摘 要：高速列車內(nèi)飾作為面向乘客的界面，在整車性能及乘客安全性、舒適性等方面都有著不可替代的作用。合理選用內(nèi)飾材料，使用新材料、新工藝，實現(xiàn)最大程度的輕量化設(shè)計。對提高高速列車的舒適性、安全性都有著重要的作用。

關(guān)鍵詞：高速列車 輕量化 復(fù)合材料

中圖分類號：U271.42 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）03（b）-00-02

在當(dāng)今中國高速列車發(fā)展的背景下，內(nèi)飾產(chǎn)品作為列車的一個重要組成部分，不但要滿足在列車高速運行中的安全要求，還要最大限度的保證乘客的舒適度。在此前提下，輕量化設(shè)計及制造是高速軌道交通發(fā)展的重要方向，其必要性在于：輕量化對降低動力耗能成本費用有顯著地作用；降低地基震動，提高減震降噪的性能；有利于提高舒適度，提高車輛的行走性能，特別是減輕簧下重量，減少車輛高速運行時輪軌沖擊載荷；輕量化能減輕軌道載荷，減小鋼軌的磨耗及軌道變形，可顯著降低線路建設(shè)及鐵路維護(hù)的費用。

復(fù)合材料已在航空航天、軌道交通、基礎(chǔ)建設(shè)中發(fā)揮了巨大的作用，除了作為內(nèi)部設(shè)備和裝飾材料外，在承載結(jié)構(gòu)上應(yīng)用也越來越廣泛。高速列車內(nèi)飾結(jié)構(gòu)件應(yīng)用的是三明治結(jié)構(gòu)的鋁蜂窩、泡沫芯材等芯材。復(fù)合材料做成的構(gòu)件，有重量輕、強度高、剛性大等特點。

1 瓦楞板在高速列車內(nèi)飾中的應(yīng)用

現(xiàn)階段在高速列車內(nèi)飾中大量使用的復(fù)合結(jié)構(gòu)為鋁蜂窩、PVC塑料泡沫作為芯材復(fù)合鋁板制作而成，在使用過程中雖然表現(xiàn)出很好的性能，但是和瓦楞板相比無論實在減輕重量，還是在設(shè)計、制作等環(huán)節(jié)都存在許多不足之處。以新一代8編組動車組端部平頂板為例，瓦楞板重量為407 kg/列，而鋁蜂窩、PVC塑料泡沫作為芯材的復(fù)合結(jié)構(gòu)重量為560 kg/列。相比之下瓦楞板結(jié)構(gòu)重量減少153 kg/列，重量減輕了27%，可見瓦楞板對于減重方面所作出的貢獻(xiàn)是非常巨大的。

鋁蜂窩、PVC塑料泡沫作為芯材的結(jié)構(gòu)設(shè)計者不但需要內(nèi)飾件的功能和結(jié)構(gòu)，還需要花費大量的時間去考慮內(nèi)飾件補強預(yù)埋、開孔預(yù)埋等以保證安裝強度。由于大量預(yù)埋件的存在，不但增加了內(nèi)飾件的加工難度，降低了表面質(zhì)量，也增加了內(nèi)飾件的重量。而瓦楞板本身具有較好的強度和機械性能，設(shè)計者可以將精力更多的集中在產(chǎn)品的使用功能和外觀要求上。

1.1 機械性能對比

在制造過程中，鋁蜂窩、PVC塑料泡沫芯材復(fù)合鋁合金面板、背板、預(yù)埋件等都需要花費大量的時間，且一旦涂膠開始復(fù)合，操作者對于產(chǎn)品外觀質(zhì)量的控制難以進(jìn)行控制，偶然性因素較多。相比之下，瓦楞板對于內(nèi)飾件來說已經(jīng)屬于半成品，制造過程中只需要加工產(chǎn)品外形、安裝配件。整個過程工序少、省去了復(fù)合的時間、產(chǎn)品的尺寸及外觀要求能夠得到很好保證。為了驗證鋁蜂窩、PVC塑料泡沫芯材復(fù)合鋁板是否滿足高速列車對內(nèi)飾件的性能要求，對這三種材料進(jìn)行了試驗測試。

數(shù)據(jù)表明瓦楞板在機械性能方面除拉伸強度低于于PVC塑料泡沫芯材外，抗壓強度、彎曲強度、剝離強度均高于鋁蜂窩、PVC塑料泡沫芯材復(fù)結(jié)構(gòu)（表1）。

1.2 動力學(xué)特性對比

對比使用三種材料制成的內(nèi)飾件模態(tài)試驗和振動放大系數(shù)測試實驗的數(shù)據(jù)，鋁蜂窩、PVC塑料泡沫芯、瓦楞板的結(jié)構(gòu)固有頻率為：43 Hz、45.5 Hz和44.9 Hz，使用同一種傳感器實驗測得的三種結(jié)構(gòu)在各自固有頻率附近的放大系數(shù)分別為6.5、10.5、13.5。

通過以上數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論：在相同條件下瓦楞板結(jié)構(gòu)振動最小，其次為PVC塑料泡沫芯和鋁蜂窩結(jié)構(gòu)。鑒于瓦楞板結(jié)構(gòu)在振動放大系數(shù)實驗中的優(yōu)異性能，進(jìn)一步對瓦楞板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了疲勞強度測試、三點彎曲測試、高低溫干濕度實驗、振動實驗等。疲勞實驗方面對實驗樣件施加10 Hz，大小為170N±10N的交變載荷500000次。

通過500000次交變載荷測試之后，實驗樣件沒有發(fā)生可見的損壞。根據(jù)瓦楞板結(jié)構(gòu)本身的特點，分別在縱向和橫向兩個方向?qū)嶒灅蛹M(jìn)行了三點彎曲實驗。測試結(jié)果在縱向和橫向兩個方向的彎曲強度分別達(dá)到346 MPa和164 MPa。

為了驗證瓦楞板結(jié)構(gòu)在惡劣環(huán)境下的可靠性，對瓦楞板樣件進(jìn)行了高低溫干濕度測試，實驗結(jié)束后瓦楞板沒有出現(xiàn)起泡、起皺、變色、發(fā)霉等現(xiàn)象。振動實驗方面，將樣件按實車形式安裝在垂直振動臺上，設(shè)定振動臺的振動條件為0.4 g振動加速度、5～60 Hz頻率范圍內(nèi)以5 Hz頻率間隔輸入對實驗樣件進(jìn)行單頻振動實驗，每次振動實驗時間為10 min。實驗結(jié)束后樣件無可見損壞，樣件的附件為發(fā)生松動、脫落等。

1.3 結(jié)語

通過以上對比，使用瓦楞板結(jié)構(gòu)制作高速列車內(nèi)飾件比傳統(tǒng)的鋁蜂窩、PVC塑料泡沫芯復(fù)合結(jié)構(gòu)更容易實現(xiàn)輕量化設(shè)計，而且在制作工藝、機械性能方面也有大幅度的提升，能夠滿足高速列車內(nèi)飾件的使用要求。

2 纖維預(yù)浸料復(fù)合材料在高速列車內(nèi)飾中的應(yīng)用

2.1 優(yōu)異的機械性能

纖維預(yù)浸復(fù)合材料是由基體材料（支撐增強材料，并以剪應(yīng)力形式將外載傳遞給增強材料）、夾心材料（結(jié)構(gòu)泡沫、鋁蜂窩、聚合物材料等）和纖維增強體（承載作用，主要有碳纖維、芳綸、硼纖維、碳化硅纖維和玻璃纖維）復(fù)合而成具有優(yōu)異性能的新型材料，是迅速發(fā)展的一種新型材料。纖維預(yù)浸復(fù)合材料可以根據(jù)需求，通過選擇合適的基體夾心材料進(jìn)行復(fù)合，充分發(fā)揮復(fù)合材料性能優(yōu)勢。纖維預(yù)浸復(fù)合材料具有單一材料（金屬、陶瓷等）難以達(dá)到的綜合性能，如高比強度、高比剛度、高比模量、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、抗疲勞、耐腐蝕、結(jié)構(gòu)易設(shè)計、低裂紋擴展速率、較好的結(jié)構(gòu)阻尼、隔熱、耐磨性、良好的尺寸穩(wěn)定性、良好的成型工藝等。

纖維預(yù)浸料復(fù)合材料產(chǎn)品制造工藝多數(shù)是近終形成型，制造出的產(chǎn)品，不需進(jìn)行機械加工，成產(chǎn)效率高，制造成本低。目前纖維預(yù)浸料復(fù)合材料在高速軌道列車的結(jié)構(gòu)中還應(yīng)用較少，且纖維預(yù)浸料及其復(fù)合材料主要靠進(jìn)口。隨著國產(chǎn)纖維技術(shù)的成熟應(yīng)用及市場化的發(fā)展，必將帶動國內(nèi)纖維復(fù)合材料應(yīng)用的發(fā)展。纖維復(fù)合材料在高速軌道列車輕量化、降低成本方面的應(yīng)用也將更為廣泛。

2.2 相關(guān)技術(shù)發(fā)展趨勢

在國外纖維預(yù)浸料復(fù)合材料已在軌道交通中廣泛應(yīng)用，隨著軌道車輛綜合性能的提高，

其使用材料也逐漸發(fā)生變化。法國國營鐵路公司（SNCF）對未來的TVG高速列車，考慮到

迫切需要進(jìn)行進(jìn)一步減輕車體重量，認(rèn)為只能采用碳纖維復(fù)合材料，并進(jìn)行了進(jìn)行線路運營試驗，對其防火性能、抗沖擊強度等進(jìn)行測試，證實了碳纖維復(fù)合材料車體的制造工藝是有效的，用碳纖維復(fù)合材料制成的車體比鋁合金重量減少25%。同時也證實了碳纖維復(fù)合材料車體在振動性能、透聲性能和隔熱性能方面等也有優(yōu)勢，提高了乘客的舒適度，碳纖維復(fù)合材料不可避免的將取代鋁合金。

3 結(jié)語

隨著高速鐵路在我國迅速的發(fā)展，無論是車輛內(nèi)飾件還是車體結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計，都提出了更高要求。更多新型的復(fù)合材料以其優(yōu)異的性能，將在高速鐵路中有更廣闊的應(yīng)用空間，高速鐵路也朝著更安全、更環(huán)保、更安全的趨勢發(fā)展。