國(guó)外在軌道交通用復(fù)合材料領(lǐng)域的研究已有將近半個(gè)世紀(jì)，雖然目前國(guó)內(nèi)軌道交通、高鐵等發(fā)展迅速，且國(guó)內(nèi)復(fù)合材料在該領(lǐng)域應(yīng)用如火如荼，但是與國(guó)內(nèi)大量采用碳纖維復(fù)合材料有所不同，國(guó)外軌道交通中大量采用的復(fù)合材料中增強(qiáng)纖維更多的是采用玻璃纖維，如本文中提到的TPI復(fù)合材料公司開(kāi)發(fā)車(chē)身用復(fù)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(shí)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(guān)鍵結(jié)構(gòu)件如轉(zhuǎn)向架等應(yīng)用。

　　50多年來(lái)，熱固性復(fù)合材料生產(chǎn)商N(yùn)orplex-Micarta一直在制造用于軌道交通應(yīng)用的材料(包括火車(chē)、輕軌制動(dòng)系統(tǒng)以及高架電軌的電氣絕緣)方面保持穩(wěn)定的業(yè)務(wù)。但是如今，該公司的市場(chǎng)正在從相對(duì)狹窄的細(xì)分市場(chǎng)擴(kuò)展到其他更多的應(yīng)用，例如壁、屋頂和地板。

　　Norplex-Micarta的業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)Dustin Davis認(rèn)為，在未來(lái)幾年中，鐵路和其他大眾運(yùn)輸市場(chǎng)為其公司以及其他復(fù)合材料制造商和供應(yīng)商提供的機(jī)會(huì)將越來(lái)越多。這種預(yù)期的增長(zhǎng)有幾個(gè)原因，其中有一種是歐洲采用的消防標(biāo)準(zhǔn)EN 45545-2，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)大眾運(yùn)輸提出了更嚴(yán)格的防火、防煙和防毒(FST)要求，通過(guò)使用酚醛樹(shù)脂系統(tǒng)，復(fù)合材料制造商可以將必要的防火和防煙性能納入其產(chǎn)品中。

　　另外，公共汽車(chē)、地鐵和火車(chē)的運(yùn)營(yíng)商開(kāi)始意識(shí)到復(fù)合材料在降低噪聲振動(dòng)和刺耳聲方面的優(yōu)勢(shì)。 Davis說(shuō)：“如果您曾經(jīng)在地鐵上聽(tīng)到過(guò)金屬板在嘎嘎作響。若面板是由復(fù)合材料制成的，則它會(huì)減弱聲音，從而使火車(chē)更安靜。”

　　復(fù)合材料的重量更輕，也使其吸引了對(duì)減少燃料使用和擴(kuò)大其使用范圍感興趣的公交運(yùn)營(yíng)商。市場(chǎng)研究公司Lucintel在2018年9月的一份報(bào)告中，預(yù)測(cè)2018年至2023年之間，用于大眾運(yùn)輸和越野車(chē)輛的復(fù)合材料的全球市場(chǎng)將以每年4.6%的速度增長(zhǎng)，到2023年有望達(dá)到10億美元的價(jià)值。機(jī)遇將來(lái)自各種各樣的應(yīng)用，包括外部、內(nèi)部、引擎蓋和動(dòng)力總成零件以及電氣組件。

　　Norplex-Micarta現(xiàn)在生產(chǎn)的新零件目前正在美國(guó)的輕軌線上進(jìn)行測(cè)試。此外，該公司繼續(xù)采用連續(xù)纖維材料專(zhuān)注于電氣化系統(tǒng)，并將其與更快固化的樹(shù)脂系統(tǒng)結(jié)合在一起。Davis解釋說(shuō)：“您可以降低成本，提高產(chǎn)量，并將FST酚醛樹(shù)脂的全部功能推向市場(chǎng)?！彪m然復(fù)合材料可能比類(lèi)似的金屬零件貴，但 Davis說(shuō)，成本并不是他們正在研究的應(yīng)用決定因素。

　　輕巧，阻燃

　　歐洲鐵路運(yùn)營(yíng)商Duetsche Bahn的66輛ICE-3快車(chē)車(chē)隊(duì)進(jìn)行了翻新，這是復(fù)合材料滿足客戶(hù)特定需求的能力之一?？照{(diào)系統(tǒng)、乘客娛樂(lè)系統(tǒng)和新座椅的安裝給ICE-3軌道車(chē)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(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)準(zhǔn)。輕質(zhì)復(fù)合材料地板就是答案。

　　位于德國(guó)的復(fù)合材料面料生產(chǎn)商Saertex為其地板提供了LEO?材料系統(tǒng)。Saertex集團(tuán)全球營(yíng)銷(xiāo)主管Daniel Stumpp表示，LEO是一種分層的非卷曲織物，比機(jī)織織物具有更高的機(jī)械性能和更大的輕量化潛力。四組分復(fù)合材料系統(tǒng)包括特殊的防火涂料、玻璃纖維增強(qiáng)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(shù)脂。

　　復(fù)合材料制造商SMT(也位于德國(guó))使用英國(guó)公司Alan Harper制造的可重復(fù)使用的硅真空袋，通過(guò)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(shuō)?！? LEO系統(tǒng)基于具有非填充樹(shù)脂系統(tǒng)的連續(xù)纖維層壓板，具有出色的機(jī)械性能……。此外，復(fù)合材料不腐爛，這是一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)，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(biāo)準(zhǔn)。

　　SMT生產(chǎn)了超過(guò)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(chē)的約三分之一中。在翻新過(guò)程中，正在優(yōu)化每種面板的尺寸，以適合特定的汽車(chē)。ICE-3轎車(chē)的OEM對(duì)新的復(fù)合材料地板印象深刻，以至于它已訂購(gòu)復(fù)合材料車(chē)頂來(lái)部分代替軌道車(chē)中的舊金屬車(chē)頂結(jié)構(gòu)。

　　走的更遠(yuǎn)

　　加利福尼亞州的Proterra是零排放電動(dòng)公交車(chē)的設(shè)計(jì)者和制造商，自2009年以來(lái)一直在其所有車(chē)身中使用復(fù)合材料。2017年，該公司的電池充電Catalyst?E2公交車(chē)單程行駛1100英里，創(chuàng)造了 紀(jì)錄。那輛公共汽車(chē)的特點(diǎn)是由復(fù)合材料制造商TPI復(fù)合材料公司制造的輕質(zhì)車(chē)身。

　　 *近，TPI與Proterra合作生產(chǎn)了集成的一體式復(fù)合材料電動(dòng)公交車(chē)。TPI戰(zhàn)略市場(chǎng) 總監(jiān)Todd Altman解釋說(shuō)：“在典型的公共汽車(chē)或卡車(chē)中，有一個(gè)底盤(pán)，車(chē)身位于該底盤(pán)的頂部。憑借公共汽車(chē)的硬殼設(shè)計(jì)，我們將底盤(pán)和車(chē)身集成在一起，類(lèi)似于一體式車(chē)的設(shè)計(jì)?！痹跐M足性能要求方面，單一結(jié)構(gòu)比兩個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)更有效。

　　Proterra單殼車(chē)身是特制的，從零開(kāi)始設(shè)計(jì)為電動(dòng)汽車(chē)。奧特曼說(shuō)，這是一個(gè)重要的區(qū)別，因?yàn)樵S多汽車(chē)制造商和電動(dòng)客車(chē)制造商的經(jīng)驗(yàn)都嘗試過(guò)有限的嘗試，以將其用于內(nèi)燃機(jī)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)改編為電動(dòng)汽車(chē)?！八麄儾捎矛F(xiàn)有平臺(tái)，并嘗試盡可能地裝入電池。從各種角度來(lái)看，這并不能提供 *佳的解決方案?！? Altman說(shuō)。

　　例如，許多電動(dòng)公交車(chē)的電池都安裝在車(chē)輛的后部或頂部。但是對(duì)于Proterra，TPI能夠?qū)㈦姵匕惭b在總線下方?！叭绻谲?chē)輛結(jié)構(gòu)上增加很多重量，則無(wú)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(shuō)。他指出，許多電動(dòng)公交車(chē)和汽車(chē)制造商現(xiàn)在都在回到圖紙上，為他們的車(chē)輛開(kāi)發(fā)更高效且有針對(duì)性的設(shè)計(jì)。

　　TPI已與Proterra簽訂了為期五年的協(xié)議，將在TPI位于愛(ài)荷華州和羅德島州的工廠生產(chǎn)多達(dá)3,350個(gè)復(fù)合材料客車(chē)車(chē)身。

　　需要定制

　　設(shè)計(jì)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(diǎn)，以便它們可以達(dá)到成本目標(biāo)，同時(shí)實(shí)現(xiàn) *佳性能。Altman指出，TPI在生產(chǎn)長(zhǎng)約200英尺長(zhǎng)、重達(dá)25,000磅的大型風(fēng)葉片方面的經(jīng)驗(yàn)使他們生產(chǎn)40英尺重在6,000至10,000磅之間的公共汽車(chē)車(chē)身相對(duì)容易。

　　TPI能夠通過(guò)選擇性地使用碳纖維來(lái)獲得所需的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并保留它來(lái)加固承受 *大載荷的區(qū)域。“我們?cè)诨旧峡梢再?gòu)買(mǎi)汽車(chē)的地方使用碳纖維，”Altman說(shuō)。總體而言，碳纖維僅占車(chē)身復(fù)合材料增強(qiáng)材料的不到10%，其余的是玻璃纖維。

　　TPI選擇乙烯基酯樹(shù)脂的原因也與此類(lèi)似?！爱?dāng)我們查看環(huán)氧樹(shù)脂時(shí)，它們很棒，但是當(dāng)您固化它們時(shí)，必須升高溫度，因此必須加熱模具。這是一筆額外的費(fèi)用，”他繼續(xù)說(shuō)道。

　　該公司使用真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑(VARTM)來(lái)生產(chǎn)復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)，從而為單體外殼提供必要的剛度。在制造過(guò)程中，一些金屬配件(例如螺紋配件和攻絲板)被結(jié)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(fù)合材料裝飾件如整流罩，但是零件的數(shù)量只是金屬總線上的零頭。

　　將完成的車(chē)身發(fā)送到Proterra巴士生產(chǎn)工廠后，生產(chǎn)線的流動(dòng)會(huì)更快，因?yàn)橐龅墓ぷ鞲佟！八麄儾槐剡M(jìn)行所有的焊接、研磨和制造過(guò)程，而且它們的接口非常簡(jiǎn)單，可以將車(chē)體連接到傳動(dòng)系統(tǒng)上，”Altman補(bǔ)充說(shuō)。Proterra節(jié)省了時(shí)間并減少了開(kāi)銷(xiāo)，因?yàn)閱误w外殼所需的制造空間更少。

　　Altman認(rèn)為，隨著城市轉(zhuǎn)向電動(dòng)公交車(chē)以減少污染和削減成本，對(duì)復(fù)合材料公交車(chē)車(chē)體的需求將繼續(xù)增長(zhǎng)。根據(jù)Proterra的說(shuō)法，與柴油、壓縮天然氣或柴油混合動(dòng)力公交車(chē)相比，電池電動(dòng)汽車(chē)的運(yùn)營(yíng)生命周期成本 *低(12年)。這可能就是Proterra說(shuō)現(xiàn)在電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)巴士的銷(xiāo)售額占整個(gè)運(yùn)輸市場(chǎng)銷(xiāo)售額的10%的原因之一。

　　復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于電動(dòng)客車(chē)車(chē)身仍然存在一定的障礙。一種是不同的公交車(chē)客戶(hù)需求的專(zhuān)業(yè)化?！懊總€(gè)運(yùn)輸當(dāng)局都喜歡以不同的方式獲得公交車(chē)-座椅配置、艙口打開(kāi)方式。對(duì)于公交車(chē)制造商來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，其中許多配置項(xiàng)可能會(huì)流向我們?！盇ltman說(shuō)?！熬C合的車(chē)身制造商希望擁有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)建，但是如果每個(gè)客戶(hù)都希望進(jìn)行高度的定制，這將很難做到?！? TPI繼續(xù)與Proterra合作以增強(qiáng)總線設(shè)計(jì)，以更好地管理 *終客戶(hù)所需的靈活性。

　　探索可能性

　　復(fù)合材料公司正在繼續(xù)測(cè)試其材料是否適合新的大眾運(yùn)輸應(yīng)用。在英國(guó)，專(zhuān)門(mén)研究回收和再利用碳纖維的技術(shù)的ELG Carbon Fibre領(lǐng)導(dǎo)著一個(gè)企業(yè)聯(lián)盟開(kāi)發(fā)輕型復(fù)合材料用于客車(chē)的轉(zhuǎn)向架。轉(zhuǎn)向架支撐汽車(chē)的車(chē)身，引導(dǎo)輪對(duì)并保持其穩(wěn)定性。它們通過(guò)吸收鐵軌的振動(dòng)并在火車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí) *大程度地減小離心力的作用來(lái)幫助提高乘坐舒適性。

　　該項(xiàng)目的一個(gè)目標(biāo)是生產(chǎn)比同類(lèi)金屬轉(zhuǎn)向架輕50%的轉(zhuǎn)向架。ELG產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工程師Camille Seurat說(shuō)：“如果轉(zhuǎn)向架更輕，它將對(duì)履帶造成的損壞減少，并且由于履帶上的負(fù)載會(huì)降低，因此可以減少維護(hù)時(shí)間和維護(hù)成本?！? 附加目標(biāo)是將車(chē)輪側(cè)向輪軌力降低40%，并提供終生狀態(tài)監(jiān)測(cè)。英國(guó)非營(yíng)利性鐵路安全與標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)(RSSB)為該項(xiàng)目提供資金，目的是生產(chǎn)具有商業(yè)可行性的產(chǎn)品。

　　已進(jìn)行了廣泛的制造試驗(yàn)，使用壓模、常規(guī)濕法鋪層、灌注和高壓釜的預(yù)浸料制成了許多測(cè)試面板。由于轉(zhuǎn)向架的生產(chǎn)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(yù)浸料作為 *經(jīng)濟(jì)高效的建造方法。?

　　全尺寸的轉(zhuǎn)向架原型車(chē)長(zhǎng)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(qiáng)度元件，并將使用機(jī)器人技術(shù)將其放置在模具中。選擇具有良好機(jī)械性能的環(huán)氧樹(shù)脂，將是一種新配制的阻燃環(huán)氧樹(shù)脂，已通過(guò)EN45545-2認(rèn)證，可在鐵路上使用。

　　與由轉(zhuǎn)向橫梁焊接到兩個(gè)側(cè)梁的鋼制轉(zhuǎn)向架不同，復(fù)合材料轉(zhuǎn)向架將被制造為不同的頂部和底部，然后結(jié)合在一起。為了替換現(xiàn)有的金屬轉(zhuǎn)向架，復(fù)合材料版本將必須在同一位置結(jié)合懸架和制動(dòng)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(duì)于進(jìn)一步的項(xiàng)目，將鋼制配件替換為復(fù)合材料式配件可能很有趣，這樣我們可以進(jìn)一步減輕 *終重量，” Seurat說(shuō)。

　　伯明翰大學(xué)的傳感器和復(fù)合材料小組的一個(gè)財(cái)團(tuán)成員正在負(fù)責(zé)監(jiān)控傳感器的開(kāi)發(fā)，該傳感器將在制造階段集成到復(fù)合轉(zhuǎn)向架中?！按蠖鄶?shù)傳感器將專(zhuān)注于監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)向架上離散點(diǎn)的應(yīng)變，而其他傳感器則用于溫度傳感，”Seurat說(shuō)。傳感器將允許對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而可以收集使用壽命載荷數(shù)據(jù)。這將提供有關(guān)峰值負(fù)荷和長(zhǎng)期疲勞的有價(jià)值的信息。

　　初步研究表明，復(fù)合材料轉(zhuǎn)向架應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)所需的重量減輕50%。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)希望在2019年中期準(zhǔn)備一輛大型轉(zhuǎn)向架進(jìn)行測(cè)試。如果原型機(jī)的性能達(dá)到預(yù)期，它們將生產(chǎn)更多轉(zhuǎn)向架，以測(cè)試由阿爾斯通鐵路運(yùn)輸公司生產(chǎn)的有軌電車(chē)。

　　根據(jù)Seurat的說(shuō)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(fù)合轉(zhuǎn)向架，該轉(zhuǎn)向架在成本和強(qiáng)度上可以與金屬轉(zhuǎn)向架競(jìng)爭(zhēng)。她補(bǔ)充說(shuō)：“ 之后我認(rèn)為復(fù)合材料可用于鐵路行業(yè)有很多選擇和潛在的應(yīng)用。”(文章轉(zhuǎn)載自碳纖維及其復(fù)合材料技術(shù)，作者：錢(qián)鑫博士)