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轨道交通建设开启复合材料业发展空间
新闻来源:转载网络    点击数:7373    更新时间:2009-7-7 14:55:14

        当前我国正处在轨道交通建设的繁荣时期,已经成为世界上最大的城市轨道交通市场。
        中国已有9个城市开通了城市轨道交通。据悉,到2010年,中国新建城市轨道交通线路将达到1000公里以上。轨道交通产业在江苏发展尤为迅速。在日前35家央企与江苏省签订的总投资额达220亿元的45个重大合作项目中,涉及了轨道交通。此外,常州轨道交通产 业已拿下2012年英国伦敦奥运会地铁工程全部内饰工程接单,南京轨道交通产业成功竞标获得印度孟买18列106辆宽体大运量城轨车辆订单。上海铁路局到 2012年,将投资1400亿元以上资金建设高等铁路网。轨道交通已成为复合材料产品潜力巨大的市场。
        当今,轨道交通产业异军突起,发展势头强劲。对于复合材料产业而言,这是一个崭新的、大有可为的应用领域。
        世界生产高速列车的重点企业,主要分布在日本、德国、法国和加拿大。据德国交通银行(DVB)近几年对世界高速铁路投资分析显示,世界高速列车产业多集 中在欧亚地区:在1999年~2009年的10年时间里,全球铁路投资规划总额高达4520亿美元,是半个世纪以来前所未有的。其中,欧洲高达1950亿 美元,约占47%;亚太地区为1640亿美元,约占37%;北美为640亿美元,约占14%.可见,高速列车及铁路已成为各国投资的最大热点。我国土地资 源紧张,在交通运输方面,发达国家已开始限制高速公路发展,加大对铁路的投资。这是因为与高速公路相比,铁路有如下突出的优点:高速公路占地约为双线铁路 的1.6倍,但其运输能力仅为铁路的1/3;高速公路易受天气影响,安全性比铁路小得多;高速公路对环境的污染是同等规模铁路的400倍;二者投资基本持 平,铁路略高,但铁路对沿线经济发展的带动作用是高速公路所望尘莫及的。
        复合材料是由基体材料(聚合物材料、金属、陶瓷)和增强体(纤 维、晶须、颗粒)复合而成的具有优异综合性能的新型材料,是近年发展最迅速的新材料之一。由于它的各种性能和功能可以根据需要进行设计,通过选择合适的基 体和增强体,合适的组成配比和排列分布,充分发挥组成材料性能的优势,获得单一材料---金属、聚合物、陶瓷等材料难以达到的综合性能,如高比强度、高比 模量、耐腐蚀、隔热、耐磨等,因此为复合材料制品提供了很大的设计自由度。当前,复合材料已在航天、航空、交通运输、基础建设中发挥了巨大的作用,成为这 些领域产品性能提高和升级换代的关键材料。
        复合材料在高速客车中的应用在高速轨道交通领域,复合材料正成为越来越重要的一类材料,除用 作内部设备和装饰材料外,在承重结构上的应用也越来越广泛。用复合材料做成的构件,重量轻、强度高、刚性大,是一种理想的高速轨道交通用结构件。复合材料 制造出的产品,不需进行机械加工,生产效率高,制造成本低。在轨道交通车辆中广泛应用复合材料,对减轻车厢重量,降低噪声、振动,提高安全性、舒适性,减 少维修等均有重要作用。
        法国阿尔斯通公司研发新的一代名为“AGV”的高速列车,其速度比原有“TGV”高速列车更快,性能更稳定,更 舒适。为了提高车速,“AGV”列车上采用了不少复合材料以减轻重量,这使其运转和维修也更加方便。法国的大西洋“AGV-A”装用的可折叠式茶桌采用 FRP复合材料制造,重量只有铝茶桌的1/2.德国“Apm123”型空调客车和高速运输的客车及一、二等混编列车都是采用FRP复合材料层压板制造。由 于大量使用复合材料,这些列车最大限度地减少了机车噪声及振动,车速更快,列车运行也更稳定、噪声也更小。
        日本新干线高速客车的卧铺、 茶桌、行李架均由FRP制作,其中12系14型卧车的上铺和中铺采用FRP复合材料制作。581系电动车的卧铺框架也是FRP复合材料。在车厢内饰件方 面,日本新干线的高速客车中,采用GFRP(玻璃纤维增强塑料)复合材料制作车窗内饰、洗漱间、厕所、小便池、水箱、集便箱、车前头盖板,双层客车两端顶 兼作空调风道的天花板,餐车空调盖板的天花板等部位亦采用复合材料。为了减少受电弓周围的空气动力噪声,在车顶上安装的受电弓内亦采用GFRP材料制造。 在轨道交通的站台、轨线设施中,也应用了大量绝缘、耐腐蚀的复合材料型材构件、制品。车体结构是保证安全、快速运送旅客所需空间的重要部件,须具备足够的强度、高刚性,轻量化,不燃性,容易维修或不需维修,制造费用低,气密性高等性能和条件。而用FRP复合材料制造轨道的车体,即能达到 上述条件要求。其良好的性能表现可概括为:轻质高强,复合材料的密度为1.4~2.2g/cm3,它的密度仅是钢的1/4~1/5,而强度并未减弱;比强 度为铝合金的2倍,是钢的4倍,符合轨道车辆轻量化的要求;其工艺简单,成本低,可一次成型;生产设备投资费用约为铝合金的1/30~1/40;其可设计 性能为车体结构的优化设计提供了广阔自由度;耐腐蚀的特性保障最终制品有较长的使用寿命;具有耐酸、耐碱、耐大气腐蚀性,其使用寿命超过不锈钢材料;导热 系数低,只有金属的1/100~1/1000,是一种优良的绝热材料;膨胀系数小,在有温度差下工作时所产生的热应力比金属小得多;通过合理的选择和改 性,能非常容易地达到轨道车辆的防火性能要求;有抗磁、绝缘、隔音等多种性能。
        目前,高速客车车门主要采用玻璃钢制作,如英国客车安装 的聚酯玻璃钢门;法国客车采用玻璃钢夹层模制整体车门;俄罗斯26米长的轻型客车车门为3层夹层结构,中间填充保温泡沫塑料,内外层为玻璃钢;丹麦铁路新 型电动车的车门为双扇车门,由玻璃钢、蜂窝夹层材料及铝框组成。在车窗及窗玻璃的设计上,法国、英国及日本铁路客车上均采用了玻璃钢窗 框,有些还使用了阻燃性聚酯玻璃钢。玻璃是车辆车窗的传统材料,随着车速的不断提高,列车穿越隧道时会产生巨大压差,行驶过程中带起的小石块易造成玻璃的 损坏,先进国家已开始使用聚碳酸酯(PC)板材作为车窗材料。它不仅有良好的透光性,易加工,还有突出的抗冲击强度和抗蠕变性能。瑞士联邦铁路曾在460 型电力机车上用2块厚15mm的PC板作为车窗玻璃,撞击试验表明,一个质量为1kg的球状物体以540km/h速度撞击车窗,车窗也不会被击碎。PC板 材质量仅相当于同等厚度玻璃质量的1/12~1/15.此外PC板材还具有良好的隔声性能、阻燃性能,其受热熔化时不会引燃其他物质,且不会产生毒气,耐 候性能优越,短期载荷热变形温度达140℃,脆裂温度低于-110℃,可在-40℃~100℃条件下长期使用。然而,PC板材也存在一些较明显的缺点,如 膨胀系数大、耐划痕性能差、成本较高等。尽管如此,PC车窗玻璃在发达国家作为机车车窗玻璃已进入实用化阶段,如荷兰、日本、瑞士等国家均已采用经硅酮涂 层处理的PC窗玻璃。
  高速客车的座椅过去采用钢制骨架,一个双人座椅的总质量在50kg以上,一辆日 本新干线电动车全部座椅的质量达2.5吨,作为车体的内饰设备占有较大的比例。现在国外玻璃钢座椅已较为普遍,如英国XP64型客车、MK11、 MK111型客车,法国“珊瑚号”客车,日本部分客车和300系地铁车及前苏联二等客车等均使用玻璃钢座椅。
        国外客车墙板一般采用玻璃钢和泡沫塑料夹层结构,如德国汉堡高速铁路上的客车墙板,捷克、瑞士、荷兰、英国、日本、法国、奥地利等国的客车墙板也都已采用玻璃钢制造。
        大量玻璃钢制品的应用随之产生的是阻燃性问题。由于大部分玻璃钢制品生产原料采用不饱和聚酯树脂,其阻燃性差、毒性大。近年来,日本、法国、德国、意大 利等国,通过对酚醛树酯改性及选用新的固化体系,已成功地研制可用手糊成型和可模压成型的酚醛玻璃钢制品,不需添加阻燃剂就有较高的阻燃性,且发烟量小, 烟雾毒性小,取得了较好的应用效果,如日本国铁客车采用手糊成型酚醛玻璃钢制造墙板及空调通道,采用模压成型制作酚醛玻璃钢茶桌、窗框等;意大利 ETRY500型高速列车采用酚醛玻璃钢预制夹层板制作电话间、储藏室顶棚、车门;法国部分客车也采用酚醛玻璃钢制造茶桌和座椅。厕所、洗手间、集便箱、卧铺、行李架、空调、风道等都是极易腐蚀的部件,最适合用玻璃钢制造。FRP复合材料整体卫生间包括卫生间的顶板、墙板、地板,均可 采用FRP复合材料制造,粘结连接为一整体。整体卫生间能可靠地保护相连接的金属构件,使之不会产生腐蚀破坏。集便箱采用FRP复合材料制造可提高使用寿 命,其结构为在用FRP复合材料制作的椭圆形外壳周围,用加热方法粘接聚氯乙烯泡沫塑料,并在上面再手糊一层FRP复合材料的夹层结构。低成本凸显轨道交通用FRP零部件优势随着原材料的发展和工艺的进步,复合材料的成本正在逐步降低。
        由于采用模块化的设计技术及整体成型技术,复合材料已大大减少了结构的复杂性,并缩短了生产实际及总装所需要的工作量,降低了总体成本。同时,复合材料 具有的耐疲劳、耐腐蚀等特性,降低了制品的维护、修理成本。由于减重,提高了运营能力,减少了能耗,复合材料的总寿命周期成本(LCC)也得到了降低。低 成本制造技术的范围较广,一般将成型效率高、成品率高、原材料适用性广的工艺技术称为低成本技术。对于高速轨道车辆制品而言,低成本制造技术是指多种成型 工艺协作的系统。这主要是因为制造大而复杂的高速轨道车辆产品,通常只有应用多种成型技术才能达到理想的效果(比如减重、高性能等),如德国AEG和 MBB公司在开发转向架时同时应用了模压、缠绕、拉挤成型技术,以及粘结技术。因此只有将各种工艺、技术有机融合,复合材料才有可能在高速轨道交通领域得 到更新、更多地应用。
        目前,我国高速列车上应用的复合材料产品与车型为:“蓝箭”动车组及“中华之星”高速列车。“蓝箭”机车的车头盖 是采用RTM工艺成型的前鼻端,手糊工艺整体成型导流罩;“中华之星”动力车的车头端盖是手糊成型。上述高速列车的一部分辅助件也采用了复合材料,如司机 台仪表框、车门窗框、车顶罩、蓄电池箱等,目前还是较局限于车内装修装饰件、座椅和车头罩等。
        复合材料在高速列车上的应用发展方向从复 合材料装饰件到全复合材料的高速列车,复合材料展示了巨大的优势及其在高速轨道交通领域应用的广泛前景。除应用现有技术和工艺,为高速轨道车辆研发、配套 车门、整体卫生间等车体设备和装饰件外,应深入研究具有自主知识产权的复合材料制造技术及其产品,提高复合材料在高速轨道领域的应用水平,促进我国高速轨 道交通事业的发展。
        结合国内现状,我们认为,复合材料要在高速轨道交通领域得到大规模应用,尤其在大型、关键结构件上的应用,尚需解决 一系列问题。其中优化设计是复合材料应用的基础,是实现减重和安全性的保证。前面已介绍过,就复合材料本身的性能而言,其强度、刚度、耐疲劳等性能均可满 足轨道列车的需求,结构的设计、各部位对载荷的要求、铺层的设计、接头的设计等方面,才是制约其应用推广的关键。美国、日本和欧洲等国家的产品设计技术成 熟,水平较高,而且专业化,计算机辅助设计软件己经商业化。近年来我国复合材料工业虽然取得了长足的发展,但在产品设计方面,还明显存在着设计不合理、适 用性差和原材料浪费严重等现象。大型、复杂、通用的复合材料产品设计软件有待研究开发。
        复合材料在制造上得到日益广泛的应用,迫切需要 研究开发出产品质量更稳定、生产效率更高、成型加工费用更低的新材料、新工艺。现在的复合材料成型不仅限于手糊、模压、缠绕等,新的工艺方法,如RTM、 树脂传递模塑、RRIM、滚动模压SMC成型、拉挤、热压罐等相继出现;其基体树脂由传统的通用邻苯树脂、间苯树脂、环氧树脂、酚醛树脂向高性能的环氧乙 烯基酯树脂发展;增强材料也由玻璃纤维向高性能的碳纤维、芳纶纤维等发展。这些高性能材料的使用,大大改善了复合材料的结构、性能,提高了成型速度和制造 质量,加速了复合材料在车辆上的实用化进程。相信,随着车辆工业发展的需要,将会开发出各种性能的原料材料来满足适应和推动日益增长车辆工业的需求。 
        我国研究开发、生产复合材料构件已有50年的历史,在研究开发技术力量,复合材料制品生产技术设备,原材料生产等方面均有优势,具备发展复合 材料产业的良好基础。在为轨道交通工程的服务进程中,应针对轨道交通发展的总体要求和具体目标,以轨道交通建设项目为龙头,采取相应的为轨道交通提供构件 材料和零部件的确保措施,把握好这一产业发展良机。


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