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发表于 2020-4-9 09:08:30 | 显示全部楼层 |阅读模式

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碳纤维在转向架部件中的应用研究

谢金路
中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东 青岛 266111
【中国汽车材料网】摘 要 复合材料以其传统材料不具备的优势最先出现在航空航天等领域,随着轨道行业的快速发展,动车组列车运行速度也在逐渐攀升。本文针对复合材料中碳纤维的特殊性能,分析并提出了碳纤维材料在转向架部件中的应用,为转向架材料革新提供参考。
关键词 复合材料;转向架部件;碳纤维;应用研究

近些年随着高速列车行业的发展,列车运行速度逐年攀升。转向架作为列车运行的重要组成部分,总体质量一直居高不下。纤维复合材料作为新兴的材料具有传统金属材料不具备的特殊性,纤维复合材料强度高、高周次疲劳强度、裂纹扩散速率低、耐腐蚀、质量较金属材料轻等多项优势,在航空航天领域已得到越来越广泛的应用。本文针对复合材料中的碳纤维材料进行分析,讨论碳纤维材料在转向架部件中的应用[1]。


1 碳纤维材料

碳纤维是由有机纤维经碳化和石墨化处理而得到的微晶石墨材料,含碳量高于 90%,具有轻质、高强、耐高温、耐疲劳、抗腐蚀、导热和导电等特性,是一种力学性能优异的新材料,已广泛应用与航空航天领域。


2 碳纤维应用现状分析

碳纤维转向架由于构成材质的差异性,与传统金属转向架存在较大的工艺加工差异。碳纤维构架通常采用一体成型技术,零部件连接方式多采用粘接或者铆钉连接[2]。

日本川崎公司利用碳纤维材料作为转向架的构架,同时替代了传统的钢弹簧,起到悬挂功能,整个转向架减重较传统转向架减重40%~50%,减重效果显著,转向架形式如图1所示。

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图1 川崎碳纤维转向架

英国ELG公司生产的转向架利用碳纤维作为构架端梁,采用了工型结构+箱型结构+胶结/螺栓连接的结构,有效减轻了转向架的重量,转向架如图2所示。

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图2 英国ELG公司碳纤维构架

3 转向架各部件碳纤维的应用
3.1 构架

现运行的传统轨道车辆构架主要以碳钢为主。构架作为转向架的骨架,搭载各部件的安装接口,起到传递各方向力的作用。传统金属材质的构架多采用焊接而成,屈服强度高、疲劳性能好。采用碳纤维材料作为构架的主材,需要碳纤维材料满足构架尺寸结构的情况下一体成型,同时也可以利用碳纤维的阻尼特性,代替一系簧使用。一体成型的构架较焊接而成的构架质量稳定性更高,且碳纤维质量远远小于金属材质,同等要求的碳纤维构架能够充分有效地起到减重的作用[3]。


3.2 车轮

车轮作为列车与轨道直接接触的零部件,起到传递轮轨之间垂向力、横向力,为车辆运行提供粘着等作用,存在着超高周疲劳、极端冲击载荷、低噪声、高磨损及高热等特点,因此车轮对材料的要求较高。碳纤维复合材料的强度高、阻尼特性好、密度小等优点可以在车轮设计中得到充分的应用。但由于碳纤维复合材料的抗冲击性能和磨耗性能尚待提高,轮轨匹配关系也未得到充分验证,碳纤维作为车轮的主要材料仍有一端很长的路要走。


3.3 车轴

车轴是连接车轮的承力零部件,在列车运行过程中需要承受较大的弯矩和力矩,因此车轴材料需具有较高的刚度,以避免其变形量过大。碳纤维弹性模量较小,不能满足其使用要求,若能够有效提高碳纤维复合材料的刚度,可优先选为新型车轴的设计材料。


3.4 轴箱体

轴箱体是将列车车轮转动转化为列车平动最为重要的零部件,承载整个车辆的载重。目前轴箱体多为一体成型结构,起到传递轮对与构架之间力的作用,常见的材料为铸铁或者铝合金材质,尚未选用碳纤维作为材料使用。由于碳纤维的优良特性,建议考虑碳纤维轴箱体的设计。


3.5 齿轮箱

齿轮箱的设计不止需要满足强度要求,也要满足耐油、耐磨的要求。目前齿轮箱的设计已经应用了铝合金材料,将来碳纤维复合材料也可以应用于齿轮箱的设计当中,但是需要解决目前碳纤维复合材料在连接方面存在的困难[4]。


4 结束语

复合材料家具有传统金属材料不具有的轻量,耐腐蚀等多项优良特性。本文基于目前碳纤维复合材料的应用情况进行分析,介绍了目前存在的几类碳纤维转向架结构,并针对转向架重要零部件进行讨论,阐述了构架、车轮、车轴、齿轮箱、轴箱体等零部件的应用情况。




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