重載鐵路貨車披上碳纖維“輕裝”

近日，全球首批碳纖維復(fù)合材料輕量化重載鐵路貨車成功開(kāi)展循環(huán)裝卸試驗(yàn)。該型鐵路貨車裝卸貨適應(yīng)性和運(yùn)用可靠性得到試驗(yàn)驗(yàn)證，為其后續(xù)線路運(yùn)用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

該型鐵路貨車由國(guó)能鐵路裝備有限責(zé)任公司、北京低碳清潔能源研究院和中車齊齊哈爾車輛有限公司聯(lián)合研制。“它的成功研制，開(kāi)創(chuàng)了重載鐵路貨車碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用的先河，對(duì)促進(jìn)我國(guó)重載鐵路運(yùn)輸綠色低碳轉(zhuǎn)型具有重要示范意義。”1月21日，國(guó)能鐵路裝備有限責(zé)任公司科技信息部經(jīng)理王文剛接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)說(shuō)。

制備碳纖維復(fù)合板材

在軌道交通技術(shù)領(lǐng)域，車輛的輕量化，即在保證車輛性能的前提下盡可能減輕車身重量，降低運(yùn)行能耗，是實(shí)現(xiàn)軌道車輛綠色化、低碳化的關(guān)鍵技術(shù)。

傳統(tǒng)重載鐵路貨車主要采用鋼、鋁合金等金屬材料，受制于材料特性，車輛面臨減重瓶頸。被稱為“新材料之王”的碳纖維，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、抗疲勞、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)重載鐵路貨車輕量化的理想材料。

那么，碳纖維到底需要經(jīng)過(guò)怎樣的變化，才能被制成堅(jiān)硬耐用的鐵路貨車板材？

北京低碳清潔能源研究院先進(jìn)材料研究中心復(fù)合材料部經(jīng)理吳福梅告訴記者，想要以碳纖維為原材料，制備成適合鐵路貨車的碳纖維復(fù)合板材，關(guān)鍵環(huán)節(jié)是浸漬。

“我們先對(duì)高分子樹(shù)脂進(jìn)行改性，顯著提升其機(jī)械性能和環(huán)境適應(yīng)性。改性后的高分子樹(shù)脂再與碳纖維絲束經(jīng)過(guò)浸漬工藝處理，形成碳纖維預(yù)浸料。”吳福梅解釋，用改性的樹(shù)脂把碳纖維絲束黏合在一起，就形成了碳纖維復(fù)合板材。

由于重載鐵路貨車的運(yùn)用工況較為惡劣，對(duì)碳纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度、耐磨、阻燃和抗紫外線等性能都有特殊要求?？蒲腥藛T又開(kāi)展了碳纖維復(fù)合板材相應(yīng)性能的適用性研究。

“我們研發(fā)的碳纖維復(fù)合板材，是一種以樹(shù)脂為基體、以碳纖維為增強(qiáng)材料的復(fù)合材料。”吳福梅說(shuō)，該材料通過(guò)了水、火、低溫、高強(qiáng)度等一系列極限測(cè)試，各項(xiàng)性能優(yōu)良。其比強(qiáng)度是鋁合金材質(zhì)的3至5倍、比模量是鋁合金材質(zhì)的1.5至1.8倍，能更好滿足重載鐵路貨車的輕量化和大部件生產(chǎn)使用要求。

設(shè)計(jì)“三明治”夾層結(jié)構(gòu)

有了碳纖維復(fù)合板材，科研人員接下來(lái)就要考慮如何設(shè)計(jì)貨車結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)最高的承載強(qiáng)度。

“由于制造技術(shù)限制，金屬材質(zhì)鐵路貨車的端墻、側(cè)墻等大部件難以采用整體成型方法制成，通常采用尺寸較小的板材、型材，通過(guò)焊接或鉚接方式制備。”王文剛告訴記者，這就容易存在勞動(dòng)強(qiáng)度高、組裝效率低等問(wèn)題。

“碳纖維只有在纖維保持連續(xù)時(shí)，才能充分發(fā)揮其高強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)。我們研發(fā)的碳纖維復(fù)合材料，很適合采用整體成型的方式制造重載鐵路貨車的相關(guān)部件。這樣可以避免分體式結(jié)構(gòu)纖維不連續(xù)等不利影響。”王文剛說(shuō)。

基于此，科研人員采用大規(guī)模碳纖維縱橫預(yù)制梁與碳纖維蒙皮共固化、共膠接技術(shù)，制備出重載鐵路貨車一體成型的側(cè)墻、端墻。

“為了保障重載列車運(yùn)行安全，我們本著循序漸進(jìn)的設(shè)計(jì)原則，目前只有貨車側(cè)墻、端墻使用了碳纖維復(fù)合材料。”王文剛介紹。

同時(shí)，科研人員設(shè)計(jì)出“內(nèi)蒙皮+夾芯+外蒙皮”組成的“三明治”夾層結(jié)構(gòu)。這種整體式夾層結(jié)構(gòu)車體，可在材料重量同等的條件下成倍提高材料的抗彎能力，提高承載強(qiáng)度。

“碳纖維鐵路貨車車體自重較同類鋁合金材料車體降低20%以上，自重系數(shù)低至0.22，實(shí)現(xiàn)了車輛自重降低、載重增加、容積增大的同步協(xié)同提升，對(duì)提高鐵路運(yùn)輸效率具有重要意義。”吳福梅說(shuō)。

提高智能化運(yùn)行水平

當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)，正在與傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)深度融合，引發(fā)影響深遠(yuǎn)的產(chǎn)業(yè)變革。智能化正在成為當(dāng)今世界鐵路貨車發(fā)展的新熱點(diǎn)和新趨勢(shì)。

王文剛介紹，目前，國(guó)內(nèi)外鐵路貨車普遍采用地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)車輛技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但監(jiān)測(cè)設(shè)備只能在鐵路沿線定點(diǎn)布置，相隔距離一般超過(guò)30公里，在區(qū)間內(nèi)無(wú)監(jiān)測(cè)能力，存在較長(zhǎng)時(shí)間和距離的監(jiān)測(cè)盲區(qū)。因此，地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)間斷性監(jiān)測(cè)，可能無(wú)法及時(shí)預(yù)警車輛運(yùn)行故障或異常情況，從而導(dǎo)致發(fā)生安全事故。

值得關(guān)注的是，目前澳大利亞等國(guó)家的車輛運(yùn)行監(jiān)測(cè)雖然仍以地面軌邊設(shè)備監(jiān)測(cè)為主，但已在此基礎(chǔ)上開(kāi)始大量應(yīng)用具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力的車載智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

“通過(guò)融合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)，我們牽頭開(kāi)發(fā)適用于重載鐵路貨車的車載智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。”王文剛說(shuō)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)回傳車輛關(guān)鍵運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，為列車調(diào)度中心提供及時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，不僅提升了運(yùn)輸效率與安全性，更為重載鐵路貨運(yùn)的智能化管理提供了有力支撐。

碳纖維車輛上配備了自發(fā)電裝置，車輛行駛過(guò)程中可以通過(guò)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)發(fā)電，從而為車載監(jiān)測(cè)裝置等設(shè)備提供電源。

該型鐵路貨車的成功研制，突破了適用于重載鐵路貨車領(lǐng)域的碳纖維復(fù)合材料配方及大部件一體化制備等關(guān)鍵技術(shù)，在保證產(chǎn)品強(qiáng)度和性能不降低的條件下大幅降低車體自重，提高了列車的智能化運(yùn)行水平，有力推動(dòng)了重載鐵路高質(zhì)量發(fā)展。

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