張麗嬌

近年來，我國軌道交通產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，從2004年高鐵技術引進和啟動以來，中國軌道交通發(fā)展迅猛，以市場換技術的同時進行戰(zhàn)略性投標，完成了對于高端制造技術的“引進、消化、吸收、再創(chuàng)新”的過程?！丁笆濉眹覒?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，堅持系列、標準、平臺化發(fā)展，不斷加快新技術、新工藝、新材料的應用，研制系列化優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，完善軌道交通產(chǎn)業(yè)的技術標準體系和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新體系。軌道交通作為現(xiàn)代中國制造技術發(fā)展的重要標志，其技術發(fā)展水平直接代表著中國制造業(yè)的技術水平?！鞍踩煽俊⒏咝П憬?、綠色環(huán)保、經(jīng)濟適用”是軌道交通裝備未來的主要發(fā)展趨勢，各種新技術、新工藝、新材料的應用為軌道交通裝備的升級換代提供有力支撐。

中國高鐵的發(fā)展到現(xiàn)在主要經(jīng)歷了3個階段，第1階段為高鐵的國產(chǎn)化階段，即從國外引入高鐵技術，主要從日本（川崎重工）、德國（西門子）、法國（阿爾斯通）引入先進的高鐵技術，完成CRH2、CRH3和CRH5的動車系列的研發(fā)，實現(xiàn)國產(chǎn)化生產(chǎn)的過程。第2階段為自主化階段，即將國外拿過來的技術經(jīng)過自主設計形成第2代高鐵，通過依托“十一五”的國家科技支撐計劃，科技部與鐵道部進行通力合作，啟動了重大項目“中國高速列車關鍵技術研究及裝備研制”，該項目通過聯(lián)合各大高校和優(yōu)勢科研院所，集中攻堅共同研發(fā)，在牽引傳動、網(wǎng)絡控制等核心技術上進行了多項研發(fā)創(chuàng)新，并于2011年完成了新一代高速動車組CRH380系列（營運速度高達380km/h），該系列車型完全為自主研發(fā)，擺脫了引進技術源頭方的控制，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階段的目標則為建立中國自己的高鐵標準體系，通過總結(jié)提煉引進的高鐵技術，將其融會貫通，形成2015年下線、2017年正式運營的CR400的“復興號”系列。同時，中車集團不斷引進先進技術，促進下一代軌道車輛產(chǎn)品的迅速推出：2018年在德國柏林發(fā)布了下一代地鐵具有全碳纖維車體及多種智能裝備；2019年6月發(fā)布的磁懸浮列車也采用了碳纖維復合材料車體，能夠達到600km/h的試驗速度。每一代高鐵車輛的研發(fā)、定型、產(chǎn)業(yè)化的過程都是不斷學習、吸收及創(chuàng)新的過程，只有不斷注入新的技術元素，才能使得中國的制造業(yè)金名片永不褪色。

隨著中國制造大國地位的不斷穩(wěn)固和各種新興技術的涌現(xiàn)，在國家政策的牽引下，我國軌道交通裝備發(fā)展迅速，更新?lián)Q代速度越來越快，各代高鐵車體結(jié)構(gòu)材料使用具有較強的代際特征。高鐵的快速發(fā)展推動了技術進步，對新材料需求不斷提高，但復合材料在我國高速列車的應用不足10%，需要進一步加強新技術、新材料的融合應用，推進產(chǎn)業(yè)化的迅速實施。

生活節(jié)奏的加快和人民生活品質(zhì)的提高對交通工具內(nèi)部環(huán)境的改善和營運速度提出了更高的要求，為達到軌道本身的要求和軌道車輛提速的要求的平衡，就要求軌道車輛本身質(zhì)量要足夠低，因此軌道車輛的輕量化之路從未停歇。軌道車輛對材料應用的需求主要體現(xiàn)在：可設計性、可制造性、可服役性、可維護性、可回收性等幾個方面。新型的先進復合材料在軌道交通車輛的應用路線一般從非承載件（頂板、側(cè)墻、座椅、內(nèi)飾）到次承載結(jié)構(gòu)件（設備艙、車端前罩）到主承載結(jié)構(gòu)件（轉(zhuǎn)向架、車體和車鉤緩沖）逐步進行，用于主承力結(jié)構(gòu)的材料變更需要進行大量的試驗驗證之后才能應用到主承載結(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輛的代際變換。

在高速發(fā)展的軌道交通裝備的整個歷程中，軌道交通車輛車體主結(jié)構(gòu)材料從最初的普通碳素鋼到現(xiàn)在的先進的輕量化的復合材料，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。碳纖維復合材料作為戰(zhàn)略性新材料，與金屬材料相比具有高強、輕質(zhì)、耐蝕、可設計性強優(yōu)勢，是解決軌道交通車輛主承載結(jié)構(gòu)材料輕量化的首選，重點解決材料替換過程中的輕量化與強度、剛度、疲勞、腐蝕、噪聲及防火等性能矛盾，得到各種技術性能的平衡解決方案。

1 軌道交通車體結(jié)構(gòu)材料發(fā)展歷程回顧

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

1.1 鋼結(jié)構(gòu)

軌道交通車輛車體結(jié)構(gòu)材料最早采用普通碳素鋼，碳素鋼價格便宜，強度高，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，設計過程需要留有較高的腐蝕余量，車體需采用較大的安全系數(shù)，使得車重偏高，耗能偏大；后為改善腐蝕造成的冗余設計改為耐候鋼，其耐腐蝕性為碳素鋼的2～3倍，車輛自重降低10%～20%，但仍需要添加涂層防護；后來采用不銹鋼，比普通碳素鋼車體減重30%～50%，不需涂層防護。

1.2 鋁合金結(jié)構(gòu)

鋁合金車體結(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程初期也經(jīng)歷了工藝技術成本較高的限制，通過材料供應商及生產(chǎn)廠家的協(xié)同攻關，改善焊接工藝、連接工藝等制造工藝，實現(xiàn)制造過程可控，節(jié)省加工費用和設備費用，減少工時，且量產(chǎn)后鋁合金材料價格降低，最終達到不降低力學性能的同時與不銹鋼的價格基本持平，而車體質(zhì)量比碳鋼車質(zhì)量減少50%，并且具有較好的耐腐蝕性和較低的維修費用。

1.3 高性能纖維增強樹脂基復合材料

復合材料輕質(zhì)高強，比強度較高，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，比鋁合金車體減重至少30%。車體復合材料的主承載結(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)件已大量應用于高速列車中，極大的提高了隔音性能和保溫隔熱性，滿足了乘客的舒適性要求和運營商的運營消耗。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。

與傳統(tǒng)的軌道車輛材料（例如，鋼、鋁等）相比，碳纖維復合材料在輕量化、節(jié)能、電磁屏蔽、碰撞吸能等方面具有較強的優(yōu)勢和較突出的特點。隨著碳纖維復合材料制造技術的成熟發(fā)展，成本一定程度的下降，越來越多的行業(yè)采用碳纖維復合材料。軌道交通行業(yè)響應節(jié)能降耗、綠色出行的國家號召，同時考慮降低全壽命周期成本而優(yōu)先選用碳纖維復合材料。用于軌道交通的材料性能對比分析見表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)展過程，主要因其耐候性能的提高及工藝技術的不斷成熟，能夠?qū)崿F(xiàn)車體更輕的質(zhì)量、更高的可靠性和更長的壽命；隨著鋁合金大型中空擠壓型材的開發(fā)及焊接技術的改進，組裝和焊接件的數(shù)量減少，用工量減少40%，車體自重較鋼制車體降低30%。碳纖維復合材料具有比鋁合金更高的比強度，更優(yōu)異的耐腐蝕性和耐疲勞性能；通過合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計，減重效果至少50%（現(xiàn)照抄金屬設計減重30%），可實現(xiàn)增速節(jié)能；通過一體化成型工藝設計，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費用，從而達到降低全生命周期成本的目標。

2018年9月18日中國中車在柏林國際軌道交通技術展（InnoTrans2018）上正式發(fā)布具有全碳纖維復合材料的車體結(jié)構(gòu)的新一代碳纖維地鐵車輛“CETROVO”，該全碳車輛結(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，同時進行多重優(yōu)化設計方案，在外形尺寸不變的情況下，對局部受力結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設計，盡量發(fā)揮復合材料的高強高模優(yōu)勢，但主要外形及結(jié)構(gòu)都是照抄照搬金屬地鐵車結(jié)構(gòu)，優(yōu)化設計受到尺寸外形的限制，即便如此，該地鐵車的車體、司機室、設備艙可分別減重30%以上，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架減重40%，整車減重13%。該列車不僅具有主結(jié)構(gòu)材料的變更，同時還結(jié)合了多種現(xiàn)代化先進設計理念和新的控制系統(tǒng)、新工藝應用技術，可實現(xiàn)車輛自動駕駛、智能運維與智慧服務，是具有全新代際特征的新一代地鐵列車，有力地推動了軌道交通裝備的“材質(zhì)革命”和“技術升級”。

2 軌道交通車輛車體結(jié)構(gòu)用材料的國內(nèi)外應用現(xiàn)狀

目前，軌道交通車體材料主要有耐候鋼、不銹鋼、鋁合金及碳纖維，其中碳纖維復合材料整車仍在試驗驗證階段，還未開始正式運營。世界各國對于碳纖維復合材料用于軌道交通裝備的主承力結(jié)構(gòu)均已進行了大量的研究，尤其以歐洲、美國、日本、韓國的研究較多，我國對碳纖維復合材料主承載結(jié)構(gòu)件的研發(fā)從2015年才正式開始。

在軌道交通車輛裝備的復合材料化進程中，歐洲國家進展最快，早期主要用于非承載的內(nèi)飾件、頭罩、受電弓中，隨著技術的進步，逐漸轉(zhuǎn)入次承載部件和主承載部件。如英國Intercity125機車的駕駛室端蓋、意大利ETR500型高速列車的邊墻、天花板、行李艙、列車頭罩采用纖維增強復合材料后較原來的鋼制結(jié)構(gòu)減重40%～50%，加拿大龐巴迪公司實現(xiàn)用玻纖代替不銹鋼制作高速列車主承載結(jié)構(gòu)—車體，質(zhì)量降低30%以上，極大地節(jié)約了運營能耗，節(jié)能效果良好。瑞士和法國也分別對復合材料在軌道交通上的應用進行了探索，取得了很好的成效。阿爾斯通AGVgap動車組，車端鉸接枕梁，用碳纖維復合材料取代金屬部件，實現(xiàn)關鍵承載部件替換，使得每車減重700kg。美國在弗羅里達州的單軌列車上采用碳纖維/玻璃纖維增強樹脂基復合材料、蜂窩材料等研制的全復合材料列車車體，質(zhì)量比鋁合金結(jié)構(gòu)減輕40%，并已經(jīng)實現(xiàn)批量生產(chǎn)和運營。日本的川崎重工研發(fā)制作的efWING柔性碳纖維轉(zhuǎn)向架對構(gòu)架進行了大膽改進，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，對比傳統(tǒng)的金屬側(cè)梁減重約40%。韓國軌道列車在碳纖維復合材料應用方面業(yè)績突出，其中KTX—Ⅱ列車內(nèi)裝大量采用碳纖維復合材料，時速200km/h的TTX擺式車體采用碳纖維復合材料，較鋁合金車體減重40%，并已投入運營，節(jié)能降耗效果良好；KRRI研制了碳纖維復合材料地鐵轉(zhuǎn)向架，較鋼制構(gòu)架輕30%，疲勞試驗達標。

碳纖維在飛機上歷經(jīng)“非承載部件→次承載部件→主承載部件”的發(fā)展過程，軌道交通車輛也將沿用此發(fā)展應用理念，設備艙做為車體重要的次承載部件，結(jié)構(gòu)相對簡單、載荷工況簡單，適合采用碳纖維復合材料。中國中車四方股份在2015年制作了碳纖維復合材料設備艙，已上線運行，較鋁合金設備艙減重30%，運行后效果良好。之后，中國中車各主機廠也分別投入對碳纖維車體的研發(fā)，中車青島四方股份于2015年與德國輕量化之父胡芬巴赫教授共同成立中德聯(lián)合技術研發(fā)中心，歷經(jīng)3年時間開發(fā)出全碳纖維地鐵的4個主承載部件：車體、司機室、設備艙、轉(zhuǎn)向架，使得地鐵車主承載結(jié)構(gòu)自重減重至少30%，整車減重13%。中車長客股份聯(lián)合長春路通軌道車輛配套裝備有限公司、江蘇恒神股份有限公司、中國航天材料及工藝研究所共同合作開發(fā)出全碳纖維地鐵車體及全碳纖維城際列車車體，其中，城際列車現(xiàn)已進行上線試運行。

3 軌道交通車輛車體結(jié)構(gòu)用材料未來發(fā)展方向

軌道交通車輛工程應用的發(fā)展主要以安全、可靠、舒適、環(huán)保、智能為導向進行發(fā)展。隨著材料技術的不斷進步，軌道交通裝備的材質(zhì)選擇逐漸增多，高性能、輕量化、技術成熟度高是新材料在軌道交通領域大規(guī)模應用的重要的參考指標，在總體目標下通過需求分析進行合理選材是優(yōu)化設計的關鍵，通過平衡需求與材料技術不斷推進軌道交通裝備的升級換代。未來軌道交通車輛要繼續(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，綜合進行輕量化設計，采用新材料、新工藝、新系統(tǒng)，逐步推進先進材料在型號列車上的應用。先進材料應用于軌道交通車輛主承載結(jié)構(gòu)的推進計劃見圖2。

軌道交通車輛主承載結(jié)構(gòu)材料的變更需要進行一系列的系統(tǒng)研究與驗證，首先針對車輛本身的性能需求及適宜的材料進行前期的典型結(jié)構(gòu)研究，進行初步的可行性分析及結(jié)構(gòu)的概念設計；第2階段開始關鍵部件的試制，進行詳細結(jié)構(gòu)設計、仿真分析、工藝試制后進行逐級的、全面的試驗驗證，研究檢測維修的方式方法；第3階段對第2階段的研究成果進行升華，建立標準體系及材料數(shù)據(jù)庫，建立先進材料設計仿真平臺及制造、裝配平臺，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輛車體設計需要綜合高強度合金和復合材料的優(yōu)勢進行優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設計，采用拓撲優(yōu)化、增材制造的理念，建立選材標準體系和數(shù)據(jù)庫，建立軌道交通設計仿真平臺，共同系統(tǒng)解決高速列車的輕量化、安全可靠性、減振降噪等綜合性要求。

未來5～10年，下一代軌道車輛車體的發(fā)展方向主要包括4個方面：

①材料：以高性能輕質(zhì)化材料（如高強輕質(zhì)鋼、高強度合金和先進復合材料）作為主承載結(jié)構(gòu)材料，采用符合材料特性的設計理念，進行整車結(jié)構(gòu)集成優(yōu)化設計，同時考慮加工工藝和組織結(jié)構(gòu)等多種因素，進行合理選材與設計。

②平臺：建立從原材料、三維圖形設計、成型工藝、仿真分析、試驗驗證、檢測維修的全流程數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，并根據(jù)技術成熟度進行不同階段的數(shù)據(jù)管控。

③知識體系：建立軌道交通輕量化研制相關的知識體系，形成適用于軌道交通車輛及裝備的復合材料選材、設計、仿真、成型工藝、試驗驗證、檢測維修的標準規(guī)范。

④制造：結(jié)合激光拼焊技術、變厚度軋制技術、型材設計以及低成本自動化的復合材料成型技術等多種制造技術，建立自動化可控制可檢測的生產(chǎn)線，提高制品穩(wěn)定性，實現(xiàn)智能制造的目標。