不銹鋼或鋁”要好。他還強調說，新材料的推廣必須非常謹慎，或許只能通過有限的試點工程。實際生命周期評估通常會有利于這些材料。
　　Umeco公司的Richard Hom博士指出，現在內裝飾件的生產還主要是基本的濕法積層和ISMC，然而如果改成先進的工藝與材料的結合，如模壓預浸料，將會降低成本。在今年的歐洲JEC展覽會上，他們推出了一款用2mm厚的玻璃纖維／酚醛預浸料替代傳統的聚酯SMC生產的靠背，重量降低了40％。一旦解決了產品的表面質量問題，產品的成本將非常具有競爭力。
　　英國Ipeco復合材料公司，一家具有航空航天背景的公司，采用預浸料在陽模上真空灌注成型并用熱壓釜固化生產制品。產品的機械性能和FST性能良好，并且減輕了產品重量，生產了960件靠背，事實證明成本可以接受。這些產品用在高鐵運營的英國龐巴迪電子之星30列車上。
　　Horn認為列車運營者對復合材料的推動作用要大于列車制造者。他說， “零件制造商將標準化的車身殼體交給運營商，運營商再進行內裝飾。運營商非常歡迎復合材料，因為他們能夠清楚看到重量的降低給他們節約了運營成本，帶來了利潤。”
　　Horn還說，對于某些類型的列車，如高速列車、地鐵、雙層列車和單軌列車等來說，重量降低非常重要，因此復合材料在這些領域具有很好的前景。例如，使單軌列車輕量化，不僅可以節省燃油消耗，而且還可以使基礎設施變輕，并減少磨損。
　　Umeco仍致力于開發新的材料和工藝，旨在提高產品質量和工藝性能的同時，降低產品成本。但從事這項工作的并只是這一家公司。例如，固瑞特(Gurit)公司開發了一系列環氧、酚醛、鐐酸酯和苯并惡嗪基預浸料，增強材料包括玻璃纖維、碳纖維和芳綸纖維。他們正在歐洲和銷售改進的酚醛預浸料。
　　根據固瑞特交通部總經理Kees Reijner介紹，酚醛由于能夠滿足FST方面的嚴格要求而在內飾件上非常受歡迎。隨著重量進一步減輕，傳統的單片層板將會逐漸被預浸料和蜂窩或泡沫制成的更輕的夾芯結構取代。這種制品在生產中不需要采用熱壓釜便可以快速成型，表面質量非常高。
　　不僅酚醛樹脂可以在有阻燃要求的領域使用。Scott Bader公司成功開發出了在軌道交通領域應用的聚氨酯丙烯酸酯。他們說，一些西班牙和的車輛制造商已經采用了他們的Crestopol樹脂，代替酚醛樹脂，通過添加氫氧化鋁填料來達到阻燃性能要求。這些樹脂可以進行模壓和拉擠生產。它們不僅安全、無害，且具備車間生產效率，而且能夠達到所需的機械性能和阻燃要求。此外還具備不錯的表面光潔度。
　　Scott Bader公司還介紹了一些無鹵素的手糊和噴射用膠衣和面漆，可以幫助層板滿足FST要求。
　　運營在地面下的地鐵列車對防火和安全上的要求更加嚴格。英國Permali Gloucester公司是提供這方面材料的專業公司。Permaglass MFM是一種裝飾性層壓板，做地鐵列車內裝飾內襯，包括倫敦地鐵車廂。Permaglass MER材料具備隔熱、無鹵素阻燃特性，可以在許多電器閉合件的應用上取代石棉制品。該公司還可以提供夾芯地板和隔熱部件。
　　夾芯復合材料同時具有輕質、高剛性和彎曲強度特性。專為列車開發的材料包括結構芯材Divinycell P，由瑞典DIAB公司提供。這種可以回收的熱塑性夾芯結構可滿足歐盟FST規定，可以與常用的酚醛體系兼容，并可以用傳統的手工和真空袋法成型，還可以采用更加先進的工藝，比如灌注和樹脂傳遞成型(RTM)。可以與多種中溫固化預浸料一起使用，還可以用加熱或拉擠工藝成型。
　　其聲稱的優點包括：良好的機械性能和抗疲勞性能，低吸水率、良好的隔音和隔熱性能，耐化學性且具備環保優勢――可以回收。目前可供應于面板或即將用于建筑件的Diviycell P有不同的厚度，密度范圍為60~150g／cm³。內飾件包括車廂地板。
　　還有一種夾芯部件來自瑞士Airex復合材料系統(ACS)公司――COMFLOOR地板系列夾芯板，內含隔熱泡沫芯材和為車廂加熱的一體式表面加熱單元。

　　覆蓋件和結構件

　　復合材料在車輛內飾方面作出了很重要的貢獻，特別是高速列車和短距離郊區、城區車站較多，需要快速加速和減速的地方。然而，要想進入主要結構部件還有很長的路要走。很難想象用復合材料生產轉向架、底盤橫梁等這些無可爭議要采用重金屬的部件。雖然如此，這種輕質、舒適型材料依然可以在一些地方發揮其作用。
　　由于列車流線型前端已經成為一種設計時尚，復合材料已經征服了這一領域。而在高速列車方面的應用并不是因為時尚，而是出于空氣動力學和減重方面的考慮。在車速超過200mph時，空氣阻力會大幅上升，對列車前進產生非常大的阻力。流線型前端流暢的曲線和光滑的表面――這些都是復合材料成型件的特性，可以有效地降低產生的阻力。這種駕駛室是高度一體化的，很少采用金屬材料，連接縫非常少。在批量生產下，其生產成本比金屬成本低。
　　歐洲、美國等發達目前生產的列車都已經采用復合材料前端。一些欠發達也正在這么做。幾年前，Kineco公司將印度前端駕駛室應用到一輛柴油電動多單元列車上。控制臺和內飾板由一整塊玻纖復合材料組成。采用了樹脂灌注，真空袋工藝以確保產品的力學性能。在首批駕駛室經過實際運營且獲得滿意結果的基礎上，印度鐵路系統決定將這種外觀時尚的、更加舒適的且具有良好空氣動力學性能的復合材料前端也應用于其他列車上。
　　Kineco公司的市場和項目總經理Ravi Shrivastava說，“復合材料通過改進其空氣動力學外形，降低了阻力，并且耐腐蝕，維護需求減少。大型復合材料部件易于成型，產品可以充分一體化，并滿足了美觀方面的要求。”
　　這種新潮的列車在郊區也正日益普及。在歐洲，Compin集團旗下Frorlt Ends & Composites公司已經將復合材料前端安裝在列車上，其中包括阿爾斯通的LRV Citidas列車，其前端是樹脂灌注成型的，并已將類似的車頭出口到。Compin對這種preequipped“即插即用式”的前端感到非常自豪，它們可以簡單地連接到車輛上。
　　車頭越來越多地采用夾芯技術，以前都是采用整體層壓板。例如，芯材專家DIAB公司承接了澳大利亞新南威爾士州華特爾雙層列車的駕駛室的制作，而ACS(AIREX)公司提供給上海磁懸浮列車的駕駛室是上大的單件纖維增強車頭。ACS實現了所需的機械、熱學和聲學特性，并且這種新型駕駛艙具有低重量，良好的抗貫通性和阻燃性――這些是通過將蒙皮和芯材結合，加上型材和局部加強件的使用來實現的。預組裝模塊提供了很高的功能集成度，而較小的制造公差便于后續組裝。
　　芬蘭Fibrecom Oy公司改變了夾芯形式，利用蜂窩和泡沫芯材開發了一種通道式復合材料技術。從本質上講，面板蒙皮與夾芯之間有連續通道，而不是分隔的獨立單元。這些三維通道可以填充各種材料以實現阻燃、隔熱、隔音和其他性能，或用于電纜或通風管道等。
　　Fibercom公司聲稱，由于這種芯材結構，具有很高的吸能作用，可以用于提高列車的防撞性。據說，該結構適合于從手糊到樹脂傳遞模塑的所有生產方法。帶有通道的復合結構有時可用作保護罩，特別是PendolinoSm3列車上的下包圍。這種易于安裝和拆卸的保護罩具有抗壓、抗震和防火性能。這種材料還可以用作ICS雙層列車的尾部面罩及DV-2車型的車門，也可以用在一些列車的天花板和內裝飾框上。
　　復合材料也可以用作車身殼體和車頂，特別是高速列車或區間／郊區列車。韓國HanVit 200特快列車擁有一個23m長的車身殼體，也是輛采用碳纖維復合材料殼體的列車，其重量較鋁制殼體減輕了40％。復合材料車身在組裝時安裝到鋼制車架上，使整個車身成為混合結構。在區間車和郊區列車市場中，龐巴迪公司生產了一種輕質混合結構的Talent列車，也是將復合材料車身安裝在鋼制車架上。阿爾斯通公司的“O”型列車在加拿大部分地區和其他替代了Talent列車，也采用的是復合材料車身殼體。
　　ACS公司也開始涉足復合材料車身殼體，生產一種彎曲的輕質夾芯車板，表面采用一種新型保護層替代油漆。他們還生產一體式高度模塊化車頂，不再需要其他框架。20m長的車頂產量正在不斷增加。
　　固瑞特公司的Kees Reijnen認為復合材料在軌道交通中的應用是“進兩步退一步”的發展進程，需求起起伏伏，但是從長期來看這種趨勢還是積極的。他表示目前的形式比較有利于推動這種趨勢的快速發展。
　　“雖然成本仍然是重要的制約因素，但是隨著運營燃油成本的壓力不斷增加，減重是促進使用復合材料的主要原因。”
　　他指出，市場對固瑞特公司所生產的軌道交通車輛用原料將有很大需求，特別是酚醛預浸料。他說， “在阻燃方面，酚醛樹脂具有不可替代的地位。而曾經是較大問題的加工性能現在也得到了改進，這種材料已經成為一種首選材料。我們公司經常為客戶的工程師們提供基于酚醛樹脂的夾芯結構解決方案。”
　　Reijnen特別強調將復合材料和鋁結合使用，生產輕質軌道交通車輛。他還暗示固瑞特正在優化用在風力發電葉片上的芯材技術，使其應用在軌道交通上。
　　有跡象表明，復合材料在“重型金屬”驅動器和齒輪方面的應用取得了一些進展。例如，印度軌道交通部門已經在柴油和電力機車上為終傳動齒輪選用了復合材料齒輪箱。每個機車上有六個傳動軸，每個軸的傳動齒輪都需要一個齒輪箱。通常它們是用低碳鋼焊接而成的，每個重約126kg。由于金屬齒輪箱比較重，拆除和維護都非常困難，而且因為振動或來自軌道的沖擊很容易出現移位。此外，金屬很容易發生腐蝕，而且如果焊接部分出現泄露的話，還會導致價格昂貴的潤滑油從焊縫漏出。
　　機車牽引電機制造商Bhahat Heavy Electrical Ltd(BHEL)公司，與其合作伙伴Permali Wallace公司展開合作，致力于開發這種金屬齒輪箱的復合材料替代產品。區域實驗室對材料提出了建議，而印度先進復合材料組織批準了這個項目，并將其推介給印度軌道交通部門。隨后幾年進行了試運行。每輛車上的復合材料部件使齒輪箱重量穢輕了逾400kg(大約減重50％)，并且由于復合材料的特性而變得非常耐用，且整體性好，邊角圓滑。據當地報道，產品質量一致性很高；裝配時間大幅減少；只需兩個工人，無需其他輔助配件；尺寸非常穩定，幾乎不漏油。
　　作為復合材料齒輪箱商業化的標志，單單印度軌道交通部門運營的機車就有數千臺。由于鋼制齒輪箱使用壽命有限，因此除了新生產的車輛，還有大批在用車輛需要改造。
　　印度軌道交通部門還開發了一些外裝部件和半隱蔽性部件，如車輛下面的高壓水箱，通道連接門、電池箱以及類似汽車行業的一些機械部分的蓋子，如燃料注射泵、冷卻風扇等。有趣的是，在印度及其他一些地區，運營商想采用的復合材料覆蓋件還另有原因。用塑料制品可以防止盜賊拆卸金屬件當廢品變賣，如車門、空調通風管道等。而復合材料對于他們來說沒有任何價值。
　　總的來說，到目前為止復合材料用在重要結構部件和傳動齒輪上還很少，從重量上說也似乎不可能占到整個車輛的一半，車頭部分就更少了。在任何情況下，除了磁懸浮列車，在沒有空氣動力裝置壓住列車的情況下，需要保持一個小的重量以確保列車在高速行駛時，能穩定保持在軌道上。
　　50％的復合材料用量可以在輕軌鐵路、郊區和地鐵列車上實現。正如Kees Reijnen總結說道，“我確信，這一目標終將在列車上實現，應用將從輕型地鐵開始。隨著燃料價格持續上漲，在軌道交通車輛設計上會著重考慮減輕重量。這對復合材料來說非常有利，它的成本非常有競爭力。這一切終都要落到減重和成本上。”

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