2.安全性

　　軌道車輛的投資費用約占其全壽命周期費用的12%~34%，運營維護費用則占其全壽命周期費用66%~88%，提高車體材料的安全可靠性水平則可減少修復維修費用。

　　現(xiàn)代耐候鋼、低合金高強度鋼結(jié)構(gòu)車體為骨架蒙皮硬殼式結(jié)構(gòu)（型鋼框架支撐蒙皮），材料失效和失穩(wěn)均易導致結(jié)構(gòu)毀壞。其中，材料失效是載荷超過材料的強度能力；材料失穩(wěn)則表現(xiàn)為大部分材料保持完好，結(jié)構(gòu)以折疊或起皺等方式損壞。通常，結(jié)構(gòu)過載失效往往以局部失穩(wěn)開始，然后逐步發(fā)展到局部斷裂或整體結(jié)構(gòu)損壞。

　　高速鐵路涉及大量橋梁和隧道，車輛運行環(huán)境比較復雜，容易出現(xiàn)異物撞擊。其中，高速沖擊（沖擊速度≥90km/h）會造成明顯面板破損；低速沖擊往往產(chǎn)生目視不可察覺的損傷形態(tài)，材質(zhì)內(nèi)部則具有大量的損傷，潛在危害影響較大。

　　三、軌道交通車體材料發(fā)展趨勢

　　在軌道交通的材料領(lǐng)域，未來重要的復合材料主要包括高質(zhì)量低成本的鋁合金材料、碳纖維等高強度復合材料、結(jié)構(gòu)/功能一體化的新型夾層材料。

　　1.鋁合金材料

　　鋁合金以鋁為基礎(chǔ)元素，合金元素由主加元素（硅、銅、鎂、鋅、錳）和輔加元素（鎳、鈦、鉻、鐵、鋰）組成，抗拉強度≥500MPa。根據(jù)《軌道交通焊接用鋁合金線材》（GB/T32181-2015）和《軌道交通用鋁及鋁合金板材》（GB/T32182-2015）標準，鋁合金分為9個系列，車體結(jié)構(gòu)主要采用5000、6000和7000系列（AI-Mg-Si），主要采用5083、6005、6008、6063、6082和7020等牌號。

　　以內(nèi)裝墻板基材為例，城市軌道車輛多采用復合鋁板、鋁蜂窩板和玻璃鋼等。在滿足結(jié)構(gòu)強度和防火環(huán)保等技術(shù)指標的前提下，復合鋁板具有較為明顯的輕量化優(yōu)勢，如表4所示。

　　目前，時速超過200km的高鐵和磁懸浮車輛均已采用鋁合金車體結(jié)構(gòu)，其他軌道車輛廂體的鋁化率已超過40%[[i]]（例如，轉(zhuǎn)向架箱體）。例如，日本新干線、德國ICE和TGV系列已普遍采用高強度鋁合金制造的傳動齒輪箱；日本多孔性薄壁空心鋁合金型材已應(yīng)用于機車車輛的側(cè)板、地板和天花板等結(jié)構(gòu)。

　　軌道車輛鋁合金車體由底板（大擠壓型材焊接）、側(cè)墻、頂板、端墻組成，車廂內(nèi)裝包括座椅、空調(diào)系統(tǒng)、門窗、衛(wèi)生設(shè)施、照明系統(tǒng)、電視、行李架、隔聲隔熱材料等，車體和臺車帶有制動器和連接器。

　　鋁合金車體多采用大型中空擠壓型材縱向焊接筒形結(jié)構(gòu)，客運軌道車輛材料消耗量約2.5t材料，如表5所示。車體、座椅架、行李架、門窗、空調(diào)系統(tǒng)等也可采用鋁合金制造，如表6所示。

　　根據(jù)《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，我國新材料產(chǎn)業(yè)將加強上下游協(xié)作配套，在航空鋁材等領(lǐng)域開展協(xié)同應(yīng)用試點示范，搭建協(xié)同應(yīng)用平臺。

　　2016年，科技部國家重點研發(fā)計劃重點專項“重點基礎(chǔ)材料技術(shù)提升與產(chǎn)業(yè)化”立項支持《高性能鋁合金大規(guī)格板帶材制造與應(yīng)用技術(shù)》項目（2016YFB0300800），將開展軌道交通高性能鋁合金擠壓材，以及鋁合金車體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)與示范的研究，解決高性能擠壓材產(chǎn)品多種性能協(xié)同調(diào)控困難、大規(guī)格產(chǎn)品組織性能均勻性差、大型復雜構(gòu)件在制造與使用過程中性能退化嚴重等關(guān)鍵技術(shù)問題。

　　2.碳纖維復合材料

　　碳纖維復合材料（CFRP）具有密度低、無蠕變、耐超高溫、耐疲勞性和耐腐蝕性等優(yōu)異性能，可以滿足車體設(shè)計的阻燃、隔熱保溫和減震等設(shè)計指標，應(yīng)用范圍正逐漸由次承載結(jié)構(gòu)零部件向主承載結(jié)構(gòu)發(fā)展。例如，碳纖維增強環(huán)氧樹脂材料的比強度和比模量是現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中是最高的，主要性能如表7所示。

　　與傳統(tǒng)的軌道車輛材料（例如，鋼、鋁等）相比，碳纖維復合材料在輕量化、節(jié)能、電磁屏蔽、碰撞吸能等方面具有較強的優(yōu)勢和較突出的特點。例如，采用碳纖維復合材料制作的司機室頭罩具有優(yōu)良的抗沖擊性能，能承受350kN的靜載荷，可以抵擋1kg鋁彈的660km/h的高速沖擊；高速列車車體和轉(zhuǎn)向架采用碳纖維復合材料可實現(xiàn)減重49%，帶來的輕量化和節(jié)能效果顯著。

　　以車輛電氣接線箱為例，軌道交通材料性能對比分析如表8所示。

　　目前，碳纖維復合材料在軌道列車的應(yīng)用主要集中在車體、轉(zhuǎn)向架、車外設(shè)備和車內(nèi)內(nèi)裝領(lǐng)域。例如：

　　①日本新型新干線N700系高速列車CFRP部件包括部分車體蒙皮、絕緣子（導電弓架邊緣）和客車窗框等。

　　②日本KAWASAKI（川崎重工）成功開發(fā)世界首例主構(gòu)造采用碳纖維復合材料增強樹脂基復合材料的第一代鐵道車輛用列車“efwing”，剛性焊接轉(zhuǎn)向架構(gòu)架改為碳纖維側(cè)梁的柔性構(gòu)架，經(jīng)過美國交通技術(shù)中心（TTCI）時速150km的4500公路的線路運行試驗，輪重減載率下降50%，車體外殼總質(zhì)量降低40%。

　　③ 德國SIEMENS（西門子公司）在新開發(fā)的列車車體側(cè)部使用了碳纖維復合材料。

　　④ Voith故障列車牽引操作過渡車鉤采用碳纖維增強復合材料，總質(zhì)量約23kg，比鋼鐵過渡車鉤減重50%（結(jié)構(gòu)緊湊），單人可進行攜帶安裝操作。

　　我國中車青島四方機車車輛股份有限公司首次在高速列車中應(yīng)用CFRP大型結(jié)構(gòu)件（2015年6月出廠），設(shè)備艙減重35%（相對于鋁合金結(jié)構(gòu)），各項指標滿足時速350km運營要求，可承受振動、地面效應(yīng)、風沙沖擊、高溫、高濕和風雪侵蝕，已在大西線進行350km試驗考核和長期跟蹤，狀態(tài)良好，其主要結(jié)構(gòu)件包括：

　　①彎梁（箱型梁結(jié)構(gòu)）：設(shè)備艙主承載結(jié)構(gòu)件（斷面矩形），采用CFRP預(yù)浸料交叉鋪覆設(shè)計和袋壓成型工藝制造，樣品成品率較高，相應(yīng)降低制造成本。

　　②橫梁（工字梁結(jié)構(gòu)）：設(shè)備艙的主承載結(jié)構(gòu)件，選用T300級CFRP，采用真空導入技術(shù)成型，主要組裝方式為膠接和鉚接。

　　根據(jù)《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，我國將加強新材料產(chǎn)業(yè)上下游協(xié)作配套，在碳纖維復合材料等領(lǐng)域開展協(xié)同應(yīng)用試點示范，搭建協(xié)同應(yīng)用平臺。

　　根據(jù)工業(yè)和信息化部發(fā)布的《石化和化學工業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》，我國將重點發(fā)展高強和高模碳纖維，加快開發(fā)碳纖維增強尼龍復合材料（≥200℃）等耐高溫高強度工程塑料，重點突破高強碳纖維的低成本、連續(xù)穩(wěn)定、規(guī)模化生產(chǎn)技術(shù)，加快高強中模、高強高模級碳纖維產(chǎn)業(yè)化突破，加快高強碳纖維穩(wěn)定工業(yè)化生產(chǎn)等技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和推廣應(yīng)用。

　　3.中空夾芯復合材料

　　纖維增強樹脂基復合材料由基體和增強材料構(gòu)成，具有較明顯的材料界面，宏觀上呈現(xiàn)各向異性和非均質(zhì)性，特別是層剪性能遠低于層內(nèi)性能等。中空夾芯復合材料是面板（高強度、高模量材料）、芯子（蜂窩、泡沫等輕質(zhì)材料）和連接膠層組成的輕質(zhì)多功能結(jié)構(gòu)材料，面層材料和芯層材料整體連接成型，面壓縮和沖擊性能優(yōu)異，具有較好的隔音、隔熱和耐疲勞等性能，顯著彌補傳統(tǒng)蜂窩、泡沫芯材等夾芯復合材料易分層、耐沖擊性能差的缺點，其優(yōu)異特性如表9所示。

　　方面具有突出優(yōu)勢，已應(yīng)用于軌道交通的車門、內(nèi)裝飾板和整流罩等部件。例如：

　　① 英國Intercity125駕駛室外蒙皮整體成型和內(nèi)蒙皮3件拼合，中空芯材采用聚氨酯泡沫，司機室整體總量較傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)減重30%～35%，可耐時速的300km的0.9kg鋼塊的沖擊。

　　②意大利高速列車ETR500采用高比剛度復合材料夾層板（2層Tedlar聚氟乙烯塑料薄層，中間層為Nomex蜂窩芯材）制造內(nèi)部結(jié)構(gòu)邊墻、天花板和行李艙。

　　③瑞典斯德哥爾摩地鐵列車的側(cè)墻、地板和頂蓋均為不銹鋼夾聚甲基丙烯酰亞胺（PMI）泡沫芯結(jié)構(gòu)。其中，側(cè)墻總厚度減少120mm，增加車體內(nèi)部空間。

　　④玻璃纖維夾層復合材料內(nèi)外蒙皮采用玻纖增強不飽和聚酯樹脂，芯材為阻燃低密度泡沫，經(jīng)常溫真空袋技術(shù)壓制成型，均勻傳遞荷載（有利于沖擊荷載的擴散），多用于替代傳統(tǒng)的玻璃鋼材料，同結(jié)構(gòu)減重30%。

　　根據(jù)工業(yè)和信息化部發(fā)布的《石化和化學工業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》，我國將重點加快樹脂基復合材料設(shè)計制造技術(shù)。

　　四、結(jié)語

　　隨著現(xiàn)代材料技術(shù)和生產(chǎn)工藝的發(fā)展，軌道車輛車體的可選材料將日益增多，應(yīng)根據(jù)具體用途和應(yīng)用環(huán)境考量耐候鋼、低合金高強度鋼、不銹鋼、鋁合金和碳纖維等材料的綜合性能指標，在滿足輕量化、安全性和環(huán)保性的基礎(chǔ)上，最大限度的滿足市場對軌道交通舒適性和美觀性的日益增長的需求。

　　未來5~10年，軌道車輛車體材料的發(fā)展方向主要包括4個方面：

　　①材料：以高強、超高高強度鋼、鋁鎂合金和碳纖維等為主的復合材料。

　　②制造：采用激光拼焊技術(shù)、變厚度軋制技術(shù)和型材設(shè)計。

　　③部件：軌道車輛車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化、力分布均衡化、加強筋設(shè)計。

　　④結(jié)構(gòu)：改變以材料強度為基本依據(jù)的設(shè)計理念，整車結(jié)構(gòu)集成優(yōu)化設(shè)計綜合反映材料性能、加工工藝和組織結(jié)構(gòu)等因素，不同材料性能對應(yīng)不同構(gòu)件功能要求和標準。