张涛 李延林 王泽飞
中车长春轨道客车股份有限公司 130062
摘要：复合材料作为人工制造的新型材料具有比其他单一金属更为优秀的物理特性和化学特点。其在稳定性、耐磨性、耐腐蚀性、耐疲劳性等多个方面都具有良好的表现，如果将其应用于轨道交通中，将拥有很大的市场。本文将从轨道交通转向架设计方向，结合复合材料的特性以及力学、材料学等多个角度，以及国内外在此方面的研究现状，对复合材料在轨道交通转向架中应用的可行性以及存在的相关问题进行分析，并提出相关建议。
关键词：复合材料；转向架；轨道交通
引言：转向架是轨道交通车辆中支撑车体并传递牵引力和制动力的核心部件，其相关性能直接影响到车辆的运行、动力和安全。如果想要提高轨道车辆性能，那么就要提升列车的牵引功率以及轻量化，因此对转向架的改造是研发的重要方向。新型复合材料可以有效满足轻量化的条件，所以将复合材料用于轨道交通转向架中是提升车辆轻量化的有效途径。
一．复合材料在转向架中的应用研究进展
在转向架发展过程中，最先采用复合材料进行制造的是德国。通过采用玻璃纤维复合材料，实现轻量化目标，减少车辆重量，提高车辆运能的同时，保证安全稳定性。但是由于成本价格问题，该项技术在当时没有得到大力发展。之后英国推出新一代玻璃纤维增强复合材料转向架，并经过了一系列的测试，确认该转向架的性能满足当前机械制造的稳定性和可靠性，是合格的转向架制造方案。
在亚洲，最先使用复合材料制造转向架的是日本，在2013年设计了碳纤维复合材料转向架，不仅减轻了重量，还增加了转向架的使用寿命。韩国设计研究了玻璃纤维增强复合材料转向架，增强了构架的耐疲劳性和安全性，降低了失效概率。
我国在北京大学得姚凯团队设计了应用于磁悬浮列车的转向架复合材料，有效减轻了车体重量，增强了转向架强度。复合材料在转向架上的应用至今已经有30余年，但是目前仍旧没有大规模的投入批量生产和使用，在验证过程中也是仅仅采用了仿真模拟或者实验室试验的方式，如果想要将复合材料在轨道交通转向架中大规模使用，还需要开展进一步的理论研究和大量试验。
二．转向架各部件使用复合材料的可行性
2.1构架
轨道交通转向架的构架一般是以碳钢结构为主，占转向架总体重量的25%左右，但由于要求耐疲劳性、耐腐蚀性等多种特性，同时又要满足易加工、便于安装等要求，导致对于材料的选择非常苛刻。对于一体化的构架可以选用碳纤维材料，其具有一定的阻尼特性，有效的代替一系簧，并保持其原有的耐久性和安全性。由此可见碳纤维复合材料在转向架构架中具有良好的应用前景。
2.2车轮
车轮占转向架总体重量大概40%左右，是转向架中占比最重的部分，将复合材料用于转向架的车轮中，可以有效减少车轮自重，解决原有的噪音大、不耐擦伤等问题。
德国曾研制出的新型车轮采用钢制轮箍、FRP轮心和钢制轮毂三部分组合的新型复合材料车轮，有效解决了原有车轮的问题，同时在减轻阻力、提升动能等方面都有所提升。
2.3车轴、轴箱体
车轴在转向架中重量占比大概在8%左右，但作为承力部件，对其强度、刚度、形变量都有较高的要求。通过采用纤维复合材料并对其进行进一步的加工改进以及试验，解决材料在使用中逐渐老化的问题。
轴箱体目前采用铝合金进行设计，以便于满足轻量化的要求，在未来可以考虑使用碳纤维材料进行代替，辅助板簧操作，减轻簧下重量。
2.4制动盘与闸片
对于轨道交通车辆来说，安全性是最为重要的需求。随着车辆速度的增加，对于制动盘和闸片所需的摩擦力也要增强，更要做到耐高温、耐磨损。通过对碳纤维复合材料、陶瓷增强铝基复合材料进行研究，发现将其用于制动盘的制作中，可以将其自重减少30%左右，并且可以有效提高性能。同时在复合材料上增加抗氧化处理，可以保证材料的稳定性，包括：不易湿、摩擦系数稳定等特性。
三．复合材料应用过程中存在的问题
我国相较于与其他国家，在复合材料应用于轨道交通车辆的研究方面起步稍晚，并且由于转向架自身结构复杂的特性，对复合材料应用造成了极大的困难。首先目前在轨道交通车辆的转向架上较少有复合材料使用的设计方案，并且少有人员在此领域进行研究，设计师对新型复合材料的了解不足，无法发挥材料的优点，同时新材料新结构的应用还可能会造成新的问题。其次转向架属于轨道交通车辆的核心部件，直接决定了车辆的安全性、稳定性和使用寿命，而新型复合材料的应用需要开展大量的尝试和试验，才能保证一定的成熟可靠。受限于没有明确的试验安全标准，所以目前对于新型复合材料在轨道交通转向架中的应用还需要继续进行研究。最后，由于转向架自身的复杂性，我国目前的技术水平很难使用复合材料对其进行一体化设计加工，而如果使用不同的复合材料进行焊接、拼装的话，在异种材料连接技术方面仍具有相当难度，需要进行关键技术攻关。。
结束语：
由于复合材料高强度、低重量的特点，其在轨道交通车辆转向架的应用中具有相当大的应用前景。但考虑到目前技术成熟度、成本优势等方面的原因，还不能大规模的生产并投入使用。所以只有不断提高复合材料的生产能力和制造水平，并在此领域进行深入研究，才能满足轨道交通车辆转向架的应用需求。同时也要建立适用于轨道交通行业的复合材料相关标准，才能够促进复合材料应用在轨道交通行业的可持续发展。
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