玻璃钢及其纤维复合材料在国外轨道车辆上的广泛采用_业内资讯_业界资讯__复合材料信息网

　　现在大部分轨道车辆广泛采用 复合材料，与以往全金属车辆相比，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。轨道交通采用复合材料的优势在于其具有高刚度、高强度，优异的抗疲劳、抗冲击和耐腐蚀性能。而且，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。轨道交通和航空运输有很多共同之处，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、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考虑阻燃因素，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。此外，不断增加的燃油成本也是选用复合材料的重要原因。因此，运营商非常欢迎复合材料，因为他们能够清楚看到重量的降低给节约运营成本带来的利润；而且还可以使基础设施变轻，并减少磨损。 　　复合材料的多变性允许设计人员为每一特定应用进行材料优化。材料一致性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。目前，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性能。铁路行业是通过材料复合的形式来解决粘合或连接问题，与航空航天一样广泛采用。铁路系统属于国有企业，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。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，该标准目前已生效。如今玻璃纤维增强复合材料应用于轨道交通领域的技术和制品不断完善，走向成熟。用于车辆内饰件的有侧板、饰件、椅子、桌子、窗框、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。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。近年，纤维增强复合材料在列车上应用已由内饰件向其他应用方面进行开发。在近期进行的一项研究中，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）。Umeco推出模压预浸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，生产的960件靠背用在国家高铁运营的英国庞巴迪电子之星30列车上。事实证明，成本可以接受。 　　火灾风险是另一个十分关注因素。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，法规要求树脂中使用的添加剂要非卤素类的。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复合材料公司的酚醛由于能够满足FST方面的严格要求而在内饰件上非常受欢迎。中国深圳一家公司采用LightRIM和Scott Bader公司的Crestapol1 212树脂，添加170phr氢氧化铝阻燃填料，生产了列车内饰件。固瑞特公司酚醛预浸料可以满足FST方面的要求，而在车辆内饰件中非常受欢迎，为欧洲和中国的高速列车和地铁提供了酚醛树脂预浸料。Scott Bader公司成功开发出了在轨道交通领域应用的阻燃级聚氨酯丙烯酸酯，一些西班牙和中国的车辆制造商采用了他们的。Crestapol树脂代替酚醛，通过添加氢氧化铝填料达到阻燃性能要求，可以进行模压和拉挤生产，不仅安全、无害，且具备车间生产效率，达到所需的机械性能和阻燃要求。Scott Bader公司还介绍了一些无卤素的手糊和喷射用胶衣和面漆，满足层板FST要求。运营在地面下的地铁列车对防火和安全上的要求更加严格，英国Permail Gloucester公司提供Permaglass MFM一种装饰性层压板，做地铁列车内装饰内衬，包括伦敦地铁车厢。另外一种Permaglass MFR材料具备隔热、无卤素阻燃特性，可以在许多电器闭合件的应用上取代石棉制品。 　　为了降低运营成本，随着重量进一步减轻，传统的单片层板将会逐渐被预浸料和蜂窝或泡沫制成的更轻的夹芯结构取代。这种制品在生产中不需要采用热压釜便可以快速成型，表面质量非常高。夹芯复合材料同时具有轻质、高刚性和弯曲强度特性。专为列车开发的材料包括结构芯材Di-vinycell P，由瑞典DIAB公司提供。这种可以回收的热塑性夹芯结构可满足欧盟FST规定，可以与常用的酚醛体系兼容，并可以用传统的手工的真空袋法成型；还可以采用更加先进的工艺，比如灌注和树脂传递成型（RTM）；可以与多种中温固化预浸料一起使用；还可以用加热或拉挤工艺成型。采用夹芯的优点包括：良好的机械性能和抗疲劳性能，低吸水率、良好的隔音和隔热性能，耐化学性且具备环保优势--可以回收。目前可供应于面板或用于建筑件的Divinycell P有不同的厚度，密度范围为60~150g/cm?，内饰件包括车厢地板。还有一种夹芯部件来自瑞士Airex复合材料系统（ACS）公司--COMFLOOR地板系列夹芯板，内含隔热泡沫芯材和为车厢加热的一体式表面加热单元。 　　目前，车头越来越多地采用夹芯技术，以前都是采用整体层压板。芯材专家DIAB公司承接了澳大利亚新南威尔士州华特尔双层列车的驾驶室的制作。ACS（AIREX）公司提供给上海磁悬浮列车的驾驶室，是世界上最大的单件纤维增强车头，ACS实现了所需的机械、热学和声学特性。并且这种新型驾驶舱具有低重量，良好的抗贯通性和阻燃性，是通过将蒙皮和芯材结合，加上型材和局部加强件的使用来实现的；预组装模块提供了很高的功能集成度，而较小的制造公差便于后续组装。芬兰Fibrecom Oy公司改变了夹芯形式，利用蜂窝和泡沫芯材开发了一种通道式复合材料技术。从本质上讲，面板蒙皮与夹芯之间有连续通道，而不是分隔的独立单元。这些三维通道可以填充各种材料以实现阻燃、隔热、隔音和其他性能，或用于电缆或通风管道等。这种芯材结构，具有很高的吸能作用，可以用于提高列车的防撞性。该结构适合于从手糊到树脂传递模塑的所有生产方法。带有通道的复合结构有时可用作保护罩，特别是PendolinoSm3列车上的下包围。这种易于安装和拆卸的保护罩具有抗压、抗震和防火性能。这种材料还可以用作ICS双层列车的尾部面罩及DV-2车型的车门，也可以用在一些列车的天花板和内装饰框上。 　　在轨道交通中，列车流线型前端已经成为一种设计，这是出于空气动力学和减重方面的考虑。在车速超过200mph时，空气阻力会大幅上升，对列车前进产生非常大的阻力。流线型前端流畅的曲线和光滑的表面--这些都是复合材料成型件的特性，可以有效地降低产生的阻力。这种驾驶室是高度一体化的，很少采用金属材料，连接缝非常少，在批量生产下，其生产成本比金属成本低。欧洲、美国等发达国家目前生产的列车都已经采用复合材料前端。几年前，Kineco公司将印度首个前端驾驶室应用到一辆柴油电动多单元列车上，控制台和内饰板由一整块玻纤复合材料组成，采用了树脂灌注，真空袋工艺以确保产品的力学性能。在首批驾驶室经过实际运营且获得满意结果的基础上，印度铁路系统决定将这种外观时尚的、更加舒适的且具有良好空气动力学性能的复合材料前端应用于其他列车上。复合材料通过改进其空气动力学外形，降低了阻力，并且耐腐蚀，维护需求减少。大型复合材料部件易于成型，产品充分一体化，并满足了美观方面的要求，这种新潮的列车正日益普及。在欧洲，Compin集团旗下Front Ends & Composites 公司已经将复合材料前端安装在列车上，其中包括阿尔斯通的LRV Citidas 列车，其前端是树脂灌注成型的，已将类似的车头出口到中国。Compin的这种preequipped“即插即用式”的前端可以简单地连接到车辆上。 　　在欧美亚地区，复合材料用作车身壳体和车顶，也正在开始。韩国Hanvit 200特快列车用拥有一个23m长的车身壳体，也是第一辆采用碳纤维复合材料壳体的列车，其重量较铝制体减轻了40%。复合材料车身在组装时安装到钢制车架上，使整个车身成为混合结构。庞巴迪公司生产了一种轻质混合结构的Talent列车，将复合材料车身安装在钢制车架上。阿尔斯通公司的“O”型列车在加拿大部分地区和其他国家替代了Talent列车，采用了复合材料车身壳体。ACS公司开始涉足复合材料车身壳体，生产一种弯曲的轻质夹芯车板，表面采用一种新型保护层替代油漆；还生产一体式高度模块化车顶，不再需要其他框架。20m长的车顶产量正在不断增加。 　　另有迹象表明，复合材料在“重型金属”驱动器和齿轮方面的应用取得了一些进展。印度轨道交通部门已经在柴油和电力机车上为最终传动齿轮选用了复合材料齿轮箱。每个机车上有六个传动轴，每个轴的传动齿轮都需要一个齿轮箱。通常它们是用低碳钢焊接而成的，每个重约126kg。由于金属齿轮箱比较重，拆除和维护都非常困难，而且因为振动或来自轨道的冲击很容易出现移位。此外金属很容易发生腐蚀，如果焊接部分出现泄露，还会导致昂贵的润滑油从焊缝漏出。印度交通部门在随后几年进行了试运行，每辆车上的复合材料部件使齿轮箱重量减轻了逾400kg（大约减重50%），并且由于复合材料的特性而变得非常耐用，且整体性好，边角圆滑。据当地报道，产品质量一致性很高；装配时间大幅减少；只需两个工人，无需其他辅助配件；尺寸非常稳定，几乎不漏油。作为复合材料齿轮箱商业化的标志，单单印度轨道交通部门运营的机车就有数千台。由于钢制齿轮箱使用寿命有限，因此，除了新生产的车辆，还有大批在用车辆需要改造。印度轨道交通部门还开发了一些外装部件和半隐蔽性部件，如车辆下面的高压水箱，通道连接门、电池箱以及类似汽车行业的一些机械部分的盖子，如燃料注射泵、冷却风扇等。随着燃料价格持续上涨，在轨道交通车辆设计上会着重考虑减轻重量。这对复合材料来说非常有利，它的综合性能非常有竞争力，这一切最终都要落到减重和成本上。 更多信息请关注中国复合材料信息网 http://cnfrp.net