張麗嬌

近年來(lái)，我國(guó)軌道交通產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，從2004年高鐵技術(shù)引進(jìn)和啟動(dòng)以來(lái)，中國(guó)軌道交通發(fā)展迅猛，以市場(chǎng)換技術(shù)的同時(shí)進(jìn)行戰(zhàn)略性投標(biāo)，完成了對(duì)于高端制造技術(shù)的“引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng)新”的過(guò)程?！丁笆濉眹?guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》明確提出，軌道交通裝備產(chǎn)業(yè)要持續(xù)以智能、綠色、輕量為目標(biāo)，堅(jiān)持系列、標(biāo)準(zhǔn)、平臺(tái)化發(fā)展，不斷加快新技術(shù)、新工藝、新材料的應(yīng)用，研制系列化優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，完善軌道交通產(chǎn)業(yè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新體系。軌道交通作為現(xiàn)代中國(guó)制造技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志，其技術(shù)發(fā)展水平直接代表著中國(guó)制造業(yè)的技術(shù)水平?！鞍踩煽俊⒏咝П憬?、綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)適用”是軌道交通裝備未來(lái)的主要發(fā)展趨勢(shì)，各種新技術(shù)、新工藝、新材料的應(yīng)用為軌道交通裝備的升級(jí)換代提供有力支撐。

中國(guó)高鐵的發(fā)展到現(xiàn)在主要經(jīng)歷了3個(gè)階段，第1階段為高鐵的國(guó)產(chǎn)化階段，即從國(guó)外引入高鐵技術(shù)，主要從日本（川崎重工）、德國(guó)（西門(mén)子）、法國(guó)（阿爾斯通）引入先進(jìn)的高鐵技術(shù)，完成CRH2、CRH3和CRH5的動(dòng)車(chē)系列的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn)的過(guò)程。第2階段為自主化階段，即將國(guó)外拿過(guò)來(lái)的技術(shù)經(jīng)過(guò)自主設(shè)計(jì)形成第2代高鐵，通過(guò)依托“十一五”的國(guó)家科技支撐計(jì)劃，科技部與鐵道部進(jìn)行通力合作，啟動(dòng)了重大項(xiàng)目“中國(guó)高速列車(chē)關(guān)鍵技術(shù)研究及裝備研制”，該項(xiàng)目通過(guò)聯(lián)合各大高校和優(yōu)勢(shì)科研院所，集中攻堅(jiān)共同研發(fā)，在牽引傳動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)控制等核心技術(shù)上進(jìn)行了多項(xiàng)研發(fā)創(chuàng)新，并于2011年完成了新一代高速動(dòng)車(chē)組CRH380系列（營(yíng)運(yùn)速度高達(dá)380km/h），該系列車(chē)型完全為自主研發(fā)，擺脫了引進(jìn)技術(shù)源頭方的控制，能夠?qū)崿F(xiàn)自由出口，成功完成了第2代高鐵使命。而第3階段的目標(biāo)則為建立中國(guó)自己的高鐵標(biāo)準(zhǔn)體系，通過(guò)總結(jié)提煉引進(jìn)的高鐵技術(shù)，將其融會(huì)貫通，形成2015年下線(xiàn)、2017年正式運(yùn)營(yíng)的CR400的“復(fù)興號(hào)”系列。同時(shí)，中車(chē)集團(tuán)不斷引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，促進(jìn)下一代軌道車(chē)輛產(chǎn)品的迅速推出：2018年在德國(guó)柏林發(fā)布了下一代地鐵具有全碳纖維車(chē)體及多種智能裝備；2019年6月發(fā)布的磁懸浮列車(chē)也采用了碳纖維復(fù)合材料車(chē)體，能夠達(dá)到600km/h的試驗(yàn)速度。每一代高鐵車(chē)輛的研發(fā)、定型、產(chǎn)業(yè)化的過(guò)程都是不斷學(xué)習(xí)、吸收及創(chuàng)新的過(guò)程，只有不斷注入新的技術(shù)元素，才能使得中國(guó)的制造業(yè)金名片永不褪色。

隨著中國(guó)制造大國(guó)地位的不斷穩(wěn)固和各種新興技術(shù)的涌現(xiàn)，在國(guó)家政策的牽引下，我國(guó)軌道交通裝備發(fā)展迅速，更新?lián)Q代速度越來(lái)越快，各代高鐵車(chē)體結(jié)構(gòu)材料使用具有較強(qiáng)的代際特征。高鐵的快速發(fā)展推動(dòng)了技術(shù)進(jìn)步，對(duì)新材料需求不斷提高，但復(fù)合材料在我國(guó)高速列車(chē)的應(yīng)用不足10%，需要進(jìn)一步加強(qiáng)新技術(shù)、新材料的融合應(yīng)用，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化的迅速實(shí)施。

生活節(jié)奏的加快和人民生活品質(zhì)的提高對(duì)交通工具內(nèi)部環(huán)境的改善和營(yíng)運(yùn)速度提出了更高的要求，為達(dá)到軌道本身的要求和軌道車(chē)輛提速的要求的平衡，就要求軌道車(chē)輛本身質(zhì)量要足夠低，因此軌道車(chē)輛的輕量化之路從未停歇。軌道車(chē)輛對(duì)材料應(yīng)用的需求主要體現(xiàn)在：可設(shè)計(jì)性、可制造性、可服役性、可維護(hù)性、可回收性等幾個(gè)方面。新型的先進(jìn)復(fù)合材料在軌道交通車(chē)輛的應(yīng)用路線(xiàn)一般從非承載件（頂板、側(cè)墻、座椅、內(nèi)飾）到次承載結(jié)構(gòu)件（設(shè)備艙、車(chē)端前罩）到主承載結(jié)構(gòu)件（轉(zhuǎn)向架、車(chē)體和車(chē)鉤緩沖）逐步進(jìn)行，用于主承力結(jié)構(gòu)的材料變更需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)驗(yàn)證之后才能應(yīng)用到主承載結(jié)構(gòu)中，因此主承載結(jié)構(gòu)材料的輕量化可以一定程度上代表軌道交通車(chē)輛的代際變換。

在高速發(fā)展的軌道交通裝備的整個(gè)歷程中，軌道交通車(chē)輛車(chē)體主結(jié)構(gòu)材料從最初的普通碳素鋼到現(xiàn)在的先進(jìn)的輕量化的復(fù)合材料，質(zhì)量得到大幅減輕，綜合性能及舒適性大幅提高，速度也得到不斷攀升。碳纖維復(fù)合材料作為戰(zhàn)略性新材料，與金屬材料相比具有高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐蝕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)優(yōu)勢(shì)，是解決軌道交通車(chē)輛主承載結(jié)構(gòu)材料輕量化的首選，重點(diǎn)解決材料替換過(guò)程中的輕量化與強(qiáng)度、剛度、疲勞、腐蝕、噪聲及防火等性能矛盾，得到各種技術(shù)性能的平衡解決方案。

1 軌道交通車(chē)體結(jié)構(gòu)材料發(fā)展歷程回顧

縱觀世界軌道交通車(chē)輛車(chē)體結(jié)構(gòu)用材料的發(fā)展，現(xiàn)已主要經(jīng)歷3個(gè)歷程（圖1）。

1.1 鋼結(jié)構(gòu)

軌道交通車(chē)輛車(chē)體結(jié)構(gòu)材料最早采用普通碳素鋼，碳素鋼價(jià)格便宜，強(qiáng)度高，但極易受環(huán)境腐蝕，在鹽霧較高或濕度較大的使用環(huán)境下，設(shè)計(jì)過(guò)程需要留有較高的腐蝕余量，車(chē)體需采用較大的安全系數(shù)，使得車(chē)重偏高，耗能偏大；后為改善腐蝕造成的冗余設(shè)計(jì)改為耐候鋼，其耐腐蝕性為碳素鋼的2～3倍，車(chē)輛自重降低10%～20%，但仍需要添加涂層防護(hù)；后來(lái)采用不銹鋼，比普通碳素鋼車(chē)體減重30%～50%，不需涂層防護(hù)。

1.2 鋁合金結(jié)構(gòu)

鋁合金車(chē)體結(jié)構(gòu)主要采用擠壓型材（單層梁板式）、中空擠壓型材（具有復(fù)雜截面結(jié)構(gòu)）、釬焊鋁蜂窩板（BAH板）3種結(jié)構(gòu)形式。鋁合金替換不銹鋼的過(guò)程初期也經(jīng)歷了工藝技術(shù)成本較高的限制，通過(guò)材料供應(yīng)商及生產(chǎn)廠家的協(xié)同攻關(guān)，改善焊接工藝、連接工藝等制造工藝，實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程可控，節(jié)省加工費(fèi)用和設(shè)備費(fèi)用，減少工時(shí)，且量產(chǎn)后鋁合金材料價(jià)格降低，最終達(dá)到不降低力學(xué)性能的同時(shí)與不銹鋼的價(jià)格基本持平，而車(chē)體質(zhì)量比碳鋼車(chē)質(zhì)量減少50%，并且具有較好的耐腐蝕性和較低的維修費(fèi)用。

1.3 高性能纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料

復(fù)合材料輕質(zhì)高強(qiáng)，比強(qiáng)度較高，耐疲勞性能優(yōu)異，耐損傷阻抗高，阻尼性能好，具有良好的隔熱和耐腐蝕性，比鋁合金車(chē)體減重至少30%。車(chē)體復(fù)合材料的主承載結(jié)構(gòu)件的尚處于研發(fā)階段，內(nèi)飾及非主承力結(jié)構(gòu)件已大量應(yīng)用于高速列車(chē)中，極大的提高了隔音性能和保溫隔熱性，滿(mǎn)足了乘客的舒適性要求和運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)營(yíng)消耗。主承載結(jié)構(gòu)的材料變換代際特征明顯。圖1為具有主承載結(jié)構(gòu)材料變換代際特征的典型列車(chē)。

與傳統(tǒng)的軌道車(chē)輛材料（例如，鋼、鋁等）相比，碳纖維復(fù)合材料在輕量化、節(jié)能、電磁屏蔽、碰撞吸能等方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)和較突出的特點(diǎn)。隨著碳纖維復(fù)合材料制造技術(shù)的成熟發(fā)展，成本一定程度的下降，越來(lái)越多的行業(yè)采用碳纖維復(fù)合材料。軌道交通行業(yè)響應(yīng)節(jié)能降耗、綠色出行的國(guó)家號(hào)召，同時(shí)考慮降低全壽命周期成本而優(yōu)先選用碳纖維復(fù)合材料。用于軌道交通的材料性能對(duì)比分析見(jiàn)表1。

由表1可以看出，鋼材質(zhì)經(jīng)歷了碳素鋼、耐候鋼到不銹鋼的材料發(fā)展過(guò)程，主要因其耐候性能的提高及工藝技術(shù)的不斷成熟，能夠?qū)崿F(xiàn)車(chē)體更輕的質(zhì)量、更高的可靠性和更長(zhǎng)的壽命；隨著鋁合金大型中空擠壓型材的開(kāi)發(fā)及焊接技術(shù)的改進(jìn)，組裝和焊接件的數(shù)量減少，用工量減少40%，車(chē)體自重較鋼制車(chē)體降低30%。碳纖維復(fù)合材料具有比鋁合金更高的比強(qiáng)度，更優(yōu)異的耐腐蝕性和耐疲勞性能；通過(guò)合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減重效果至少50%（現(xiàn)照抄金屬設(shè)計(jì)減重30%），可實(shí)現(xiàn)增速節(jié)能；通過(guò)一體化成型工藝設(shè)計(jì)，可以減少零件連接，降低用工量，提高制造效率和工藝穩(wěn)定性，提升安全可靠性，質(zhì)量降低后間接減少軌道維護(hù)費(fèi)用，從而達(dá)到降低全生命周期成本的目標(biāo)。

2018年9月18日中國(guó)中車(chē)在柏林國(guó)際軌道交通技術(shù)展（InnoTrans2018）上正式發(fā)布具有全碳纖維復(fù)合材料的車(chē)體結(jié)構(gòu)的新一代碳纖維地鐵車(chē)輛“CETROVO”，該全碳車(chē)輛結(jié)合多種成型工藝如三維編織+RTM工藝、纏繞工藝、拉擠工藝、真空袋輔助成型工藝等，同時(shí)進(jìn)行多重優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，在外形尺寸不變的情況下，對(duì)局部受力結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡量發(fā)揮復(fù)合材料的高強(qiáng)高模優(yōu)勢(shì)，但主要外形及結(jié)構(gòu)都是照抄照搬金屬地鐵車(chē)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化設(shè)計(jì)受到尺寸外形的限制，即便如此，該地鐵車(chē)的車(chē)體、司機(jī)室、設(shè)備艙可分別減重30%以上，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架減重40%，整車(chē)減重13%。該列車(chē)不僅具有主結(jié)構(gòu)材料的變更，同時(shí)還結(jié)合了多種現(xiàn)代化先進(jìn)設(shè)計(jì)理念和新的控制系統(tǒng)、新工藝應(yīng)用技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)車(chē)輛自動(dòng)駕駛、智能運(yùn)維與智慧服務(wù)，是具有全新代際特征的新一代地鐵列車(chē)，有力地推動(dòng)了軌道交通裝備的“材質(zhì)革命”和“技術(shù)升級(jí)”。

2 軌道交通車(chē)輛車(chē)體結(jié)構(gòu)用材料的國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，軌道交通車(chē)體材料主要有耐候鋼、不銹鋼、鋁合金及碳纖維，其中碳纖維復(fù)合材料整車(chē)仍在試驗(yàn)驗(yàn)證階段，還未開(kāi)始正式運(yùn)營(yíng)。世界各國(guó)對(duì)于碳纖維復(fù)合材料用于軌道交通裝備的主承力結(jié)構(gòu)均已進(jìn)行了大量的研究，尤其以歐洲、美國(guó)、日本、韓國(guó)的研究較多，我國(guó)對(duì)碳纖維復(fù)合材料主承載結(jié)構(gòu)件的研發(fā)從2015年才正式開(kāi)始。

在軌道交通車(chē)輛裝備的復(fù)合材料化進(jìn)程中，歐洲國(guó)家進(jìn)展最快，早期主要用于非承載的內(nèi)飾件、頭罩、受電弓中，隨著技術(shù)的進(jìn)步，逐漸轉(zhuǎn)入次承載部件和主承載部件。如英國(guó)Intercity125機(jī)車(chē)的駕駛室端蓋、意大利ETR500型高速列車(chē)的邊墻、天花板、行李艙、列車(chē)頭罩采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料后較原來(lái)的鋼制結(jié)構(gòu)減重40%～50%，加拿大龐巴迪公司實(shí)現(xiàn)用玻纖代替不銹鋼制作高速列車(chē)主承載結(jié)構(gòu)—車(chē)體，質(zhì)量降低30%以上，極大地節(jié)約了運(yùn)營(yíng)能耗，節(jié)能效果良好。瑞士和法國(guó)也分別對(duì)復(fù)合材料在軌道交通上的應(yīng)用進(jìn)行了探索，取得了很好的成效。阿爾斯通AGVgap動(dòng)車(chē)組，車(chē)端鉸接枕梁，用碳纖維復(fù)合材料取代金屬部件，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵承載部件替換，使得每車(chē)減重700kg。美國(guó)在弗羅里達(dá)州的單軌列車(chē)上采用碳纖維/玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料、蜂窩材料等研制的全復(fù)合材料列車(chē)車(chē)體，質(zhì)量比鋁合金結(jié)構(gòu)減輕40%，并已經(jīng)實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)。日本的川崎重工研發(fā)制作的efWING柔性碳纖維轉(zhuǎn)向架對(duì)構(gòu)架進(jìn)行了大膽改進(jìn)，將剛性焊接構(gòu)架改為采用碳纖維側(cè)梁的柔性構(gòu)架、主承載部件側(cè)梁形似弓形彈簧，取消了傳統(tǒng)的二系彈簧，對(duì)比傳統(tǒng)的金屬側(cè)梁減重約40%。韓國(guó)軌道列車(chē)在碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用方面業(yè)績(jī)突出，其中KTX—Ⅱ列車(chē)內(nèi)裝大量采用碳纖維復(fù)合材料，時(shí)速200km/h的TTX擺式車(chē)體采用碳纖維復(fù)合材料，較鋁合金車(chē)體減重40%，并已投入運(yùn)營(yíng)，節(jié)能降耗效果良好；KRRI研制了碳纖維復(fù)合材料地鐵轉(zhuǎn)向架，較鋼制構(gòu)架輕30%，疲勞試驗(yàn)達(dá)標(biāo)。

碳纖維在飛機(jī)上歷經(jīng)“非承載部件→次承載部件→主承載部件”的發(fā)展過(guò)程，軌道交通車(chē)輛也將沿用此發(fā)展應(yīng)用理念，設(shè)備艙做為車(chē)體重要的次承載部件，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、載荷工況簡(jiǎn)單，適合采用碳纖維復(fù)合材料。中國(guó)中車(chē)四方股份在2015年制作了碳纖維復(fù)合材料設(shè)備艙，已上線(xiàn)運(yùn)行，較鋁合金設(shè)備艙減重30%，運(yùn)行后效果良好。之后，中國(guó)中車(chē)各主機(jī)廠也分別投入對(duì)碳纖維車(chē)體的研發(fā)，中車(chē)青島四方股份于2015年與德國(guó)輕量化之父胡芬巴赫教授共同成立中德聯(lián)合技術(shù)研發(fā)中心，歷經(jīng)3年時(shí)間開(kāi)發(fā)出全碳纖維地鐵的4個(gè)主承載部件：車(chē)體、司機(jī)室、設(shè)備艙、轉(zhuǎn)向架，使得地鐵車(chē)主承載結(jié)構(gòu)自重減重至少30%，整車(chē)減重13%。中車(chē)長(zhǎng)客股份聯(lián)合長(zhǎng)春路通軌道車(chē)輛配套裝備有限公司、江蘇恒神股份有限公司、中國(guó)航天材料及工藝研究所共同合作開(kāi)發(fā)出全碳纖維地鐵車(chē)體及全碳纖維城際列車(chē)車(chē)體，其中，城際列車(chē)現(xiàn)已進(jìn)行上線(xiàn)試運(yùn)行。

3 軌道交通車(chē)輛車(chē)體結(jié)構(gòu)用材料未來(lái)發(fā)展方向

軌道交通車(chē)輛工程應(yīng)用的發(fā)展主要以安全、可靠、舒適、環(huán)保、智能為導(dǎo)向進(jìn)行發(fā)展。隨著材料技術(shù)的不斷進(jìn)步，軌道交通裝備的材質(zhì)選擇逐漸增多，高性能、輕量化、技術(shù)成熟度高是新材料在軌道交通領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用的重要的參考指標(biāo)，在總體目標(biāo)下通過(guò)需求分析進(jìn)行合理選材是優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，通過(guò)平衡需求與材料技術(shù)不斷推進(jìn)軌道交通裝備的升級(jí)換代。未來(lái)軌道交通車(chē)輛要繼續(xù)秉承輕量化的發(fā)展思想，選用更優(yōu)化的結(jié)構(gòu)和更適宜的材料，綜合進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，采用新材料、新工藝、新系統(tǒng)，逐步推進(jìn)先進(jìn)材料在型號(hào)列車(chē)上的應(yīng)用。先進(jìn)材料應(yīng)用于軌道交通車(chē)輛主承載結(jié)構(gòu)的推進(jìn)計(jì)劃見(jiàn)圖2。

軌道交通車(chē)輛主承載結(jié)構(gòu)材料的變更需要進(jìn)行一系列的系統(tǒng)研究與驗(yàn)證，首先針對(duì)車(chē)輛本身的性能需求及適宜的材料進(jìn)行前期的典型結(jié)構(gòu)研究，進(jìn)行初步的可行性分析及結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)；第2階段開(kāi)始關(guān)鍵部件的試制，進(jìn)行詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真分析、工藝試制后進(jìn)行逐級(jí)的、全面的試驗(yàn)驗(yàn)證，研究檢測(cè)維修的方式方法；第3階段對(duì)第2階段的研究成果進(jìn)行升華，建立標(biāo)準(zhǔn)體系及材料數(shù)據(jù)庫(kù)，建立先進(jìn)材料設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)及制造、裝配平臺(tái)，打通試制—產(chǎn)業(yè)化之路；第四階段建立并完善新一代裝備的產(chǎn)品體系。

下一代的軌道交通車(chē)輛車(chē)體設(shè)計(jì)需要綜合高強(qiáng)度合金和復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用拓?fù)鋬?yōu)化、增材制造的理念，建立選材標(biāo)準(zhǔn)體系和數(shù)據(jù)庫(kù)，建立軌道交通設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)，共同系統(tǒng)解決高速列車(chē)的輕量化、安全可靠性、減振降噪等綜合性要求。

未來(lái)5～10年，下一代軌道車(chē)輛車(chē)體的發(fā)展方向主要包括4個(gè)方面：

①材料：以高性能輕質(zhì)化材料（如高強(qiáng)輕質(zhì)鋼、高強(qiáng)度合金和先進(jìn)復(fù)合材料）作為主承載結(jié)構(gòu)材料，采用符合材料特性的設(shè)計(jì)理念，進(jìn)行整車(chē)結(jié)構(gòu)集成優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮加工工藝和組織結(jié)構(gòu)等多種因素，進(jìn)行合理選材與設(shè)計(jì)。

②平臺(tái)：建立從原材料、三維圖形設(shè)計(jì)、成型工藝、仿真分析、試驗(yàn)驗(yàn)證、檢測(cè)維修的全流程數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，并根據(jù)技術(shù)成熟度進(jìn)行不同階段的數(shù)據(jù)管控。

③知識(shí)體系：建立軌道交通輕量化研制相關(guān)的知識(shí)體系，形成適用于軌道交通車(chē)輛及裝備的復(fù)合材料選材、設(shè)計(jì)、仿真、成型工藝、試驗(yàn)驗(yàn)證、檢測(cè)維修的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

④制造：結(jié)合激光拼焊技術(shù)、變厚度軋制技術(shù)、型材設(shè)計(jì)以及低成本自動(dòng)化的復(fù)合材料成型技術(shù)等多種制造技術(shù)，建立自動(dòng)化可控制可檢測(cè)的生產(chǎn)線(xiàn)，提高制品穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)智能制造的目標(biāo)。