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        碳纖維復(fù)合材料在軌道車輛應(yīng)用展望

        2021-02-28 09:34:58
        現(xiàn)代城市軌道交通 2021年2期
        關(guān)鍵詞:碳纖維復(fù)合材料載荷

        (中車青島四方機車車輛股份有限公司,山東青島 266111)

        碳纖維復(fù)合材料(CFRP)因具有質(zhì)量輕、強度大等優(yōu)點,已應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。在航空領(lǐng)域,歐洲空客公司的A380客機應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料達32 t,約占結(jié)構(gòu)總重的15%[1];A350XWB寬體客機的復(fù)合材料占結(jié)構(gòu)總重的53%,達到了航空領(lǐng)域最高[2]。在風電領(lǐng)域,碳纖維復(fù)合材料風機葉片充分發(fā)揮輕量化、抗疲勞特性,提高了風力發(fā)電機的發(fā)電效能[3]。相比之下在軌道交通車輛領(lǐng)域,碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用較少,尚具有廣闊的應(yīng)用前景。

        1 碳纖維復(fù)合材料在軌道車輛應(yīng)用現(xiàn)狀

        1.1 國外應(yīng)用現(xiàn)狀

        國外在車體結(jié)構(gòu)碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用研究已取得諸多成果。日本的碳纖維復(fù)合材料車體研發(fā)很早,于1999年推出安裝了碳纖維復(fù)合材料司機室的E4車輛,隨后發(fā)布的N700車輛安裝了碳纖維復(fù)合材料車頂,也取得了較好的減重效果。韓國于2010年投入運營的TTX列車采用了碳纖維復(fù)合材料車頂、側(cè)墻以及端墻結(jié)構(gòu),搭配傳統(tǒng)的中空擠壓鋁型材組焊底架,在后續(xù)改進方案中還使用了碳纖維復(fù)合材料面板鋁蜂窩芯夾層結(jié)構(gòu),該列車在長期的線路運營中表現(xiàn)良好。歐洲西門子股份公司、阿爾斯通公司等頂級軌道交通裝備制造企業(yè),其發(fā)展水平整體較高,例如,英國Intercity125列車使用了碳纖維復(fù)合材料整體成型的司機室結(jié)構(gòu),相對鋼結(jié)構(gòu)減重30%~35%;法國TGV雙層車體采用了真空固化袋工藝成型的碳纖維復(fù)合材料及大量蜂窩夾層結(jié)構(gòu),較鋁制車減重超25%,且經(jīng)過長期運行表現(xiàn)出較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)性能[4]。

        在轉(zhuǎn)向架設(shè)計方面,日本存在較大的技術(shù)優(yōu)勢。川崎重工有限公司于2014年發(fā)布了efWING轉(zhuǎn)向架,將部分框架材料換成碳纖維復(fù)合材料,并將側(cè)梁與螺旋彈簧的功能整合到弓形CFRP彈簧中,達到減重40%的效果。雖然韓國與歐洲都研發(fā)出碳纖維轉(zhuǎn)向架,但都停在試驗階段,沒有大規(guī)模投入商用。

        1.2 國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

        國內(nèi)碳纖維復(fù)合材料車輛研究起步較晚,但目前仍取得一定成果。2018年9月中車長春軌道客車股份有限公司研制的碳纖維復(fù)合材料輕軌“光谷量子號”在長春軌道交通展上首次亮相,目前已在武漢輕軌線路上運營,這也是國際首列商業(yè)運營全碳纖維車體列車。同年中國中車集團發(fā)布了碳纖維復(fù)合材料地鐵列車CETROVO,該車在車體、轉(zhuǎn)向架、司機室、設(shè)備艙中使用了大量碳纖維復(fù)合材料,使司機室、設(shè)備艙減重30%以上,整車減重13%。圖1和圖2分別為碳纖維列車的車體結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)。2020年6月,中車青島四方機車車輛股份有限公司研制的速度600 km/h磁浮列車成功試跑,其車體主結(jié)構(gòu)、懸浮架、車輛內(nèi)飾等部位使用了大量碳纖維復(fù)合材料。

        圖1 碳纖維復(fù)合材料地鐵車體結(jié)構(gòu)

        圖2 碳纖維轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)

        除了整車級別的應(yīng)用研究,目前已運營車型也正在通過改型設(shè)計替換新的碳纖維材料結(jié)構(gòu)。例如,復(fù)興號的設(shè)備艙正在進行碳纖維復(fù)合材料新結(jié)構(gòu)、新工藝的嘗試;京雄高鐵線路列車的司機室也正在進行碳纖維一體化設(shè)計。

        2 碳纖維復(fù)合材料車輛應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

        軌道車輛全方面應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料要經(jīng)歷漫長的發(fā)展歷程,在研發(fā)、制造、運營維護等方面需要進行大量技術(shù)積累,本文從如下幾方面列舉碳纖維復(fù)合材料車輛應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。

        2.1 復(fù)合材料力學特性與失效理論

        碳纖維復(fù)合材料由纖維與基體(固化的樹脂)2種組分構(gòu)成,因而在力學性質(zhì)方面呈現(xiàn)與金屬材料不同的特性:在纖維方向表現(xiàn)出很高的強度,其余方向強度相對較小。碳纖維復(fù)合材料具有多種失效模式,可以歸結(jié)為層內(nèi)失效(指纖維和基體各自的拉伸與壓縮失效)和層間失效(指相鄰層間出現(xiàn)的剝離損傷)。進行車輛結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計必須對材料的損傷條件與損傷過程有準確的預(yù)測,為此必須進行大量的材料試驗數(shù)據(jù)積累,得到各種使用工況下的材料特性作為設(shè)計依據(jù),才能保證車輛在使用時的安全性。當前預(yù)測碳纖維失效理論研究應(yīng)用最多的是Hashin準則[5]以及PUCK準則[6],都能進行損傷起始判定與損傷演化分析,并能區(qū)分不同的損傷模式。失效理論除了在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段提供依據(jù),進行準確的失效預(yù)測研究以及疲勞損傷規(guī)律研究,還有助于制定經(jīng)濟合理的車輛檢修計劃。

        2.2 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

        碳纖維復(fù)合材料的典型優(yōu)勢是結(jié)構(gòu)可設(shè)計性強,在研發(fā)過程中碳纖維復(fù)合材料車體結(jié)構(gòu)件需針對使用條件進行設(shè)計。例如,碳纖維復(fù)合材料板的鋪層角度應(yīng)針對結(jié)構(gòu)特點進行設(shè)計。層合板結(jié)構(gòu)需要有足夠的鋪層角度分布,任意角度的鋪層應(yīng)不少于鋪層總數(shù)6%~10%[7]。當實際工況中結(jié)構(gòu)承受某單向載荷比較明顯時,應(yīng)進行局部加強,讓足夠多的纖維鋪設(shè)在載荷方向。在承受面外沖擊載荷較多的結(jié)構(gòu)部位,可以通過增加±45°方向鋪層或表層鋪設(shè)織物的方式增強抗沖擊能力。此外,還應(yīng)根據(jù)載荷工況特點選擇合適的結(jié)構(gòu)。例如在大型壁板容易發(fā)生屈曲的部位,可以采用共固化T型加強筋的方法進行加強;在側(cè)墻、頂棚、地板這些承受車輛運行載荷小的地方可以選用蜂窩夾層結(jié)構(gòu),這樣既能實現(xiàn)減重也有隔熱、隔音、防火、防腐蝕的功效。

        2.3 復(fù)合材料制造工藝

        碳纖維復(fù)合材料制造工藝是結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造、應(yīng)用的根本。研究復(fù)合材料制造工藝不僅有助于提升結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量,還能夠降低生產(chǎn)成本,增強生產(chǎn)效益。碳纖維復(fù)合材料制造工藝涵蓋原材料制造工藝和固化成型工藝。在原材料制造方面,當前主要制約發(fā)展的因素為碳纖維制造水平落后,產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、成本高。在固化成型工藝方面,目前傳統(tǒng)成熟的成型工藝有手糊成型、噴射成型、預(yù)浸料熱壓罐成型、樹脂傳遞模塑成型、真空樹脂注入成型等[8-10]。近年來自動化制造工藝發(fā)展迅速,纏繞、拉擠、編織、自動鋪放等工藝呈現(xiàn)出越來越廣的應(yīng)用前景。

        2.4 復(fù)合材料部件連接方法

        碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)受材料特性和生產(chǎn)工藝的限制,無法直接沿用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)連接形式。為保證載荷的有限傳遞,必須采用合理的結(jié)構(gòu)連接設(shè)計。目前常用的連接方法有機械連接、膠接和混合連接。機械連接適用于傳遞較大集中力的關(guān)鍵部位,后期維護時螺栓可以拆卸,因而具有較好的可維護性。然而連接孔破壞了纖維的連續(xù)性,并且產(chǎn)生了應(yīng)力集中,降低了局部強度,同時金屬連接件與碳纖維之間由于存在電位差會造成電化學腐蝕。膠接連接避免了打孔以及結(jié)構(gòu)的電化學腐蝕,具有較好的絕緣和密封性能,一般適應(yīng)于傳遞均布載荷或剪切載荷的非主承力結(jié)構(gòu)。如果單一的連接方式無法滿足連接要求,或者連接結(jié)構(gòu)需要有較大的安全裕度時,可以將2種連接方式結(jié)合進行混合連接。

        2.5 復(fù)合材料損傷檢測技術(shù)

        碳纖維復(fù)合材料組分復(fù)雜,在制造過程中工藝的不成熟或生產(chǎn)工藝規(guī)范執(zhí)行不當易導(dǎo)致材料出現(xiàn)缺陷。典型缺陷主要有分層、脫粘、空隙、夾雜、鋪層角度偏差等。碳纖維復(fù)合材料服役環(huán)境多變,在使用過程中易出現(xiàn)損傷。典型損傷有劃傷、分層、脫粘等。為了保證復(fù)合材料的使用安全,應(yīng)對結(jié)構(gòu)材料的質(zhì)量和健康情況進行檢測。當前的無損檢測方法主要有超聲檢測、射線檢測、磁粉檢測、滲透檢測、渦流檢測和目視檢測6種方法[11],各種檢測具有各自的適用領(lǐng)域。

        無損檢測方法中應(yīng)用較廣的是超聲檢測。它的原理是超聲波進入待測件傳到缺陷處產(chǎn)生反射,通過對反射波進行分析可以精確地測出結(jié)構(gòu)缺陷與損傷的位置和大小。在不同缺陷顯示方法中C型顯示的缺陷檢測結(jié)果最直觀,可通過顏色區(qū)分損傷面積與深度。

        2.6 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理方法

        碳纖維復(fù)合材料部件在生產(chǎn)與使用階段難免出現(xiàn)缺陷或損傷,對結(jié)構(gòu)進行有效修理才能保證結(jié)構(gòu)的使用安全性。飛機結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料修理研究始于20世紀70年代[12],發(fā)展至今已擁有成熟的結(jié)構(gòu)修理方法。

        當復(fù)合材料結(jié)構(gòu)檢測到損傷后第一步是進行修理評估。修理評估就是對損傷進行一個“需不需要修,值不值得修”的判斷。如果損傷程度輕微,不會對結(jié)構(gòu)安全造成威脅,就不需要進行修理;如果結(jié)構(gòu)損傷較大,已經(jīng)成為安全隱患,那么就需要進行修理。另一方面,如果進行修理的各方面耗費已經(jīng)超過直接替換結(jié)構(gòu)件的耗費,那么結(jié)構(gòu)就不值得修理,進行新部件替換即可。

        在確定結(jié)構(gòu)需進行修復(fù)后,第二步是根據(jù)結(jié)構(gòu)修理手冊選擇合適的方法展開修理工作。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的修理方法分為機械連接修理與膠接修理2種[12]。機械連接修理一般采用緊固件與補片對損傷結(jié)構(gòu)進行補強,通過螺栓或鉚釘實現(xiàn)補片與母板結(jié)構(gòu)的機械連接。膠接修理采用樹脂與補片進行損傷修復(fù),比如小范圍的層合板分層損傷或蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的板芯分層損傷可以通過注入樹脂固化的方式進行注膠修理,另外在重要承力結(jié)構(gòu)處的損傷可以采用搭接補片(貼補法)或嵌入補片(挖補法)并膠接固化的方式修理。

        軌道車輛碳纖維結(jié)構(gòu)應(yīng)用時間較短,商業(yè)化運營維護經(jīng)驗空缺,目前對碳纖維復(fù)合材料車輛的檢修計劃、修理評估原則、結(jié)構(gòu)修理方法的制定還需要參照航空領(lǐng)域的設(shè)計使用經(jīng)驗,后期逐步形成軌道車輛專有的結(jié)構(gòu)修理評估標準與修理方案。

        3 碳纖維復(fù)合材料在軌道車輛應(yīng)用展望

        3.1 積木式研究

        碳纖維復(fù)合材料在實際應(yīng)用中需進行大量的試驗分析才能保證結(jié)構(gòu)的可靠性。研究過程通常使用“積木式”的方法,這是一種集成度較高的分析和試驗驗證思路[13]?!胺e木式方法”的試驗過程按照試件尺寸、試驗規(guī)模、環(huán)境復(fù)雜程度呈逐級增加的順序,后一級試驗利用前一級的結(jié)果進行,可以降低技術(shù)風險與研發(fā)費用。

        碳纖維復(fù)合材料車體結(jié)構(gòu)的“積木式”方法研究分三步走。第一步是車輛用復(fù)合材料的屬性研究,這一級稱為材料級試驗,模擬材料各種使用工況并測量材料參數(shù)和許用值;第二步是典型結(jié)構(gòu)件的研究,這一級稱為元件級試驗,對標準結(jié)構(gòu)試驗件如平板、加筋板、梁、夾層結(jié)構(gòu)進行試驗,獲得特定載荷工況下結(jié)構(gòu)的承載能力以及失效模式;最后一步是整體結(jié)構(gòu)的全尺寸試驗,試驗時將載荷從零加載到設(shè)計載荷乃至結(jié)構(gòu)破壞,確定設(shè)計方案的合理性。

        3.2 打造生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展

        目前碳纖維復(fù)合材料在全球軌道交通裝備制造領(lǐng)域的應(yīng)用存在很大空缺。2019年世界各領(lǐng)域碳纖維復(fù)合材料使用需求分布如圖3所示,其中風電葉片、航空航天、體育休閑和汽車領(lǐng)域占74%[14],軌道交通裝備制造領(lǐng)域尚未出現(xiàn)在圖中,原因是目前全球碳纖維軌道車輛尚未實現(xiàn)大規(guī)模商用,都處于研發(fā)試驗階段。

        圖3 2019年世界各領(lǐng)域碳纖維復(fù)合材料需求分布

        碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用涉及原材料制備(碳纖維以及各類樹脂)、中間制品制造、結(jié)構(gòu)設(shè)計和應(yīng)用,其戰(zhàn)略核心是碳纖維[14]。中國碳纖維發(fā)展歷史中經(jīng)歷歐美禁運與技術(shù)封鎖,直至2000年以后國內(nèi)才形成一定規(guī)模的碳纖維市場,雖然實現(xiàn)了“從無到有”,但是產(chǎn)品的品質(zhì)穩(wěn)定性與經(jīng)濟性較差。與傳統(tǒng)成熟材料不同,碳纖維復(fù)合材料與應(yīng)用企業(yè)存在著共同發(fā)展互相成就的關(guān)系,這是國際上新技術(shù)創(chuàng)新的基本規(guī)律。目前國內(nèi)軌道交通發(fā)展規(guī)模龐大,如果國內(nèi)軌道交通車輛大幅應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料,國內(nèi)碳纖維企業(yè)因此會有充足的環(huán)境去成長和發(fā)展,屆時不止軌道交通裝備制造領(lǐng)域,航空航天、風電、體育休閑等領(lǐng)域也會同時受益。

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