轨道交通车辆转向架零部件应用碳纤维复合材料替代金属材料研究

王昕敏

( 西安铁路职业技术学院，陕西西安 710026)

轨道交通对于我国的经济发展以及各项基础设施建设具有至关重要的作用，也直接影响着公共交通事业的进步。轨道交通的车辆转向架，是高速轨道列车核心结构和关键技术环节之一。转向架约占轨道交通车辆整重的30%～40%，较高的重量无疑给车辆的轻量化发展带来影响。此外，传统的车辆转向架多以钢材焊接组装而成，在长期高负荷、高强度工作状态下，会因外力作用而在焊接部分形成疲劳断裂等问题。因此，相关领域不断尝试使用新的材料代替传统金属材料用于替换转向架中的某些零部件。碳纤维复合材料便是替换材料中较为出色的一种。碳纤维复合材料由于具有密度低、高强度、耐腐蚀等性能优势，逐渐被轨道交通领域应用于车辆各部分，例如司机室头罩、车辆车体等。然而，专门针对车辆转向架应用碳纤维复合材料的研究尚且不多。本文以碳纤维复合材料为主要研究对象，对复合材料在车辆转向架各零部件中的应用可行性进行分析，提出了针对现有某型号客用轨道交通车辆转向架的整改优化方法。

1 碳纤维复合材料特性

（1）重量轻、强度高

传统的轨道交通车辆转向架多采用碳钢、不锈钢或者铝合金材料制备而成，这些材料中铝合金材料的密度整体最低。但是与碳纤维复合材料相比，即便铝合金材料的密度也要远超普通碳纤维复合材料［1］。表1 所示为轨道交通车辆转向架常用金属材料性能参数与碳纤维复合材料性能参数的对比情况。

表1 转向架用材料性能对比Table 1 Comparison of material properties of bogie

从密度方面分析，碳纤维复合材料能够表现出明显优于碳素钢或者不锈钢的性能，即便与铝合金材质相比，碳纤维复合材料的密度优势也极为明显。从材料的强度来看，碳纤维复合材料的拉伸强度远超普通金属或合金材料，比强度与比模量更是远超一般碳素钢。如果采用碳纤维复合材料替换传统的金属或铝合金材料，不仅能够全面降低轨道交通车辆的整体重量，还能够一定程度上增强车辆的整体强度。

（2）结构设计灵活

与传统金属材料相比，碳纤维复合材料的结构设计更为灵活。这种设计灵活优势主要体现在两方面。首先，碳纤维复合材料的材料性能更加优异，在使用碳纤维复合材料进行结构件设计加工时，可以为设计人员提供更加宽泛的设计余量，设计人员可以灵活采用多种结构进行零部件设计，而不必担心零部件结构的整体强度。其次，碳纤维复合材料本身的加工方式可以采用铺层设计、模具加工等多种方式，可以帮助设计人员避免传统钢结构设计中的诸多问题。

图1 所示是一种典型的载客轻轨车辆转向架，包括悬挂弹簧、构架、车轮等零部件。这种转向架基本全部由金属材料制备而成，除了车身较重这一负面问题外，在长期高负荷运载状态下，车辆的构架、车轮、制动盘等部位均有可能因为载荷的作用而产生裂缝或缺口，进而造成安全事故。

表2 所示为载荷由0 增加至107N 过程中，完整碳纤维复合材料结构件、有缺口的碳纤维复合材料结构件以及原始粘合短碳纤维材料的材料延伸率变化情况［2-4］。

表2 碳纤维复合材料耐久性能比较( 延伸率：%)Table 2 Comparison of durability of carbon fiber composites

由表2 数据可知，尽管完整的结构件在最初的材料延伸率方面表现出明显高于缺口结构件以及原始短纤维材料的性能，但是随着材料载荷的不断提升，三者在材料延伸率方面的差异越来越小，最终基本达到同一水平。可见，对于碳纤维复合材料而言，并不会因为材料出现缺口或者裂纹而呈现过于明显的性能变化，即材料本身对缺口、裂纹的敏感度较低，材料的综合抗疲劳性能较为优越。

2.2.3 悬挂弹簧

轨道交通车辆的转向架是一种需要长期高负荷运转的零部件。以金属材料制备而成的转向架在长期高强度动态载荷的作用下，极容易在焊接或组装部分发生扩展/挤压，最终形成不断扩大的裂纹。由于碳素钢或者一般铝合金材料的抗疲劳强度通常并不高，在面对这种高载荷、高强度动态冲击时，容易因为材料劣势而出现缺陷扩张，最终造成事故［5-7］。碳纤维复合材料的抗疲劳性能远比一般的金属或合金材料更强。这种性能优势主要体现在两方面：首先，碳纤维材料本身的材料强度、刚性较一般金属材料更好，更不容易在高载荷作用下形成裂纹或缺口等；其次，碳纤维复合材料在出现裂纹或缺口以后，由于材料本身为铺层加工而成，不同层之间会在材料结构作用下形成相互作用，缺口或者裂纹的影响将会大大降低。

2 转向架应用碳纤维复合材料可行性分析

2.1 转向架基本结构

（3）抗疲劳性能强

图1 典型载客轻轨车辆金属转向架Fig.1 Metal bogie of typical passenger light rail vehicle

2.2 转向架各零部件应用碳纤维复合材料可行性

2.2.2 轴箱体

其次，碳纤维复合材料弓形板簧可以在车辆产生运载负荷时使整个转向架产生挠曲效应，保证转向架中各个车轮能够稳定、均匀地向铁轨施加作用力，此时车辆内部的乘坐舒适性能够大幅提升。尤其当轻轨运行轨迹不是直线时，这种挠曲抑制能够充分减少“轮重减载”现象，能够有效避免轻轨脱轨。

轨道交通车辆转向架的构架，是整个转向架结构的框架，基本上其他各个零部件均是以构架为基础并安装在构架之上的。转向架的构架承担了转向架各个方向上的力和载荷，对构架本身的设计强度具有较高要求。当前绝大多数国家的轻轨系统转向架构架都是以碳素钢为主要材质，构架的重量约占车辆转向架整重的15%～～30%，是占能耗比例较大的车辆零部件［8-10］。最早以复合材料代替车架构架碳素钢材料的构想，起源于20 世纪80 年代的德国某公司，该公司对复合材料构架的耐久性进行了实验，表明材料替换以后能够显著提升转向架的整体结构强度，并降低转向架的自重；之后全球各国均开始尝试以碳纤维等复合材料代替传统碳素钢材料制备转向架构架，我国最新研发的碳纤维地铁车辆“CETROVO”采用了大量碳纤维材料代替传统金属材料，使转向架构架在有效降低自重约20% 左右的基础上，有效提升了构架屈服强度和抗疲劳性能。

2.2.1 构架

轴箱体在车辆转向架中的作用主要是保护车辆的车轴并且传递车辆车轮对构架的作用力。因此，轴箱体也需要长期承担主要来自纵向的载荷。不过当前关于开发碳纤维复合材料轴箱体的有关研究较少，仅有我国的部分轻轨研究人员开发了某些一体成型的碳纤维复合材料轴箱体［11-13］。这种设计主要有两方面的优势：一方面可以使轴箱体的自重进一步降低，实现车身轻量化设计；另一方面此时的轴箱体在碳纤维复合材料高强、高弹的性能支持下，还可以起到一定的板簧作用，增强车身的稳定性以及车内乘坐舒适感。

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下述表1统计呈现为B超诊断检查与最终病理检查结果的同向比较。从结果统计中可以看到，本组70例根据最终的病理结果显示，包括结节性甲状腺肿55例、桥本甲状腺炎2例、甲状腺腺瘤11例、甲状腺癌2例。在B超诊断检查中，直接检出结节性甲状腺肿50例，检出符合率高达90.9%；桥本甲状腺炎2例全部检出，符合率100%；甲状腺腺瘤11例成功检出9例，符合率为81.8%；此外，早期相对难诊断的甲状腺癌2例检出1例。总体来看，70例患者成功检出62例，符合率高达88.6%。

用碳纤维复合材料代替传统的金属悬挂弹簧，是车辆转向架与复合材料融合领域的重点研究方向。碳纤维复合材料具有高强、高弹的特性，以复合材料代替传统弹簧作为板簧，具有以下两方面优势。

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首先，碳纤维复合材料板簧可以将转向架侧梁与螺旋弹簧的功能进行整合，弓形碳纤维板簧可以同时提供原来两种部件的作用，同时还能大幅降低转向架重量。

在了解顶板结构特点及顶板运动规律、保证安全生产的基础上，对现有支架进行升级。目前支架存在的主要问题是其工作阻力无法充分发挥，对顶板控制效果差，来压时支架动载系数及活柱缩量大。提高现有支架对顶板控制效果，主要从提高支架额定工作阻力和支架工作阻力发挥效率2个方面着手。

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2.2.4 车轴

车轴是轨道交通车辆转向架的重要承力部件，需要承担很大一部分车身整重在垂直方向的载荷以及其他转向架部件带来的其他方向的载荷。因此，车轴部分的受力情况较为复杂。车轴材料的选择除了轻量化要求以外，还必须同时具备较高的可加工性、较高的材料刚性等，以避免车轴在承受弯矩或力矩时产生过大的形变量等。不过对于当前的复合材料研究领域而言，尚未能发现某种碳纤维复合材料或其他复合材料能够替代现有的金属材料。这主要是因为若保持现有车轴结构不变的情况，碳纤维等复合材料并不能长期保持良好的弹性模量，无法承担圆柱形结构带来的材料性能衰减。因此，本文认为车轴部分暂时无法以碳纤维复合材料完全替代。

2.2.5 制动盘、刹车片

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制动盘、刹车片主要承担的是制动时车辆的车轮以及车轴带来的摩擦力。此外，制动盘与刹车片还必须拥有良好的耐磨性和耐高温性能。当前最常用的制动盘、刹车片复合材料为超高分子聚乙烯、聚酰胺结构等［14］。而这种材料在长期高负荷作用下会出现异常磨损甚至融化，对于车辆的正常运行危害性极大。因此，部分学者尝试使用其他复合材料制备制动盘和刹车片。有学者开发了增强铝基复合材料与碳/ 碳复合材料颗粒进行混合的方法制备刹车片材料，能够有效提升刹车片的耐磨性，但是这种刹车片材料一旦遇到潮湿条件会一定程度上降低部分摩擦力［14］。因此，尽管这种复合材料混合刹车片自重较低，耐磨性也较好，但仍然不值得进行推广。目前还没有更多的研究表明碳纤维材料可以明显取代传统金属、高分子材料用于制备制动盘和刹车片。

2.2.6 车轮

车轮是轨道交通车辆整体结构中最核心的零部件，需要为车辆提供垂直于铁轨方向的支撑力以及铁轨对车轮在平行方向的约束力等，受力载荷极大。车轮部分所承受的载荷突出表现为高强度、长周期、极端冲击、高磨损、高腐蚀以及高热量等。车轮部位材料的应用与选择，对车辆整体运行稳定性、功耗等均会产生极大影响。我国某企业开发了一种金属搭配复合材料的新型车轮，该车轮最外围轮毂以及最内层衬套均是传统的碳钢材质，而轮心部位则采用了碳纤维复合材料，利用粘胶和嵌衬工艺将三者进行连接［15］。这种结构设计一方面能够显著降低车轮自重20% 左右，还能有效降低车轮部分在高载荷作用下与铁轨之间的冲击载荷，进而有效提供缓冲作用的同时，降低转向架其他部件受到的运动冲击。

2.3 转向架各零部件应用碳纤维复合材料方案

经以上分析可知，在轨道交通车辆转向架各零部件中，构架、轴箱体、悬挂弹簧以及车轮这四个部件具有以碳纤维复合材料替代传统金属材料的可行性；而车轴以及刹车系统方面，本文认为当前并没有太多的材料替换可行性。因此，本文建议在今后的轨道交通车辆转向架构上应用复合材料时，应将主要的设计重心集中在构架、轴箱体、悬挂弹簧以及车轮四个零部件方面。在这四处应用碳纤维复合材料，能够实现车辆整体的轻量化从而显著提升车辆能耗效率，还能够增强车辆转向架整体刚性、弹性和舒适性等。

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3 结语

综上所述，碳纤维复合材料因具备高强、高弹、低密度和抗老化疲劳的性能而被广泛应用于轨道交通领域。然而，并不是所有的转向架零部件均适合采用碳纤维复合材料进行材料替代。相关研究领域工作人员应根据各部件的具体特征和现实需求，灵活选择是否以复合材料代替传统碳素钢或者选用何种复合材料进行新的结构设计等。