軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架零部件應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料替代金屬材料研究

王昕敏

(西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710026)

軌道交通對(duì)于我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)具有至關(guān)重要的作用，也直接影響著公共交通事業(yè)的進(jìn)步。軌道交通的車輛轉(zhuǎn)向架，是高速軌道列車核心結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)之一。轉(zhuǎn)向架約占軌道交通車輛整重的30%～40%，較高的重量無(wú)疑給車輛的輕量化發(fā)展帶來(lái)影響。此外，傳統(tǒng)的車輛轉(zhuǎn)向架多以鋼材焊接組裝而成，在長(zhǎng)期高負(fù)荷、高強(qiáng)度工作狀態(tài)下，會(huì)因外力作用而在焊接部分形成疲勞斷裂等問(wèn)題。因此，相關(guān)領(lǐng)域不斷嘗試使用新的材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬材料用于替換轉(zhuǎn)向架中的某些零部件。碳纖維復(fù)合材料便是替換材料中較為出色的一種。碳纖維復(fù)合材料由于具有密度低、高強(qiáng)度、耐腐蝕等性能優(yōu)勢(shì)，逐漸被軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用于車輛各部分，例如司機(jī)室頭罩、車輛車體等。然而，專門針對(duì)車輛轉(zhuǎn)向架應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料的研究尚且不多。本文以碳纖維復(fù)合材料為主要研究對(duì)象，對(duì)復(fù)合材料在車輛轉(zhuǎn)向架各零部件中的應(yīng)用可行性進(jìn)行分析，提出了針對(duì)現(xiàn)有某型號(hào)客用軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架的整改優(yōu)化方法。

1 碳纖維復(fù)合材料特性

（1）重量輕、強(qiáng)度高

傳統(tǒng)的軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架多采用碳鋼、不銹鋼或者鋁合金材料制備而成，這些材料中鋁合金材料的密度整體最低。但是與碳纖維復(fù)合材料相比，即便鋁合金材料的密度也要遠(yuǎn)超普通碳纖維復(fù)合材料［1］。表1所示為軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架常用金屬材料性能參數(shù)與碳纖維復(fù)合材料性能參數(shù)的對(duì)比情況。

表1 轉(zhuǎn)向架用材料性能對(duì)比Table 1 Comparison of material properties of bogie

從密度方面分析，碳纖維復(fù)合材料能夠表現(xiàn)出明顯優(yōu)于碳素鋼或者不銹鋼的性能，即便與鋁合金材質(zhì)相比，碳纖維復(fù)合材料的密度優(yōu)勢(shì)也極為明顯。從材料的強(qiáng)度來(lái)看，碳纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)超普通金屬或合金材料，比強(qiáng)度與比模量更是遠(yuǎn)超一般碳素鋼。如果采用碳纖維復(fù)合材料替換傳統(tǒng)的金屬或鋁合金材料，不僅能夠全面降低軌道交通車輛的整體重量，還能夠一定程度上增強(qiáng)車輛的整體強(qiáng)度。

（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活

與傳統(tǒng)金屬材料相比，碳纖維復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為靈活。這種設(shè)計(jì)靈活優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在兩方面。首先，碳纖維復(fù)合材料的材料性能更加優(yōu)異，在使用碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)加工時(shí)，可以為設(shè)計(jì)人員提供更加寬泛的設(shè)計(jì)余量，設(shè)計(jì)人員可以靈活采用多種結(jié)構(gòu)進(jìn)行零部件設(shè)計(jì)，而不必?fù)?dān)心零部件結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度。其次，碳纖維復(fù)合材料本身的加工方式可以采用鋪層設(shè)計(jì)、模具加工等多種方式，可以幫助設(shè)計(jì)人員避免傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的諸多問(wèn)題。

（3）抗疲勞性能強(qiáng)

表2所示為載荷由0增加至107N過(guò)程中，完整碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件、有缺口的碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件以及原始粘合短碳纖維材料的材料延伸率變化情況［2-4］。

表2 碳纖維復(fù)合材料耐久性能比較(延伸率：%)Table 2 Comparison of durability of carbon fiber composites

由表2數(shù)據(jù)可知，盡管完整的結(jié)構(gòu)件在最初的材料延伸率方面表現(xiàn)出明顯高于缺口結(jié)構(gòu)件以及原始短纖維材料的性能，但是隨著材料載荷的不斷提升，三者在材料延伸率方面的差異越來(lái)越小，最終基本達(dá)到同一水平。可見(jiàn)，對(duì)于碳纖維復(fù)合材料而言，并不會(huì)因?yàn)椴牧铣霈F(xiàn)缺口或者裂紋而呈現(xiàn)過(guò)于明顯的性能變化，即材料本身對(duì)缺口、裂紋的敏感度較低，材料的綜合抗疲勞性能較為優(yōu)越。

軌道交通車輛的轉(zhuǎn)向架是一種需要長(zhǎng)期高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的零部件。以金屬材料制備而成的轉(zhuǎn)向架在長(zhǎng)期高強(qiáng)度動(dòng)態(tài)載荷的作用下，極容易在焊接或組裝部分發(fā)生擴(kuò)展/擠壓，最終形成不斷擴(kuò)大的裂紋。由于碳素鋼或者一般鋁合金材料的抗疲勞強(qiáng)度通常并不高，在面對(duì)這種高載荷、高強(qiáng)度動(dòng)態(tài)沖擊時(shí)，容易因?yàn)椴牧狭觿?shì)而出現(xiàn)缺陷擴(kuò)張，最終造成事故［5-7］。碳纖維復(fù)合材料的抗疲勞性能遠(yuǎn)比一般的金屬或合金材料更強(qiáng)。這種性能優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在兩方面：首先，碳纖維材料本身的材料強(qiáng)度、剛性較一般金屬材料更好，更不容易在高載荷作用下形成裂紋或缺口等；其次，碳纖維復(fù)合材料在出現(xiàn)裂紋或缺口以后，由于材料本身為鋪層加工而成，不同層之間會(huì)在材料結(jié)構(gòu)作用下形成相互作用，缺口或者裂紋的影響將會(huì)大大降低。

2 轉(zhuǎn)向架應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料可行性分析

2.1 轉(zhuǎn)向架基本結(jié)構(gòu)

圖1所示是一種典型的載客輕軌車輛轉(zhuǎn)向架，包括懸掛彈簧、構(gòu)架、車輪等零部件。這種轉(zhuǎn)向架基本全部由金屬材料制備而成，除了車身較重這一負(fù)面問(wèn)題外，在長(zhǎng)期高負(fù)荷運(yùn)載狀態(tài)下，車輛的構(gòu)架、車輪、制動(dòng)盤等部位均有可能因?yàn)檩d荷的作用而產(chǎn)生裂縫或缺口，進(jìn)而造成安全事故。

圖1 典型載客輕軌車輛金屬轉(zhuǎn)向架Fig.1 Metal bogie of typical passenger light rail vehicle

2.2 轉(zhuǎn)向架各零部件應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料可行性

2.2.1 構(gòu)架

軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架，是整個(gè)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的框架，基本上其他各個(gè)零部件均是以構(gòu)架為基礎(chǔ)并安裝在構(gòu)架之上的。轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架承擔(dān)了轉(zhuǎn)向架各個(gè)方向上的力和載荷，對(duì)構(gòu)架本身的設(shè)計(jì)強(qiáng)度具有較高要求。當(dāng)前絕大多數(shù)國(guó)家的輕軌系統(tǒng)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架都是以碳素鋼為主要材質(zhì)，構(gòu)架的重量約占車輛轉(zhuǎn)向架整重的15%～～30%，是占能耗比例較大的車輛零部件［8-10］。最早以復(fù)合材料代替車架構(gòu)架碳素鋼材料的構(gòu)想，起源于20世紀(jì)80年代的德國(guó)某公司，該公司對(duì)復(fù)合材料構(gòu)架的耐久性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，表明材料替換以后能夠顯著提升轉(zhuǎn)向架的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并降低轉(zhuǎn)向架的自重；之后全球各國(guó)均開(kāi)始嘗試以碳纖維等復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)碳素鋼材料制備轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，我國(guó)最新研發(fā)的碳纖維地鐵車輛“CETROVO”采用了大量碳纖維材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬材料，使轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在有效降低自重約20%左右的基礎(chǔ)上，有效提升了構(gòu)架屈服強(qiáng)度和抗疲勞性能。

2.2.2 軸箱體

軸箱體在車輛轉(zhuǎn)向架中的作用主要是保護(hù)車輛的車軸并且傳遞車輛車輪對(duì)構(gòu)架的作用力。因此，軸箱體也需要長(zhǎng)期承擔(dān)主要來(lái)自縱向的載荷。不過(guò)當(dāng)前關(guān)于開(kāi)發(fā)碳纖維復(fù)合材料軸箱體的有關(guān)研究較少，僅有我國(guó)的部分輕軌研究人員開(kāi)發(fā)了某些一體成型的碳纖維復(fù)合材料軸箱體［11-13］。這種設(shè)計(jì)主要有兩方面的優(yōu)勢(shì)：一方面可以使軸箱體的自重進(jìn)一步降低，實(shí)現(xiàn)車身輕量化設(shè)計(jì)；另一方面此時(shí)的軸箱體在碳纖維復(fù)合材料高強(qiáng)、高彈的性能支持下，還可以起到一定的板簧作用，增強(qiáng)車身的穩(wěn)定性以及車內(nèi)乘坐舒適感。

2.2.3 懸掛彈簧

用碳纖維復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬懸掛彈簧，是車輛轉(zhuǎn)向架與復(fù)合材料融合領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向。碳纖維復(fù)合材料具有高強(qiáng)、高彈的特性，以復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)彈簧作為板簧，具有以下兩方面優(yōu)勢(shì)。

首先，碳纖維復(fù)合材料板簧可以將轉(zhuǎn)向架側(cè)梁與螺旋彈簧的功能進(jìn)行整合，弓形碳纖維板簧可以同時(shí)提供原來(lái)兩種部件的作用，同時(shí)還能大幅降低轉(zhuǎn)向架重量。

其次，碳纖維復(fù)合材料弓形板簧可以在車輛產(chǎn)生運(yùn)載負(fù)荷時(shí)使整個(gè)轉(zhuǎn)向架產(chǎn)生撓曲效應(yīng)，保證轉(zhuǎn)向架中各個(gè)車輪能夠穩(wěn)定、均勻地向鐵軌施加作用力，此時(shí)車輛內(nèi)部的乘坐舒適性能夠大幅提升。尤其當(dāng)輕軌運(yùn)行軌跡不是直線時(shí)，這種撓曲抑制能夠充分減少“輪重減載”現(xiàn)象，能夠有效避免輕軌脫軌。

2.2.4 車軸

車軸是軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架的重要承力部件，需要承擔(dān)很大一部分車身整重在垂直方向的載荷以及其他轉(zhuǎn)向架部件帶來(lái)的其他方向的載荷。因此，車軸部分的受力情況較為復(fù)雜。車軸材料的選擇除了輕量化要求以外，還必須同時(shí)具備較高的可加工性、較高的材料剛性等，以避免車軸在承受彎矩或力矩時(shí)產(chǎn)生過(guò)大的形變量等。不過(guò)對(duì)于當(dāng)前的復(fù)合材料研究領(lǐng)域而言，尚未能發(fā)現(xiàn)某種碳纖維復(fù)合材料或其他復(fù)合材料能夠替代現(xiàn)有的金屬材料。這主要是因?yàn)槿舯３脂F(xiàn)有車軸結(jié)構(gòu)不變的情況，碳纖維等復(fù)合材料并不能長(zhǎng)期保持良好的彈性模量，無(wú)法承擔(dān)圓柱形結(jié)構(gòu)帶來(lái)的材料性能衰減。因此，本文認(rèn)為車軸部分暫時(shí)無(wú)法以碳纖維復(fù)合材料完全替代。

2.2.5 制動(dòng)盤、剎車片

制動(dòng)盤、剎車片主要承擔(dān)的是制動(dòng)時(shí)車輛的車輪以及車軸帶來(lái)的摩擦力。此外，制動(dòng)盤與剎車片還必須擁有良好的耐磨性和耐高溫性能。當(dāng)前最常用的制動(dòng)盤、剎車片復(fù)合材料為超高分子聚乙烯、聚酰胺結(jié)構(gòu)等［14］。而這種材料在長(zhǎng)期高負(fù)荷作用下會(huì)出現(xiàn)異常磨損甚至融化，對(duì)于車輛的正常運(yùn)行危害性極大。因此，部分學(xué)者嘗試使用其他復(fù)合材料制備制動(dòng)盤和剎車片。有學(xué)者開(kāi)發(fā)了增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與碳/碳復(fù)合材料顆粒進(jìn)行混合的方法制備剎車片材料，能夠有效提升剎車片的耐磨性，但是這種剎車片材料一旦遇到潮濕條件會(huì)一定程度上降低部分摩擦力［14］。因此，盡管這種復(fù)合材料混合剎車片自重較低，耐磨性也較好，但仍然不值得進(jìn)行推廣。目前還沒(méi)有更多的研究表明碳纖維材料可以明顯取代傳統(tǒng)金屬、高分子材料用于制備制動(dòng)盤和剎車片。

2.2.6 車輪

車輪是軌道交通車輛整體結(jié)構(gòu)中最核心的零部件，需要為車輛提供垂直于鐵軌方向的支撐力以及鐵軌對(duì)車輪在平行方向的約束力等，受力載荷極大。車輪部分所承受的載荷突出表現(xiàn)為高強(qiáng)度、長(zhǎng)周期、極端沖擊、高磨損、高腐蝕以及高熱量等。車輪部位材料的應(yīng)用與選擇，對(duì)車輛整體運(yùn)行穩(wěn)定性、功耗等均會(huì)產(chǎn)生極大影響。我國(guó)某企業(yè)開(kāi)發(fā)了一種金屬搭配復(fù)合材料的新型車輪，該車輪最外圍輪轂以及最內(nèi)層襯套均是傳統(tǒng)的碳鋼材質(zhì)，而輪心部位則采用了碳纖維復(fù)合材料，利用粘膠和嵌襯工藝將三者進(jìn)行連接［15］。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一方面能夠顯著降低車輪自重20%左右，還能有效降低車輪部分在高載荷作用下與鐵軌之間的沖擊載荷，進(jìn)而有效提供緩沖作用的同時(shí)，降低轉(zhuǎn)向架其他部件受到的運(yùn)動(dòng)沖擊。

2.3 轉(zhuǎn)向架各零部件應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料方案

經(jīng)以上分析可知，在軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架各零部件中，構(gòu)架、軸箱體、懸掛彈簧以及車輪這四個(gè)部件具有以碳纖維復(fù)合材料替代傳統(tǒng)金屬材料的可行性；而車軸以及剎車系統(tǒng)方面，本文認(rèn)為當(dāng)前并沒(méi)有太多的材料替換可行性。因此，本文建議在今后的軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)上應(yīng)用復(fù)合材料時(shí)，應(yīng)將主要的設(shè)計(jì)重心集中在構(gòu)架、軸箱體、懸掛彈簧以及車輪四個(gè)零部件方面。在這四處應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料，能夠?qū)崿F(xiàn)車輛整體的輕量化從而顯著提升車輛能耗效率，還能夠增強(qiáng)車輛轉(zhuǎn)向架整體剛性、彈性和舒適性等。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，碳纖維復(fù)合材料因具備高強(qiáng)、高彈、低密度和抗老化疲勞的性能而被廣泛應(yīng)用于軌道交通領(lǐng)域。然而，并不是所有的轉(zhuǎn)向架零部件均適合采用碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行材料替代。相關(guān)研究領(lǐng)域工作人員應(yīng)根據(jù)各部件的具體特征和現(xiàn)實(shí)需求，靈活選擇是否以復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)碳素鋼或者選用何種復(fù)合材料進(jìn)行新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。