复合材料在铁路车辆上的应用现状和发展趋势

发布时间:   来源:文档文库   
字号:



.................................................................IABSTRACT..............................................错误!未定义书签。1.........................................................11.1复合材料的在世界铁路车辆上的应用..................................11.2复合材料的优势....................................................21.3铁路车辆复合材料主要种类..........................................32复合材料在铁路车辆上的应用......................................52.1使用复合材料制造铁路车辆车体......................................52.2使用复合材料模制机头.............................................62.3使用复合材料制造车体内装及设备...................................62.3.1车门.........................................................62.3.2车窗及窗玻璃.................................................62.3.3座椅.........................................................72.3.4客车墙板、顶板、地板.........................................72.3.5其他设备.....................................................82.4复合材料制作转向架...............................................82.5复合材料制作闸瓦.................................................82.6复合材料制作受电弓滑板...........................................82.7复合材料制造齿轮箱...............................................93复合材料在铁路车辆上发展趋势...................................103.1复合材料应用于铁路车辆所面临的问题..............................103.2复合材料在铁路车辆上应用发展方向................................10..............................................................12................................................................13


参考文献..............................................错误!未定义书签。

(论文)I

本文介绍了国内外复合材料在铁道车辆上应用情况。从非承力件到大型结构件均有成功应用,对于提高交通车辆的速度、运载效率和舒适安全性发挥了重要作用,分说明复合材料在铁道车辆上的应用的广阔前景。
关键词:复合材料应用
前景

(论文)1
1
复合材料是指由两种或两种以上不同性质的材料,通过物理或化学的方法,在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短,产生协同效应,使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、金属丝和硬质细粒等。
1.1复合材料的在世界铁路车辆上的应用
目前全世界复合材料的年产量已达550多万吨,年产值达1300亿美元以上,若将欧、美的军事航空航天的高价值产品计入,其产值将更为惊人。从全球范围看,世界复合材料的生产主要集中在欧美和东亚地区。近几年欧美复合材料产需均持续增长,而亚洲的日本则因经济不景气,发展较为缓慢,但中国尤其是中国内地的市场发展迅速。据世界主要复合材料生产商PPG公司统计,2000年欧洲的复合材料全球占有率约为32%,年产量约200万吨。
而从应用上看,国外有人称复合材料为二十一世纪的材料,就很形象地体现了复合材料的重要性。目前,复合材料已在各领域得到广泛应用,特别在航天、航空、交通运输、基础建设中更是发挥了巨大的作用,成为这些领域产品性能提高和升级换代的关键材料。
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,是一种理想的结构件。复合材料产品制造多数是成型件,制造出的产品,不需进行机械加工,生产效率高,制造成本低。复合材料在轨道交通车辆中广泛应用,对减轻车厢重量,降低噪、振动,提高安全性、舒适性,减少维修等均有重要作用。

(论文)2
1.2复合材料的优势
与传统的单一材料相比,复合材料具有一系列优异性能。1.良好的比强度和比模量:
1.1复合材料与金属材料力学性能对比

g/cm3
碳纤维/环氧芳纶/环氧硼纤维/环氧玻璃钢石墨纤维铝合金钛合金
1.61.42.12.02.27.82.84.5
1.81.51.61.50.81.40.51.2
11.310.77.67.53.61.81.72.2
128802204023121077110
8.05.710.52.510.52.72.82.4
76200

GPa
×

×

107mmGPa109mmg.cm/cm2

1.1中对复合材料和金属材料的力学性能进行了对比,可见,复合材料比常用的轨道交通车辆材料——金属材料的比强度、比模量要高出1-5倍。2.良好的耐疲劳性能:
金属材料疲劳强度只有其静态拉伸强度的30%~50%,而复合材料,特别是纤维增强复合材料,其疲劳强度是静态拉伸强度的70%~80%,甚至更高。并且由于复合材料对扩展裂纹的敏感度很低,即使出现损伤,应力也会被转移到邻近层,也不致很快出现早期破坏。因此可以用于铁路车辆的结构件,应用于高应力领域。3.良好的减震抗撞击性能:
高的比模量使其具有良好的阻尼减震性能和较好的抗撞击能力。4.良好的耐腐蚀性能:
复合材料,特别是聚合物复合材料,具有非常好的耐腐蚀性能,能在许多通常的金属都会发生氧化和腐蚀的环境中使用。5.良好的轻便性:

(论文)3
复合材料由于密度小,制成的部件质量可比相同的金属部件大大减轻,如用碳纤维与玻璃纤维混合制成的复合材料片弹簧,与相同的钢片弹簧相比,其质量仅为后者的五分之一。6.良好的阻燃性能:
复合材料具有优良的阻燃性能。例如酚醛树脂因其阻燃性能极其出色,在伦敦地铁火灾发生后,酚醛制品是唯一获得伦敦地铁和海峡隧道公司批准使用的复合材料。7.良好的性能可设计性:
复合材料具有各向异性特征,包括力学性能和电、磁、声、光、热性能,因此具有可设计性,可以根据实际的使用需要来设计材料的性能,制备出传统单一材料所不具备的性能。
8.材料与构件或器件的一致性:
复合材料与其构件可以利用固化、胶接等工艺,达到一次同时成型,这一特点使部件中的零件数目明显减少,避免了过多的连接件,简化了制造安装工序。9.低成本:
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,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:
由于开发了新工艺,提高了复合材料制造的自动化、机械化水平,从而大大降低
了复合材料制造成本。
1.3铁路车辆复合材料主要种类
铁路车辆常用复合材料主要包括以下几大类:
1.热塑性树脂及其增强塑料:如聚氯乙烯、ABS类树脂、尼龙、聚碳酸酯、聚甲醛等;
2.高性能合成材料:如芳族聚酰胺纤维、碳纤维、硼纤维等;3.热固性树脂及其增强塑料:如酚醛树脂、环氧树脂、聚氨酯等;4.耐高温聚合物:如聚酰亚胺等;
5.泡沫塑料:如聚氨酯、聚氯乙烯、聚乙烯醇缩甲醛等;6.PPR(玻璃钢)

(论文)47.CFRP(碳纤维加强塑料)

(论文)5
2复合材料在铁路车辆上的应用
2.1使用复合材料制造铁路车辆车体
目前,高速车辆的车体材料主要有不锈钢、高强度耐候钢和铝合金。近年来,特别是进入20世纪90年代,与车体等长的多品种大型中空挤压型材的出现,使铝合金成为生产高速列车的主导材料。铝合金车体的优势主要有:制造工艺简单,节省加工费用;减重效果好;有良好的运行品质;耐腐蚀,可降低维修费。
为了进一步减轻重量,改善隔声性能,以及便于设计、制造,国外已开始尝试使用复合材料制造车体。欧洲和日本率先尝试使用纤维增强塑料夹层结构代替金属制造车体。纤维增强塑料具有质轻,强度高,疲劳强度高、裂纹扩展速率低,较好的结构阻尼性、隔热和耐蚀性能等优点。瑞士辛德勒公司采用丝缠绕技术成功地制造出玻璃纤维增强塑料(FRP整体客车车厢,这种全FRP车厢被编在两节标准电车厢之间运行,在苏黎世、巴塞尔和赫尔辛基成功地进行了各种运行试验,运行速度达70kmh驶总里程超过4万公里。继之辛德勒公司又与SIG公司合作,成功进行了行驶速度达140kmh的运行试验。
法国国营铁路公司﹙SNCF﹚则采用碳和玻璃纤维强化环氧树脂包裹发泡蜂窝材料,制造双层挂车,并进行了线路运行试验,取得了令人满意的试验结果。而韩国铁路研究所(KRRI)另辟蹊径,开发了一种新型混合复合材料车体:包括由蜂巢夹层结构制造的车身外壳,并且外壳是基于铝和织物纤维碳/环氧树脂制造而成,内部增强架构是由钢铁和由不锈钢制造的底架组合而成。据测试,车速可达到200公里/小时。
从各国的试验情况来看,使用复合材料制造铁路车辆的车体成效是明显的:它比铝制或钢制车体的强度大,减重效果明显(一般在20%-30%之间),并且复合材料车体在振动性能、透声性能和绝热性能等方面也全面优于金属材料车体。

(论文)6
2.2使用复合材料模制机头
现代列车为了适应高速行驶中空气动力学的要求和人们的审美需要,使得车头设计为呈流线型,三维外形结构异常复杂。用金属制造难度大、费用高,而复合材料质量轻,耐冲击性能好的优点在车头制造上得以充分展现。
1977年正式投入运营的英国InterCity125型机车前部外壳是最早采用复合材料制造的,它是由层压玻璃钢板包夹聚氨酯泡沫芯材制成的。预先采取措施将供空调及电气线路输送管道的安装空间留下,使整体布置十分合理。这种复合材料机头外壳比钢制品强度大,质量轻约3035%,耐冲击强度很高,用一个0.9kg的方形钢块以350kmh的速度撞击也不会穿透。
最近报道的意大利ETR500型高速列车,采用了一种新型复合材料(Kevlar芳香族聚酰胺纤维/环氧树脂)通过模压制成了一个完全符合空气动力学结构的鼻形车头,满足了列车300kmh运行速度的要求,经长时间测试,证明具有优异的抗冲击能力和很好的尺寸稳定性。
2.3使用复合材料制造车体内装及设备
2.3.1车门
国外客车车门主要采用玻璃钢制作。如英国XP64型客车、MK111型客车均安装了聚酯玻璃钢门;法国的Mistra客车采用玻璃钢夹层模制整体车门;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。
2.3.2车窗及窗玻璃
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,国外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15mmPC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540kmh速度撞击车窗也不会击碎。

(论文)7
PC板材质量仅相当于同等厚度玻璃质量的112115。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它物质,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下长期使用。
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。
2.3.3座椅
过去的座椅采用钢制骨架,一个双人座椅的总质量在50kg以上,一辆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、MK11MK111型客车,法国珊瑚号车,日本部分客车和300系地铁车等均使用玻璃钢座椅。
2.3.4客车墙板、顶板、地板
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。大部分玻璃钢制品是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,已成功地研制了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。

(论文)82.3.5其他设备
厕所、洗手间、集便厢、卧铺、行李架、空调、风道等一些极易腐蚀的部件,一般均采用玻璃钢制造。
2.4复合材料制作转向架
转向架是支承车体的重要部件,转向架的构架是特别重要的高强度部件,关系到整个车辆的安全性。转向架必须满足安全、运行舒适度以及耐磨损、易检修等要求。从不断改善环境方面考虑,它们还要符合低能源消耗、减少质量和提高声学性能的要求。
复合材料转向架与标准的转向架相比,质量大大减轻,零件数减少,运行性能提(主要指舒适度和受力程度,减少声扩散和降低检修成本。
德国DainlerBenz集团的两家企业AEGMBB与德国联邦铁路(DB紧密合作,开发了世界上第一个纤维复合材料的转向架构架。复合材料转向架通过了静态模拟实验、耐久试验、运行试验以及“商业检验”,在运营了100多万km后检测未发现任何损坏、磨损或撕裂,体现了良好的发展前景。
2.5复合材料制作闸瓦
国外铁路车辆普遍采用合成闸瓦。合成闸瓦的主要成分为铁、氧化铁、二氧化硅、氧化铝、氧化镁、氧化锌、硫酸钡等无机填料,用丁醛(丁二烯)/苯乙烯弹性粘合剂压制而成,这种闸瓦可用于160kmh的列车。日本新干线列车速度达270kmh电动车制动盘则采用碳纤维增强塑料。正在研制开发的复合材料制动盘还有铝合金/陶瓷颗粒及碳/碳纤维复合材料。合成闸瓦与传统铁制闸瓦相比具有质量轻、行走里程长、噪声低的优点。
2.6复合材料制作受电弓滑板
受电弓滑板材料方面,受电弓滑板是机车供电系统中的重要集电元件,它的使用必须经济安全,既对接触网导线磨耗小,自身有足够的使用寿命,又不影响弓网关系。目前国内外研究的浸金属碳滑板已步入了实用化的阶段,与此同时,还应加强碳纤维

(论文)9
一金属复合材料滑板的研究,这种滑板在集电、润滑、抗撞击性能方面都会超过现有的金属滑板、碳滑板、浸金属碳滑板和粉末冶金滑板,其应用前景十分广阔。
2.7复合材料制造齿轮箱
使用复合材料制造铁路的齿轮箱还处于研发试制阶段,M/sPermaliWallaceLtd公司正在研发一款FRP(玻璃钢)以代替目前的钢质齿轮箱。项目的主要研发目标,就是改进齿轮箱各项设计性能,通过采用最为实用、高性能的树脂产品,大大降低产品生产成本。该产品预计使用寿命可以达到6年,而传统的钢制齿轮箱只能使用2~3年的时间内。并且前者具有更优异的生命周期成本。目前,这款FRP齿轮箱原型产品正在接受各项测试工作,据试验表明,除了上述优点,该产品还能够有效的防止润滑油泄漏和防止碎石道碴的影响。而且它生产工序简便,在使用过程中几乎无需任何维修工程而导致的停工时间,更重要的一点,它比同类传统材料产品节省了372公斤的重量。


(论文)10
3复合材料在铁路车辆上发展趋势
3.1复合材料应用于铁路车辆所面临的问题
虽然复合材料在铁路车辆制造应用领域已得到大量应用,但还所面临不少问题,主要有这几方面:
1.高端复合材料的制造成本较高,制约了在铁路车辆的大量应用。2.铁路车辆大型构建的整体一次成形技术有待进一步提高。
3.复合材料的阻燃技术技术水平不高,特别是中国国内研究较晚,关键材料和应用水平落后于国外近20年水平。
4.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。
3.2复合材料在铁路车辆上应用发展方向
复合材料的大量应用是铁路车辆技术和复合材料技术发展的必然,其趋势可以归纳为:
1.复合材料应用由非承力件向主承力件发展;
复合材料最初用于制造列车的装饰板、格栅、铭牌等一些装饰件,后来用于制造列车的车门、洗手间、座椅等一些总成件,目前,一些技术领先的国家已经将复合材料用于制造转向架、车体、闸瓦、齿轮箱等一些主承力件和关键部件,虽然还处在试制或试运行阶段,但随着技术的进步及经验的积累,铁路车辆上大量使用复合材料制造主承力件和关键部件必将成为现实。
2.结构复合材料应用向结构、功能复合材料同时应用发展。
复合材料按用途主要可分为结构复合材料和功能复合材料两大类。结构复合材料主要作为承力结构使用的材料,由能承受载荷的增强体组元(如玻璃、陶瓷、碳素、高聚物、金属、天然纤维、织物、晶须、片材和颗粒等)与能联结增强体成为整体材料同时又起传力作用的基体组元(如树脂、金属、陶瓷、玻璃、碳和水泥等)构成。功能复合材料是指除力学性能以外还提供其它物理、化学、生物等性能的复合材料。包括压电、导电、雷达隐身、永磁、光致变色、吸声、阻燃、生物自吸收等种类繁多

(论文)11
的复合材料,具有广阔的发展前途。相对而言,未来的功能复合材料比重将超过结构复合材料,成为复合材料发展的主流,目前,科技人员已成功研制出了耐高温复合材料、零膨胀复合材料、隔热复合材料等,这些功能复合材均能在铁路车辆领域获得应用。
3.制备高速列车聚合物复合材料构件的工艺,
由手糊成型为主向纤维缠绕成型、喷射成型、注射成型、拉挤成型、编织成型等多种方向发展,且将逐步产品系列化、型材化,从而大大提高了生产效率,产品质量也得到保证。
4.各种先进复合材料、复合结构,如蜂窝夹层结构、泡沫夹层结构、功能层合板等将成为铁路系统和铁路车辆的研究开发重点。


(论文)12

复合材料已逐渐成为铁路车辆的主要用材,并且随着客货运列车向高速化、重载化、舒适化、安全化方向的发展而起着越来越重要的作用。我国在铁路车辆领域同发达国家还有不小的差距,但复合材料的应用水平无疑是迅速缩短差矩的关键之一,此相关行业的工作者,应抓住契机,努力消化吸收先进技术,提高复合材料在铁路车辆上的应用水平,促进铁路事业的持续发展。
由于能力原因,论文还存在不少疏、漏、谬、误,敬请各位专家多加指导,予以批评指正,谢谢

(论文)13

通过这次毕业设计,论文作者大致了解了复合材料的基本知识,了解了复合材料在铁路车辆上的应用情况,基本掌握了复合材料在铁路车辆领域的发展趋势。在设计和论文写作的整个过程中,指导教师金雪岩在各方面都给予了热心的指导和帮助。师渊博的知识、科学严谨的治学风范给我们留下了深刻的印象,这将使我受益终身。
在校期间,得到网络教育学院领导、学习中心和辅导老师的关心指导,在此作者向他们表示衷心感谢,感谢他们给予的无私帮助。1

本文来源:https://www.2haoxitong.net/k/doc/251e776859eef8c75fbfb3f7.html

《复合材料在铁路车辆上的应用现状和发展趋势.doc》
将本文的Word文档下载到电脑,方便收藏和打印
推荐度:
点击下载文档

文档为doc格式