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编者按
国外在轨道交通用复合材料领域的研究已有将近半个世纪，虽然目前国内轨道交通、高铁等发展迅速，且国内复合材料在该领域应用如火如荼，但是与国内大量采用碳纤维复合材料有所不同，国外轨道交通中大量采用的复合材料中增强纤维更多的是采用玻璃纤维，如本文中提到的TPI复合材料公司开发车身用复合材料中碳纤维占比不到10％，其余的是玻璃纤维，因此在保证轻量化的同时又可以平衡了成本。大量采用碳纤维不可避免造成成本难以控制，因此可以在一些关键结构件如转向架等应用。
50多年来，热固性复合材料生产商Norplex-Micarta一直在制造用于轨道交通应用的材料（包括火车、轻轨制动系统以及高架电轨的电气绝缘）方面保持稳定的业务。但是如今，该公司的市场正在从相对狭窄的细分市场扩展到其他更多的应用，例如壁、屋顶和地板。
Norplex-Micarta的业务发展总监DustinDavis认为，在未来几年中，铁路和其他大众运输市场为其公司以及其他复合材料制造商和供应商提供的机会将越来越多。这种预期的增长有几个原因，其中有一种是欧洲采用的消防标准EN 45545-2，该标准对大众运输提出了更严格的防火、防烟和防毒（FST）要求，通过使用酚醛树脂系统，复合材料制造商可以将必要的防火和防烟性能纳入其产品中。
另外，公共汽车、地铁和火车的运营商开始意识到复合材料在降低噪声振动和刺耳声方面的优势。 Davis说：“如果您曾经在地铁上听到过金属板在嘎嘎作响。若面板是由复合材料制成的，则它会减弱声音，从而使火车更安静。”
复合材料的重量更轻，也使其吸引了对减少燃料使用和扩大其使用范围感兴趣的公交运营商。市场研究公司Lucintel在2018年9月的一份报告中，预测2018年至2023年之间，用于大众运输和越野车辆的复合材料的全球市场将以每年4.6％的速度增长，到2023年有望达到10亿美元的价值。机遇将来自各种各样的应用，包括外部、内部、引擎盖和动力总成零件以及电气组件。
Norplex-Micarta现在生产的新零件目前正在美国的轻轨线上进行测试。此外，该公司继续采用连续纤维材料专注于电气化系统，并将其与更快固化的树脂系统结合在一起。Davis解释说：“您可以降低成本，提高产量，并将FST酚醛树脂的全部功能推向市场。”虽然复合材料可能比类似的金属零件贵，但 Davis说，成本并不是他们正在研究的应用决定因素。
轻巧，阻燃
欧洲铁路运营商Duetsche Bahn的66辆ICE-3快车车队进行了翻新，这是复合材料满足客户特定需求的能力之一。空调系统、乘客娱乐系统和新座椅的安装给ICE-3轨道车增加了不必要的重量。此外，原始的胶合板地板不符合新的欧洲防火标准。该公司需要一种地板解决方案，以帮助减轻重量并符合防火标准。轻质复合材料地板就是答案。
位于德国的复合材料面料生产商Saertex为其地板提供了LEO?材料系统。Saertex集团全球营销主管Daniel Stumpp表示，LEO是一种分层的非卷曲织物，比机织织物具有更高的机械性能和更大的轻量化潜力。四组分复合材料系统包括特殊的防火涂料、玻璃纤维增强材料、SAERfoam?（具有集成3D-玻璃纤维桥的核心材料）和LEO乙烯基酯树脂。
复合材料制造商SMT（也位于德国）使用英国公司Alan Harper制造的可重复使用的硅真空袋，通过真空灌注工艺制造了地板。“我们从以前的胶合板中节省了大约50％的重量，” Stumpp说。“LEO系统基于具有非填充树脂系统的连续纤维层压板，具有出色的机械性能……。此外，复合材料不腐烂，这是一个很大的优势，特别是在冬天下雪并且地板很湿的地区。” 地板、顶部的地毯和橡胶材料均符合新的阻燃标准。
MT生产了超过32,000平方英尺的面板，迄今为止，这些面板已安装在八列ICE-3列车的约三分之一中。在翻新过程中，正在优化每种面板的尺寸，以适合特定的汽车。ICE-3轿车的OEM对新的复合材料地板印象深刻，以至于它已订购复合材料车顶来部分代替轨道车中的旧金属车顶结构。
走的更远
加利福尼亚州的Proterra是零排放电动公交车的设计者和制造商，自2009年以来一直在其所有车身中使用复合材料。2017年，该公司的电池充电Catalyst?E2公交车单程行驶1100英里，创造了世界纪录。那辆公共汽车的特点是由复合材料制造商TPI复合材料公司制造的轻质车身。
最近，TPI与Proterra合作生产了集成的一体式复合材料电动公交车。TPI战略市场高级总监Todd Altman解释说：“在典型的公共汽车或卡车中，有一个底盘，车身位于该底盘的顶部。凭借公共汽车的硬壳设计，我们将底盘和车身集成在一起，类似于一体式车的设计。”在满足性能要求方面，单一结构比两个独立结构更有效。
Proterra单壳车身是特制的，从零开始设计为电动汽车。奥特曼说，这是一个重要的区别，因为许多汽车制造商和电动客车制造商的经验都尝试过有限的尝试，以将其用于内燃机的传统设计改编为电动汽车。“他们采用现有平台，并尝试尽可能地装入电池。从各种角度来看，这并不能提供最佳的解决方案。”Altman说。
例如，许多电动公交车的电池都安装在车辆的后部或顶部。但是对于Proterra，TPI能够将电池安装在总线下方。“如果要在车辆结构上增加很多重量，则无论从性能还是从安全角度出发，都希望该重量尽可能的轻，”Altman说。他指出，许多电动公交车和汽车制造商现在都在回到图纸上，为他们的车辆开发更高效且有针对性的设计。
TPI已与Proterra签订了为期五年的协议，将在TPI位于爱荷华州和罗德岛州的工厂生产多达3,350个复合材料客车车身。
需要定制
设计Catalyst总线主体需要TPI和Proterra不断平衡所有不同材料的优缺点，以便它们可以达到成本目标，同时实现最佳性能。Altman指出，TPI在生产长约200英尺长、重达25,000磅的大型风叶片方面的经验使他们生产40英尺重在6,000至10,000磅之间的公共汽车车身相对容易。
TPI能够通过选择性地使用碳纤维来获得所需的结构强度，并保留它来加固承受最大载荷的区域。“我们在基本上可以购买汽车的地方使用碳纤维，”Altman说。总体而言，碳纤维仅占车身复合材料增强材料的不到10％，其余的是玻璃纤维。
TPI选择乙烯基酯树脂的原因也与此类似。“当我们查看环氧树脂时，它们很棒，但是当您固化它们时，必须升高温度，因此必须加热模具。这是一笔额外的费用，”他继续说道。
该公司使用真空辅助树脂传递模塑（VARTM）来生产复合材料夹芯结构，从而为单体外壳提供必要的刚度。在制造过程中，一些金属配件（例如螺纹配件和攻丝板）被结合到主体中。母线分为上下两部分，然后粘合在一起。工人必须稍后添加一些小的复合材料装饰件如整流罩，但是零件的数量只是金属总线上的零头。
将完成的车身发送到Proterra巴士生产工厂后，生产线的流动会更快，因为要做的工作更少。“他们不必进行所有的焊接、研磨和制造过程，而且它们的接口非常简单，可以将车体连接到传动系统上，”Altman补充说。Proterra节省了时间并减少了开销，因为单体外壳所需的制造空间更少。
Altman认为，随着城市转向电动公交车以减少污染和削减成本，对复合材料公交车车体的需求将继续增长。根据Proterra的说法，与柴油、压缩天然气或柴油混合动力公交车相比，电池电动汽车的运营生命周期成本最低（12年）。这可能就是Proterra说现在电池驱动的电动巴士的销售额占整个运输市场销售额的10％的原因之一。
复合材料广泛应用于电动客车车身仍然存在一定的障碍。一种是不同的公交车客户需求的专业化。“每个运输当局都喜欢以不同的方式获得公交车-座椅配置、舱口打开方式。对于公交车制造商来说，这是一个巨大的挑战，其中许多配置项可能会流向我们。”Altman说。“综合的车身制造商希望拥有一个标准的构建，但是如果每个客户都希望进行高度的定制，这将很难做到。” TPI继续与Proterra合作以增强总线设计，以更好地管理最终客户所需的灵活性。
探索可能性
复合材料公司正在继续测试其材料是否适合新的大众运输应用。在英国，专门研究回收和再利用碳纤维的技术的ELG Carbon Fibre领导着一个企业联盟开发轻型复合材料用于客车的转向架。转向架支撑汽车的车身，引导轮对并保持其稳定性。它们通过吸收铁轨的振动并在火车转弯时最大程度地减小离心力的作用来帮助提高乘坐舒适性。
该项目的一个目标是生产比同类金属转向架轻50％的转向架。ELG产品开发工程师Camille Seurat说：“如果转向架更轻，它将对履带造成的损坏减少，并且由于履带上的负载会降低，因此可以减少维护时间和维护成本。” 附加目标是将车轮侧向轮轨力降低40％，并提供终生状态监测。英国非营利性铁路安全与标准委员会（RSSB）为该项目提供资金，目的是生产具有商业可行性的产品。
已进行了广泛的制造试验，使用压模、常规湿法铺层、灌注和高压釜的预浸料制成了许多测试面板。由于转向架的生产将受到限制，因此该公司选择了在高压釜中固化的环氧预浸料作为最经济高效的建造方法。
全尺寸的转向架原型车长8.8英尺、宽6.7英尺、高2.8英尺。它由回收的碳纤维（ELG提供的非织造垫）和原始碳纤维织物的组合制成。单向纤维将用于主要的强度元件，并将使用机器人技术将其放置在模具中。选择具有良好机械性能的环氧树脂，将是一种新配制的阻燃环氧树脂，已通过EN45545-2认证，可在铁路上使用。
与由转向横梁焊接到两个侧梁的钢制转向架不同，复合材料转向架将被制造为不同的顶部和底部，然后结合在一起。为了替换现有的金属转向架，复合材料版本将必须在同一位置结合悬架和制动器连接支架以及其他配件。“目前，我们选择保留钢制配件，但对于进一步的项目，将钢制配件替换为复合材料式配件可能很有趣，这样我们可以进一步减轻最终重量，” Seurat说。
伯明翰大学的传感器和复合材料小组的一个财团成员正在负责监控传感器的开发，该传感器将在制造阶段集成到复合转向架中。“大多数传感器将专注于监测转向架上离散点的应变，而其他传感器则用于温度传感，”Seurat说。传感器将允许对复合材料结构进行实时监控，从而可以收集使用寿命载荷数据。这将提供有关峰值负荷和长期疲劳的有价值的信息。
初步研究表明，复合材料转向架应能够实现所需的重量减轻50％。项目团队希望在2019年中期准备一辆大型转向架进行测试。如果原型机的性能达到预期，它们将生产更多转向架，以测试由阿尔斯通铁路运输公司生产的有轨电车。
根据Seurat的说法，尽管仍有许多工作要做，但初步迹象表明，有可能制造出一种商业上可行的复合转向架，该转向架在成本和强度上可以与金属转向架竞争。她补充说：“ 之后我认为复合材料可用于铁路行业有很多选择和潜在的应用。
来源：碳纤维及其复合材料技术
作者：钱鑫博士
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