編者按

國外在軌道交通用復合材料領域的研究已有將近半個世紀，雖然目前國內軌道交通、高鐵等發(fā)展迅速，且國內復合材料在該領域應用如火如荼，但是與國內大量采用碳纖維復合材料有所不同，國外軌道交通中大量采用的復合材料中增強纖維更多的是采用玻璃纖維，如本文中提到的TPI復合材料公司開發(fā)車身用復合材料中碳纖維占比不到10％，其余的是玻璃纖維，因此在保證輕量化的同時又可以平衡了成本。大量采用碳纖維不可避免造成成本難以控制，因此可以在一些關鍵結構件如轉向架等應用。 

50多年來，熱固性復合材料生產商Norplex-Micarta一直在制造用于軌道交通應用的材料（包括火車、輕軌制動系統以及高架電軌的電氣絕緣）方面保持穩(wěn)定的業(yè)務。但是如今，該公司的市場正在從相對狹窄的細分市場擴展到其他更多的應用，例如壁、屋頂和地板。

Norplex-Micarta的業(yè)務發(fā)展總監(jiān)DustinDavis認為，在未來幾年中，鐵路和其他大眾運輸市場為其公司以及其他復合材料制造商和供應商提供的機會將越來越多。這種預期的增長有幾個原因，其中有一種是歐洲采用的消防標準EN 45545-2，該標準對大眾運輸提出了更嚴格的防火、防煙和防毒（FST）要求，通過使用酚醛樹脂系統，復合材料制造商可以將必要的防火和防煙性能納入其產品中。

另外，公共汽車、地鐵和火車的運營商開始意識到復合材料在降低噪聲振動和刺耳聲方面的優(yōu)勢。 Davis說：“如果您曾經在地鐵上聽到過金屬板在嘎嘎作響。若面板是由復合材料制成的，則它會減弱聲音，從而使火車更安靜。”

復合材料的重量更輕，也使其吸引了對減少燃料使用和擴大其使用范圍感興趣的公交運營商。市場研究公司Lucintel在2018年9月的一份報告中，預測2018年至2023年之間，用于大眾運輸和越野車輛的復合材料的全球市場將以每年4.6％的速度增長，到2023年有望達到10億美元的價值。機遇將來自各種各樣的應用，包括外部、內部、引擎蓋和動力總成零件以及電氣組件。

Norplex-Micarta現在生產的新零件目前正在美國的輕軌線上進行測試。此外，該公司繼續(xù)采用連續(xù)纖維材料專注于電氣化系統，并將其與更快固化的樹脂系統結合在一起。Davis解釋說：“您可以降低成本，提高產量，并將FST酚醛樹脂的全部功能推向市場?！彪m然復合材料可能比類似的金屬零件貴，但 Davis說，成本并不是他們正在研究的應用決定因素。

輕巧，阻燃 

歐洲鐵路運營商Duetsche Bahn的66輛ICE-3快車車隊進行了翻新，這是復合材料滿足客戶特定需求的能力之一?？照{系統、乘客娛樂系統和新座椅的安裝給ICE-3軌道車增加了不必要的重量。此外，原始的膠合板地板不符合新的歐洲防火標準。該公司需要一種地板解決方案，以幫助減輕重量并符合防火標準。輕質復合材料地板就是答案。

位于德國的復合材料面料生產商Saertex為其地板提供了LEO?材料系統。Saertex集團全球營銷主管Daniel Stumpp表示，LEO是一種分層的非卷曲織物，比機織織物具有更高的機械性能和更大的輕量化潛力。四組分復合材料系統包括特殊的防火涂料、玻璃纖維增強材料、SAERfoam?（具有集成3D-玻璃纖維橋的核心材料）和LEO乙烯基酯樹脂。

復合材料制造商SMT（也位于德國）使用英國公司Alan Harper制造的可重復使用的硅真空袋，通過真空灌注工藝制造了地板?！拔覀儚囊郧暗哪z合板中節(jié)省了大約50％的重量，” Stumpp說?！癓EO系統基于具有非填充樹脂系統的連續(xù)纖維層壓板，具有出色的機械性能……。此外，復合材料不腐爛，這是一個很大的優(yōu)勢，特別是在冬天下雪并且地板很濕的地區(qū)。” 地板、頂部的地毯和橡膠材料均符合新的阻燃標準。

MT生產了超過32,000平方英尺的面板，迄今為止，這些面板已安裝在八列ICE-3列車的約三分之一中。在翻新過程中，正在優(yōu)化每種面板的尺寸，以適合特定的汽車。ICE-3轎車的OEM對新的復合材料地板印象深刻，以至于它已訂購復合材料車頂來部分代替軌道車中的舊金屬車頂結構。

走的更遠

加利福尼亞州的Proterra是零排放電動公交車的設計者和制造商，自2009年以來一直在其所有車身中使用復合材料。2017年，該公司的電池充電Catalyst?E2公交車單程行駛1100英里，創(chuàng)造了世界紀錄。那輛公共汽車的特點是由復合材料制造商TPI復合材料公司制造的輕質車身。
最近，TPI與Proterra合作生產了集成的一體式復合材料電動公交車。TPI戰(zhàn)略市場高級總監(jiān)Todd Altman解釋說：“在典型的公共汽車或卡車中，有一個底盤，車身位于該底盤的頂部。憑借公共汽車的硬殼設計，我們將底盤和車身集成在一起，類似于一體式車的設計。”在滿足性能要求方面，單一結構比兩個獨立結構更有效。

Proterra單殼車身是特制的，從零開始設計為電動汽車。奧特曼說，這是一個重要的區(qū)別，因為許多汽車制造商和電動客車制造商的經驗都嘗試過有限的嘗試，以將其用于內燃機的傳統設計改編為電動汽車?！八麄儾捎矛F有平臺，并嘗試盡可能地裝入電池。從各種角度來看，這并不能提供最佳的解決方案?！盇ltman說。

例如，許多電動公交車的電池都安裝在車輛的后部或頂部。但是對于Proterra，TPI能夠將電池安裝在總線下方?！叭绻谲囕v結構上增加很多重量，則無論從性能還是從安全角度出發(fā)，都希望該重量盡可能的輕，”Altman說。他指出，許多電動公交車和汽車制造商現在都在回到圖紙上，為他們的車輛開發(fā)更高效且有針對性的設計。

TPI已與Proterra簽訂了為期五年的協議，將在TPI位于愛荷華州和羅德島州的工廠生產多達3,350個復合材料客車車身。

需要定制

設計Catalyst總線主體需要TPI和Proterra不斷平衡所有不同材料的優(yōu)缺點，以便它們可以達到成本目標，同時實現最佳性能。Altman指出，TPI在生產長約200英尺長、重達25,000磅的大型風葉片方面的經驗使他們生產40英尺重在6,000至10,000磅之間的公共汽車車身相對容易。

TPI能夠通過選擇性地使用碳纖維來獲得所需的結構強度，并保留它來加固承受最大載荷的區(qū)域。“我們在基本上可以購買汽車的地方使用碳纖維，”Altman說?？傮w而言，碳纖維僅占車身復合材料增強材料的不到10％，其余的是玻璃纖維。

TPI選擇乙烯基酯樹脂的原因也與此類似?！爱斘覀儾榭喘h(huán)氧樹脂時，它們很棒，但是當您固化它們時，必須升高溫度，因此必須加熱模具。這是一筆額外的費用，”他繼續(xù)說道。

該公司使用真空輔助樹脂傳遞模塑（VARTM）來生產復合材料夾芯結構，從而為單體外殼提供必要的剛度。在制造過程中，一些金屬配件（例如螺紋配件和攻絲板）被結合到主體中。母線分為上下兩部分，然后粘合在一起。工人必須稍后添加一些小的復合材料裝飾件如整流罩，但是零件的數量只是金屬總線上的零頭。

將完成的車身發(fā)送到Proterra巴士生產工廠后，生產線的流動會更快，因為要做的工作更少?！八麄儾槐剡M行所有的焊接、研磨和制造過程，而且它們的接口非常簡單，可以將車體連接到傳動系統上，”Altman補充說。Proterra節(jié)省了時間并減少了開銷，因為單體外殼所需的制造空間更少。

Altman認為，隨著城市轉向電動公交車以減少污染和削減成本，對復合材料公交車車體的需求將繼續(xù)增長。根據Proterra的說法，與柴油、壓縮天然氣或柴油混合動力公交車相比，電池電動汽車的運營生命周期成本最低（12年）。這可能就是Proterra說現在電池驅動的電動巴士的銷售額占整個運輸市場銷售額的10％的原因之一。

復合材料廣泛應用于電動客車車身仍然存在一定的障礙。一種是不同的公交車客戶需求的專業(yè)化?！懊總€運輸當局都喜歡以不同的方式獲得公交車-座椅配置、艙口打開方式。對于公交車制造商來說，這是一個巨大的挑戰(zhàn)，其中許多配置項可能會流向我們?！盇ltman說。“綜合的車身制造商希望擁有一個標準的構建，但是如果每個客戶都希望進行高度的定制，這將很難做到?！?TPI繼續(xù)與Proterra合作以增強總線設計，以更好地管理最終客戶所需的靈活性。

探索可能性

復合材料公司正在繼續(xù)測試其材料是否適合新的大眾運輸應用。在英國，專門研究回收和再利用碳纖維的技術的ELG Carbon Fibre領導著一個企業(yè)聯盟開發(fā)輕型復合材料用于客車的轉向架。轉向架支撐汽車的車身，引導輪對并保持其穩(wěn)定性。它們通過吸收鐵軌的振動并在火車轉彎時最大程度地減小離心力的作用來幫助提高乘坐舒適性。

該項目的一個目標是生產比同類金屬轉向架輕50％的轉向架。ELG產品開發(fā)工程師Camille Seurat說：“如果轉向架更輕，它將對履帶造成的損壞減少，并且由于履帶上的負載會降低，因此可以減少維護時間和維護成本。” 附加目標是將車輪側向輪軌力降低40％，并提供終生狀態(tài)監(jiān)測。英國非營利性鐵路安全與標準委員會（RSSB）為該項目提供資金，目的是生產具有商業(yè)可行性的產品。

已進行了廣泛的制造試驗，使用壓模、常規(guī)濕法鋪層、灌注和高壓釜的預浸料制成了許多測試面板。由于轉向架的生產將受到限制，因此該公司選擇了在高壓釜中固化的環(huán)氧預浸料作為最經濟高效的建造方法。

全尺寸的轉向架原型車長8.8英尺、寬6.7英尺、高2.8英尺。它由回收的碳纖維（ELG提供的非織造墊）和原始碳纖維織物的組合制成。單向纖維將用于主要的強度元件，并將使用機器人技術將其放置在模具中。選擇具有良好機械性能的環(huán)氧樹脂，將是一種新配制的阻燃環(huán)氧樹脂，已通過EN45545-2認證，可在鐵路上使用。

與由轉向橫梁焊接到兩個側梁的鋼制轉向架不同，復合材料轉向架將被制造為不同的頂部和底部，然后結合在一起。為了替換現有的金屬轉向架，復合材料版本將必須在同一位置結合懸架和制動器連接支架以及其他配件?！澳壳?，我們選擇保留鋼制配件，但對于進一步的項目，將鋼制配件替換為復合材料式配件可能很有趣，這樣我們可以進一步減輕最終重量，” Seurat說。

伯明翰大學的傳感器和復合材料小組的一個財團成員正在負責監(jiān)控傳感器的開發(fā)，該傳感器將在制造階段集成到復合轉向架中?！按蠖鄶祩鞲衅鲗Ｗ⒂诒O(jiān)測轉向架上離散點的應變，而其他傳感器則用于溫度傳感，”Seurat說。傳感器將允許對復合材料結構進行實時監(jiān)控，從而可以收集使用壽命載荷數據。這將提供有關峰值負荷和長期疲勞的有價值的信息。

初步研究表明，復合材料轉向架應能夠實現所需的重量減輕50％。項目團隊希望在2019年中期準備一輛大型轉向架進行測試。如果原型機的性能達到預期，它們將生產更多轉向架，以測試由阿爾斯通鐵路運輸公司生產的有軌電車。

根據Seurat的說法，盡管仍有許多工作要做，但初步跡象表明，有可能制造出一種商業(yè)上可行的復合轉向架，該轉向架在成本和強度上可以與金屬轉向架競爭。她補充說：“ 之后我認為復合材料可用于鐵路行業(yè)有很多選擇和潛在的應用。

來源：碳纖維及其復合材料技術

作者：錢鑫博士

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