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复合材料在铁道车辆上的应用

编辑:admin 发布时间:2017-04-08 13:57 浏览次数: 次
随着复合材料制造业技术的发展,也伴随着铁道车辆制造业对复合材料的不断深化的认识和了解,以及铁道车辆制造业的技术进步,复合材料在铁道车辆中的应用范围逐渐扩大,所应用的复合材料的种类、档次和技术水平也在不断提高。 
  已在现代铁道车辆中应用的复合材料从种类上分有:
  (1) 刚性和半刚性的不饱和聚酯树脂玻璃钢;
  (2) 酚醛树脂玻璃钢;
  (3) 强度较高的反应型阻燃不饱和聚酯树脂玻璃钢;
  (4) 强度略低的添加型阻燃不饱和聚酯树脂玻璃钢;
  (5) 碳纤维材料。
  从产品上分有:
  (1) 手糊玻璃钢制件;
  (2) 模压玻璃钢制件;
  (3) 夹层结构玻璃钢制件;
  (4) 碳纤维制件。
  玻璃钢在铁道车辆上的应用
  1. 玻璃钢在铁道车辆上早期的应用
  玻璃钢在铁道车辆上的应用始于上世纪80年代,首次应用于国产140km/h速度级低速电动车组。应用的范围主要包括:
  ● 内侧墙板;
  ● 内侧顶板;
  ● 拼装式玻璃钢卫生间;
  当时的主要应用目标是节木代木。所应用的玻璃钢的种类为不饱和聚酯树脂玻璃钢。
  2. 玻璃钢在铁道车辆上的批量应用
  玻璃钢在铁道车辆上的批量应用,并逐渐成熟化发生于上世纪90年代,主要用于制造铁路客车和城轨车辆的:
  ●客室内侧墙板;
  ●内侧顶板;
  ●拼装式玻璃钢卫生间;
  ●整体玻璃钢卫生间;
  ●整体玻璃钢洗面间;
  ●玻璃钢空调风道、废排风道;
  ●座椅或座椅骨架。
  此时的主要应用目标已由节木代木转向了提高车辆的档次;所应用的玻璃钢的种类仍以不饱和聚酯树脂玻璃钢为主。
 3. 近年来,玻璃钢在铁道车辆上的应用
  从本世纪初开始,玻璃钢在铁道车辆上得到了更加广泛的应用,除应用于制造前述的各种产之外,还被广泛地应用于制造:
  ●车顶导流罩;
  ●车顶新风道;
  ●车内各种造型复杂的零部件,包括三维曲面形状的内侧墙板和侧顶板;各种特殊形状的罩板;玻璃钢蜂窝间壁板;装饰件。
  这一阶段玻璃钢应用的主要目标是制造有特殊功能要求或有复杂造型要求的零部件。而且这一阶段应用的玻璃钢的防火性能也有所提高,反应型和添加型阻燃不饱和聚酯树脂玻璃钢得到了大量应用,酚醛树脂玻璃钢的应用逐渐减少。

4.玻璃钢在高速动车组中的应用
  玻璃钢在高速铁路动车组中的应用,使其真正进入到了成熟阶段。因为:
  (1)玻璃钢被应用于制造具有特殊功能、造型与结构复杂、承受较大载荷的综合性能优良的零部件,如玻璃钢整体流线型车头、前端开闭机构模块、车顶空气动力学导流罩等。
  (2)模压玻璃钢(SMC)得到了广泛应用
  采用模压玻璃钢批量制造高速动车组客室内侧墙板,具有以下优点:
  ●零部件的尺寸精度高;
  ●制造质量和产品档次,
  ●实现了轻量化;
  ●适合工程化批量生产。

(3)提高了其它部位应用的玻璃钢的水平
  ●可以根据需要制成具有各种不同质感的零部件;
  ●外观质量更好,零部件形状与尺寸精度更高;
  ●表面颜色与花纹同时可调。
  此时,玻璃钢应用包括了实现特殊功能与造型,并承受一定载、轻量化等更高层次的目标。

  5.玻璃钢在铁道车辆上应用过程中出现过的问题
  玻璃钢在铁道车辆上应用过程中曾出现过以下问题:
  (1)制造质量差,形状与尺寸精度低,无论是形位公差还是尺寸公差均非 常大,甚至强烈变形、翘曲,达不到使用要求;
  (2)强度低、性能不稳定,经常性地破损、开裂;
  (3)耐久性差,经常性地产生翘曲、变形;
  (4)耐老化性差,表面褪色、龟裂;
  (5)防火性能差,达不到铁道行业防火标准规定要求;
  (6)重量大,难以应用于对重量有要求的结构上。
  6. 玻璃钢在现代铁道车辆中应用展望
  (1)玻璃钢材料的特性
  ●密度小、比强度高:相对密度在1.6~2.1g/cm3之间,只有碳钢的1/4~1/5,可是拉伸强度却接近碳钢;
  ●耐腐蚀性能好:对大气、水、一般的酸、碱、盐以及多种油类和溶剂都有较好的抵抗能力;
  ●热性能良好:导热率低,室温下为1.25~1.67KJ/mhK,只有金属的1/100~1/1000,隔热性好,适应瞬时超高温情况,是理想的热防护材料。
  ●工艺性优良:可根据需要灵活地选择成型工艺,工艺简单,可以一次成型,对形状复杂、不易成型、数量少的产品,工艺性优越。
  ●各向异性:不同方向上的力学性能有明显差异,与其它工程结构材料还有一定的差距;
  ●环保性差:现阶段应用的玻璃钢材料还难以降解、回收,废弃零部件形成不易处理的垃圾,污染环境。
  (2) 与其它非金属材料的比较

  (3)展望
  ●任何一种材料都不可能完全取代其它材料,占领全部或者过大的市场份额;
  ●玻璃钢材料在现代铁道车辆上最大的应用空间还是制造内装结构和车内设备零部件,要重点解决的问题依然是质量、轻量化、防火性和环保性;
  ●在特定的应用工况下,作为次重要的承载部件是玻璃钢在现代铁道车辆上应用的扩展空间;
  ●每一种材料都有其各自的特点和适应性,挖掘和充分分会潜力,是每一种材料寻求应用的方向,也是材料行业和铁道车辆制造业健康发展的必由之路。
  ●一点非常最要的说明是,在不断提高性能的前提下还要降低成本,同时为材料行业和铁道行业共同带来效益,才有继续应用的基础。
碳纤维在铁道车辆上的应用
  1. 碳纤维材料的特性
  由于碳纤维具有密度小、强度和刚度高、无蠕变、耐疲劳性和耐腐蚀性好 等一系列优点,不仅是承载能力最强的复合材料,也是当前唯一能够代替金属 材料而成为结构材料使用的非金属复合材料。它与铁道车辆常用的部分金属材料的部分力学性能指标的比较如下表所示。

  通过部分指标的比较可知:碳纤维在某些性能指标上具有一定的优势;若经过全面的比较也可知:碳纤维还有不足,尤其是各向异性,且耐冲击性能差。
  2. 碳纤维材料现代铁道车辆中应用情况
  (1)国内的应用情况
  ●至今为止,国内仅在早期试制的动力集中型动车组样车中应用过碳纤维材料,制造的产品是流线型车头中的前端车钩头盖;
  ●曾经探讨过采用碳纤维材料制造承受较大载荷的高速动车组的车顶导流罩,但为付诸行动。
  (2)国外的应用情况
  ●根据非正式消息,国外正在研究应用碳纤维材料制造车体结构的承载构件,但还没有达到实用阶段,所以未有公开的成果性资料。
  3.碳纤维材料在现代铁道车辆中应用展望
  ●碳纤维作为一种结构材料其应用的范围和主要目标应该是代替部分金属材料制造承受一定载荷的构件;
  ●由于目前碳纤维在铁道车辆中还没有批量应用的经验和成熟技术,其应用需要分步推进;
  ●碳纤维近期主要应用目标应该是用来制造一些次重要的承载荷部件或构件,如高强度的流线型车头前端头盖、车顶导流罩、行李架骨架、座椅骨架等;
  ●碳纤维远期的主要应用目标可以是制造铁道车辆车或转向架构架中的部分承载构件。
  ●无论是近期的还是远期的应用目标都将是作为轻量化材料结构材料来使用。

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