复合材料在列车上的应用

发布日期:2020-02-20 23:54

首页-亚博电竞|电竞体育赛事竞猜官网 现今,轨道交通车辆在内饰件上采用了很多复合材料,但是车身覆盖件仍然主要采用金属材料。最新开发的飞机已经有一半采用了复合材料,包括主要的承力部件。George Marsh探究了其

    现今,轨道交通车辆在内饰件上采用了很多复合材料,但是车身覆盖件仍然主要采用金属材料。最新开发的飞机已经有一半采用了复合材料,包括主要的承力部件。George Marsh探究了其中的原因,并报道了复合材料在现今列车上的应用情况。 
    轨道车辆在采用复合材料方面要落后于航空航天领域。现在大部分轨道车辆在车辆内部广泛采用复合材料,但是外部部件,特别是结构部件,仍然采用金属材料。与之相反,最新型的飞机有50%采用了复合材料,包括主要承力部件。 
    为什么会存在这种差距呢?毕竟轨道交通和航空运输存在很多共同之处。他们都需要快速移动,运送旅客,在长期、苛刻的使用寿命中会产生动态和静态应力和材料疲劳损伤。火灾对于二者来说都是非常危险的因素,因此在产品设计时应尽量考虑将这种风险降至最低,并确保具有足够的耐撞击强度。舒适度和外观也是乘客所非常关心的。不断增加的燃油成本也是二者选用复合材料的主要原因。
    Umeco Structural Materials公司(之前的Advanced Composites Group)轨道交通领域市场经理Richard Horn博士介绍说,通常用于轨道交通的玻璃纤维复合材料的比重为1.4,约为铝的一半(2.7),不到低碳钢的1/5。这就是为什么部分采用塑料的列车与以往全金属车辆相比,能够在节省能源的同时还能达到很高的速度,实现快速加速、快速制动。 
    轨道交通采用复合材料的优势还在于其具有高刚度、高强度,优异的抗疲劳、抗冲击和耐腐蚀性能。而且,增强塑料还可以成型出美观的外形,进行中等批量生产。在生产形状复杂的产品时,与金属材料相比,可以减少部件数量,降低成本。
复合材料的发展障碍 
    虽然复合材料还没有进入轨道交通车辆的关键部件,如主要承力结构件,不同于航空航天领域。诚然,减重对需要克服重力起飞的飞机来说显得更加紧迫,但是造成这种滞后情况还有其他一些原因。 
    当然,在一些传统行业里,还是惯于采用重型构造,由于安全的原因,不允许进行很多实验。抛开文化基础,铁路行业的工程师如果让他们抛弃传统金属材料而采用复合材料,他们会不知所措,因为他们不了解复合材料是什么。虽然复合材料的配方很多,可满足很多应用需求,这也算是一种优势,但是复合材料的确也面临着一种认同危机。这也反应在软件模型的缺乏上——可以通用的开发工具,而对金属材料来说,虽然其存在较大的不一致性,但是却有很多标准的模拟工具。开发人员往往需要花费好几天的时间来为复合材料建模,而金属材料只需要几个小时。 
    而且,复合材料的多变性可以允许设计人员为每一特定应用进行材料优化,但是会导致制造过程中因材料或人为因素带来的不一致性。材料一致性可以通过采用片状模塑料(SMC)和预浸料来解决,这些材料的生产过程可以严格控制。不幸的是,在自动化程度较低的生产中,大量的手工操作很难保证材料的一致性。尽管采用闭模成型有利于产品质量控制,但很多复合材料成型还需依赖手工湿法积层。 
    另一个问题是材料连接,以及检测复合材料最终粘合强度的难度。贴片测试可能有所帮助,但是也不能完全解决问题,因为,贴片并不完全具有代表性。连接两种不同材料是一种非常困难的事。金属和复合材料的结合是过渡到全部复合材料的权宜之计。铁路行业也是通过材料复合的形式来解决粘合或连接问题,与航空航天行业一样。 
    火灾风险是另一个阻碍因素。为了确保燃烧、烟密度和毒性(FST)符合法规要求,需要在通用聚酯、环氧等树脂中添加阻燃化合物,或者采用其他种类树脂,如酚醛树脂或丙烯酸树脂这些成型困难的树脂。法规要求树脂中使用的添加剂要为非卤素类的。
    然而在这个行业中还存在一个标准和法规的雷区。铁路一般都是属于国有企业的。直至今日,每个国家都制定了各自的FST法规、抗撞击性和其他性能要求法规。车辆制造商必须面对国内和海外市场的不同情况。最近,通过各方的努力,一些国际标准已经出台,如EN45545;该标准将于今年生效。不过即使如此,整个行业还需要进一步的协调统一。 
内装饰的发展趋势 
    尽管有这些限制,复合材料的优势将使其在轨道交通车辆中扮演的角色越来越重要。特别是内饰材料,如侧板、饰件、椅子、桌子、窗框、行李架、垃圾桶、舱壁、地板、天花板、门廊、卫生间和楼梯。这些可以使列车减轻重量,保持良好的性能,并带来经济效益。 
    Newcastle大学研究中心轨道交通小组组长Joe Carruther博士指出,都市里的轨道交通车辆重量每减轻10%,能耗便可以降低7%,每年每辆车可以节省10万美元。 
    在近期进行的一项研究中,Carruther博士表示,用复合材料扶手取代金属扶手非常普遍。金属扶手会给列车增加半吨重量。由Exel复合材料公司生产的碳纤维复合材料扶手比不锈钢扶手轻了57%,通过采用拉挤-缠绕工艺,其价格也低于不锈钢扶手(突出部件若实现批量生产的话,其成本也不会太高)。
    Carruther博士认为,如果设计人员不再局限于内装饰部分,复合材料在轨道交通中的认可度将会大幅提高。如果能够将性能要求具体规范化将比只说“扶手应该用缎面抛光不锈钢或铝”要好。他还强调说,新材料的推广必须非常谨慎,或许只能通过有限的试点工程。实际生命周期评估通常会有利于这些材料。 
    Umeco公司的Richard Horn博士指出,现在内装饰件的生产还主要是基本的湿法积层和SMC,然而如果改成先进的工艺与材料的结合,如模压预浸料,将会降低成本。在今年的欧洲JEC展览会上,他们推出了一款用2mm厚的玻璃纤维/酚醛预浸料替代传统的聚酯SMC生产的靠背,重量降低了40%。一旦解决了产品的表面质量问题,产品的成本将非常具有竞争力。 
    英国Ipeco复合材料公司,一家具有航空航天背景的公司,采用预浸料在阳模上真空灌注成型并用热压釜固化生产制品。产品的机械性能和FST性能良好,并且减轻了产品重量,生产了960件靠背,事实证明成本可以接受。这些产品用在国家高铁运营的英国庞巴迪电子之星30列车上。Horn认为列车运营者对复合材料的推动作用要大于列车制造者。