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轨道交通车辆车体结构材料轻量化产业发展及展望

2019/11/28 9:50:17 人评论 次浏览 分类:国内铝业动态


近年来,我国轨道交通产业发展迅速,从 2004年高铁技术引进和启动以来,中国轨道交通发展迅猛,以市场换技术的同时进行战略性投标,完成了对于高端制造技术的“引进、消化、吸收、再创新”的过程。《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》明确提出,轨道交通装备产业要持续以智能、绿色、轻量为目标,坚持系列、标准、平台化发展,不断加快新技术、新工艺、新材料的应用,研制系列化优质产品,完善轨道交通产业的技术标准体系和产业创新体系。轨道交通作为现代中国制造技术发展的重要标志,其技术发展水平直接代表着中国制造业的技术水平。“安全可靠、高效便捷、绿色环保、经济适用”是轨道交通装备未来的主要发展趋势,各种新技术、新工艺、新材料的应用为轨道交通装备的升级换代提供有力支撑。

中国高铁的发展到现在主要经历了3个阶段:

第1阶段为高铁的国产化阶段,即从国外引入高铁技术,主要从日本(川崎重工)、德国(西门子)、法国(阿尔斯通)引入先进的高铁技术,完成CRH2、CRH3和CRH5的动车系列的研发,实现国产化生产的过程。

第2阶段为自主化阶段,即将国外拿过来的技术经过自主设计形成第2代高铁,通过依托“十一五”的国家科技支撑计划,科技部与铁道部进行通力合作,启动了重大项目“中国高速列车关键技术研究及装备研制”,该项目通过联合各大高校和优势科研院所,集中攻坚共同研发,在牵引传动、网络控制等核心技术上进行了多项研发创新,并于 2011年完成了新一代高速动车组CRH380系列(营运速度高达380km/h),该系列车型完全为自主研发,摆脱了引进技术源头方的控制,能够实现自由出口,成功完成了第2代高铁使命。

而第3阶段的目标则为建立中国自己的高铁标准体系,通过总结提炼引进的高铁技术,将其融会贯通,形成 2015年下线、2017年正式运营的CR400的“复兴号”系列。同时,中车集团不断引进先进技术,促进下一代轨道车辆产品的迅速推出 :2018年在德国柏林发布了下一代地铁具有全碳纤维车体及多种智能装备 ;2019年6月发布的磁悬浮列车也采用了碳纤维复合材料车体,能够达到600km/h的试验速度。每一代高铁车辆的研发、定型、产业化的过程都是不断学习、吸收及创新的过程,只有不断注入新的技术元素,才能使得中国的制造业金名片永不褪色。

随着中国制造大国地位的不断稳固和各种新兴技术的涌现,在国家政策的牵引下,我国轨道交通装备发展迅速,更新换代速度越来越快,各代高铁车体结构材料使用具有较强的代际特征。高铁的快速发展推动了技术进步,对新材料需求不断提高,但复合材料在我国高速列车的应用不足10%,需要进一步加强新技术、新材料的融合应用,推进产业化的迅速实施。生活节奏的加快和人民生活品质的提高对交通工具内部环境的改善和营运速度提出了更高的要求,为达到轨道本身的要求和轨道车辆提速的要求的平衡,就要求轨道车辆本身质量要足够低,因此轨道车辆的轻量化之路从未停歇。轨道车辆对材料应用的需求主要体现在 :可设计性、可制造性、可服役性、可维护性、可回收性等几个方面。新型的先进复合材料在轨道交通车辆的应用路线一般从非承载件(顶板、侧墙、座椅、内饰)到次承载结构件(设备舱、车端前罩)到主承载结构件(转向架、车体和车钩缓冲)逐步进行,用于主承力结构的材料变更需要进行大量的试验验证之后才能应用到主承载结构中,因此主承载结构材料的轻量化可以一定程度上代表轨道交通车辆的代际变换。

在高速发展的轨道交通装备的整个历程中,轨道交通车辆车体主结构材料从最初的普通碳素钢到现在的先进的轻量化的复合材料,质量得到大幅减轻,综合性能及舒适性大幅提高,速度也得到不断攀升。碳纤维复合材料作为战略性新材料,与金属材料相比具有高强、轻质、耐蚀、可设计性强优势,是解决轨道交通车辆主承载结构材料轻量化的首选,重点解决材料替换过程中的轻量化与强度、刚度、疲劳、腐蚀、噪声及防火等性能矛盾,得到各种技术性能的平衡解决方案。

1 轨道交通车体结构材料发展历程回顾

纵观世界轨道交通车辆车体结构用材料的发展,现已主要经历3个历程(图1)。

1.1 钢结构

轨道交通车辆车体结构材料最早采用普通碳素钢,碳素钢价格便宜,强度高,但极易受环境腐蚀,在盐雾较高或湿度较大的使用环境下,设计过程需要留有较高的腐蚀余量,车体需采用较大的安全系数,使得车重偏高,耗能偏大 ;后为改善腐蚀造成的冗余设计改为耐候钢,其耐腐蚀性为碳素钢的 2 ~3倍,车辆自重降低 10%~20%,但仍需要添加涂层防护 ;后来采用不锈钢,比普通碳素钢车体减重30%~50%,不需涂层防护。

1.2 铝合金结构

铝合金车体结构主要采用挤压型材(单层梁板式)、中空挤压型材(具有复杂截面结构)、钎焊铝蜂窝(BAH板)3种结构形式。铝合金替换不锈钢的过程初期也经历了工艺技术成本较高的限制,通过材料供应商及生产厂家的协同攻关,改善焊接工艺、连接工艺等制造工艺,实现制造过程可控,节省加工费用和设备费用,减少工时,且量产后铝合金材料价格降低,最终达到不降低力学性能的同时与不锈钢的价格基本持平,而车体质量比碳钢车质量减少50%,并且具有较好的耐腐蚀性和较低的维修费用。

1.3 高性能纤维增强树脂基复合材料

复合材料轻质高强,比强度较高,耐疲劳性能优异,耐损伤阻抗高,阻尼性能好,具有良好的隔热和耐腐蚀性,比铝合金车体减重至少30%。车体复合材料的主承载结构件的尚处于研发阶段,内饰及非主承力结构件已大量应用于高速列车中,极大的提高了隔音性能和保温隔热性,满足了乘客的舒适性要求和运营商的运营消耗。主承载结构的材料变换代际特征明显。图1为具有主承载结构材料变换代际特征的典型列车。

与传统的轨道车辆材 料(例如,钢、铝等)相比,碳纤维复合材料在轻量化、节能、电磁屏蔽、碰撞吸能等方面具有较强的优势和较突出的特点。随着碳纤维复合材料制造技术的成熟发展,成本一定程度的下降,越来越多的业采用碳纤维复合材料。轨道交通行业响应节能降耗、绿色出行的国家号召,同时考虑降低全寿命周期成本而优先选用碳纤维复合材料。用于轨道交通的材料性能对比分析见表1。

由表1可以看出,钢材质经历了碳素钢、耐候钢到不锈钢的材料发展过程,主要因其耐候性能的提高及工艺技术的不断成熟,能够实现车体更轻的质量、更高的可靠性和更长的寿命 ;随着铝合金大型中空挤压型材的开发及焊接技术的改进,组装和焊接件的数量减少,用工量减少 40%,车体自重较钢制车体降低30%。碳纤维复合材料具有比铝合金更高的比强度,更优异的耐腐蚀性和耐疲劳性能 ;通过合理优化结构设计,减重效果至少 50%(现照抄金属设计减重30%),可实现增速节能 ;通过一体化成型工艺设计,可以减少零件连接,降低用工量,提高制造效率和工艺稳定性,提升安全可靠性,质量降低后间接减少轨道维护费用,从而达到降低全生命周期成本的目标。

2018年9月18日中国中车在柏林国际轨道交通技术展(InnoTrans2018)上正式发布具有全碳纤维复合材料的车体结构的新一代碳纤维地铁车辆“CETROVO”,该全碳车辆结合多种成型工艺如三维编织+RTM工艺、缠绕工艺、拉挤工艺、真空袋辅助成型工艺等,同时进行多重优化设计方案,在外形尺寸不变的情况下,对局部受力结构进行了优化设计,尽量发挥复合材料的高强高模优势,但主要外形及结构都是照抄照搬金属地铁车结构,优化设计受到尺寸外形的限制,即便如此,该地铁车的车体、司机室、设备舱可分别减重30%以上,转向架构架减重40%,整车减重13%。该列车不仅具有主结构材料的变更,同时还结合了多种现代化先进设计理念和新的控制系统、新工艺应用技术,可实现车辆自动驾驶、智能运维与智慧服务,是具有全新代际特征的新一代地铁列车,有力地推动了轨道交通装备的“材质革命”和“技术升级”。

2 轨道交通车辆车体结构用材料的国内外应用现状

目前,轨道交通车体材料主要有耐候钢、不锈钢、铝合金及碳纤维,其中碳纤维复合材料整车仍在试验验证阶段,还未开始正式运营。世界各国对于碳纤维复合材料用于轨道交通装备的主承力结构均已进行了大量的研究,尤其以欧洲、美国、日本、韩国的研究较多,我国对碳纤维复合材料主承载结构件的研发从2015年才正式开始。

在轨道交通车辆装备的复合材料化进程中,欧洲国家进展最快,早期主要用于非承载的内饰件、头罩、受电弓中,随着技术的进步,逐渐转入次承载部件和主承载部件。如英国Intercity125机车的驾驶室端盖、意大利ETR500型高速列车的边墙、天花板、行李舱、列车头罩采用纤维增强复合材料后较原来的钢制结构减重40%~50%,加拿大庞巴迪公司实现用玻纤代替不锈钢制作高速列车主承载结构—车体,质量降低30%以上,极大地节约了运营能耗,节能效果良好。瑞士和法国也分别对复合材料在轨道交通上的应用进行了探索,取得了很好的成效。阿尔斯通AGVgap动车组,车端铰接枕梁,用碳纤维复合材料取代金属部件,实现关键承载部件替换,使得每车减重700kg。美国在弗罗里达州的单轨列车上采用碳纤维/玻璃纤维增强树脂基复合材料、蜂窝材料等研制的全复合材料列车车体,质量比铝合金结构减轻40%,并已经实现批量生产和运营。日本的川崎重工研发制作的efWING柔性碳纤维转向架对构架进行了大胆改进,将刚性焊接构架改为采用碳纤维侧梁的柔性构架、主承载部件侧梁形似弓形弹簧,取消了传统的二系弹簧,对比传统的金属侧梁减重约40%。韩国轨道列车在碳纤维复合材料应用方面业绩突出,其中KTX—Ⅱ列车内装大量采用碳纤维复合材料,时速200km/h的TTX摆式车体采用碳纤维复合材料,较铝合金车体减重40%,并已投入运营,节能降耗效果良好 ;KRRI研制了碳纤维复合材料地铁转向架,较钢制构架轻30%,疲劳试验达标。

碳纤维在飞机上历经“非承载部件→次承载部件→主承载部件”的发展过程,轨道交通车辆也将沿用此发展应用理念,设备舱做为车体重要的次承载部件,结构相对简单、载荷工况简单,适合采用碳纤维复合材料。中国中车四方股份在 2015年制作了碳纤维复合材料设备舱,已上线运行,较铝合金设备舱减重 30%,运行后效果良好。之后,中国中车各主机厂也分别投入对碳纤维车体的研发,中车青岛四方股份于 2015年与德国轻量化之父胡芬巴赫教授共同成立中德联合技术研发中心,历经3年时间开发出全碳纤维地铁的4个主承载部件 :车体、司机室、设备舱、转向架,使得地铁车主承载结构自重减重至少 30%,整车减重 13%。中车长客股份联合长春路通轨道车辆配套装备有限公司、江苏恒神股份有限公司、中国航天材料及工艺研究所共同合作开发出全碳纤维地铁车体及全碳纤维城际列车车体,其中,城际列车现已进行上线试运行。

3 轨道交通车辆车体结构用材料未来发展方向

轨道交通车辆工程应用的发展主要以安全、可靠、舒适、环保、智能为导向进行发展。随着材料技术的不断进步,轨道交通装备的材质选择逐渐增多,高性能、轻量化、技术成熟度高是新材料在轨道交通领域大规模应用的重要的参考指标,在总体目标下通过需求分析进行合理选材是优化设计的关键,通过平衡需求与材料技术不断推进轨道交通装备的升级换代。未来轨道交通车辆要继续秉承轻量化的发展思想,选用更优化的结构和更适宜的材料,综合进行轻量化设计,采用新材料、新工艺、新系统,逐步推进先进材料在型号列车上的应用。先进材料应用于轨道交通车辆主承载结构的推进计划见图2。

轨道交通车辆主承载结构材料的变更需要进行一系列的系统研究与验证,首先针对车辆本身的性能需求及适宜的材料进行前期的典型结构研究,进行初步的可行性分析及结构的概念设计 ;第2阶段开始关键部件的试制,进行详细结构设计、仿真分析、工艺试制后进行逐级的、全面的试验验证,研究检测维修的方式方法 ;第 3阶段对第 2阶段的研究成果进行升华,建立标准体系及材料数据库,建立先进材料设计仿真平台及制造、装配平台,打通试制—产业化之路 ;第四阶段建立并完善新一代装备的产品体系。

下一代的轨道交通车辆车体设计需要综合高强度合金和复合材料的优势进行优化的结构设计,采用拓扑优化、增材制造的理念,建立选材标准体系和数据库,建立轨道交通设计仿真平台,共同系统解决高速列车的轻量化、安全可靠性、减振降噪等综合性要求。未来5 ~10年,下一代轨道车辆车体的发展方向主要包括4个方面 :

  • ①材料 :以高性能轻质化材料(如高强轻质钢、高强度合金和先进复合材料)作为主承载结构材料,采用符合材料特性的设计理念,进行整车结构集成优化设计,同时考虑加工工艺和组织结构等多种因素,进行合理选材与设计。

  • ②平台 :建立从原材料、三维图形设计、成型工艺、仿真分析、试验验证、检测维修的全流程数据库管理系统,并根据技术成熟度进行不同阶段的数据管控。

  • ③知识体系 :建立轨道交通轻量化研制相关的知识体系,形成适用于轨道交通车辆及装备的复合材料选材、设计、仿真、成型工艺、试验验证、检测维修的标准规范。

  • ④制造 :结合激光拼焊技术、变厚度轧制技术、型材设计以及低成本自动化的复合材料成型技术等多种制造技术,建立自动化可控制可检测的生产线,提高制品稳定性,实现智能制造的目标

来源:轨道交通智能装备

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