玻璃鋼及其纖維復合材料在國外軌道車輛上的廣泛采用 zund XL-1200-醫療器材台中雷射雕刻－懷凱翔焦點新聞熱搜

現在大部分軌道車輛廣泛采用復合材料，與以往全金屬車輛相比，用于軌道交通的玻璃纖維復合材料的比重為1:4，約為鋁的一半（2.7），不到低碳鋼的1/5。軌道交通采用復合材料的優勢在于其具有高剛度、高強度，優異的抗疲勞、抗沖擊和耐腐蝕性能。而且，可以成型出美觀的外形，進行中等批量生產。在生產形狀復雜的產品時，與金屬材料相比，可以減少部件數量，降低成本。軌道交通和航空運輸有很多共同之處，要快速移動，運送旅客，在長期、苛刻的使用壽命中會產生動態、靜態應力和材料疲勞損傷。火災對于二者來說都是非常危險的因素，因此在產品設計時應考慮阻燃因素，將這種風險降至低，并確保具有足夠的耐撞擊強度，舒適度和外觀。此外，不斷增加的燃油成本也是選用復合材料的重要原因。因此，運營商非常歡迎復合材料，因為他們能夠清楚看到重量的降低給節約運營成本帶來的利潤；而且還可以使基礎設施變輕，并減少磨損。
　　復合材料的多變性允許設計人員為每一特定應用進行材料優化。材料一致性通過采用片狀模塑料（SMC）和預浸料來解決，這些材料的生產過程可以嚴格控制。目前，采用閉模成型有利于產品質量控制，但很多復合材料成型還需依賴手工濕法積層。另一個問題是材料連接，以及檢測復合材料終粘合強度的性能。鐵路行業是通過材料復合的形式來解決粘合或連接問題，與航空航天一樣廣泛采用。鐵路系統屬于國有企業，直至今日，每個都制定了各自的FST法規、抗撞擊性和其他性能要求法規。面對國內和海外市場的不同情況，近，通過各方的努力，一些國際標準已經出臺，如EN45545，該標準目前已生效。如今玻璃纖維增強復合材料應用于軌道交通領域的技術和制品不斷完善，走向成熟。用于車輛內飾件的有側板、飾件、椅子、桌子、窗框、天花板、門廊、衛生間和樓梯。這些可以使列車減輕重量，保持良好的性能，并帶來經濟效益。軌道交通車輛重量每減輕10%，能耗便可以降低7%，每年每輛車可以節省10萬美元。近年，纖維增強復合材料在列車上應用已由內飾件向其他應用方面進行開發。在近期進行的一項研究中，用復合材料扶手取代金屬扶手非常普遍。金屬扶手會給列車增加半噸重量。由Exel復合材料公司生產的碳纖維復合材料扶手比不銹鋼扶手輕了57%，通過采用拉擠—纏繞工藝，其價格低于不銹鋼扶手（突出部件若實現批量生產的話，其成本也不會太高）。 Umeco推出模壓預浸采用預浸料在陽模上真空灌注成型并用熱壓釜固化生產制品。產品的機械性能和FST性能良好，并且減輕了產品重量，生產的960件靠背用在高鐵運營的英國龐巴迪電子之星30列車上。事實證明，成本可以接受。
　　火災風險是另一個十分關注因素。為了確保燃燒、煙密度和毒性（FST）符合法規要求，需要在通用聚酯、環氧等樹脂中添加阻燃化合物，或者采用其他種類樹脂，如酚醛樹脂或丙烯酸樹脂，法規要求樹脂中使用的添加劑要非鹵素類的。一款用2mm厚的玻璃纖維/酚醛預浸料替代傳統的聚酯SMC生產的靠背，重量降低了40%。一旦解決了產品的表面質量問題，產品的成本將非常具有競爭力。英國Ipeco復合材料公司的酚醛由于能夠滿足FST方面的嚴格要求而在內飾件上非常受歡迎。深圳一家公司采用LightRIM和Scott Bader公司的Crestapol1 212樹脂，添加170phr氫氧化鋁阻燃填料，生產了列車內飾件。固瑞特公司酚醛預浸料可以滿足FST方面的要求，而在車輛內飾件中非常受歡迎，為歐洲和的高速列車和地鐵提供了酚醛樹脂預浸料。Scott Bader公司成功開發出了在軌道交通領域應用的阻燃級聚氨酯丙烯酸酯，一些西班牙和的車輛制造商采用了他們的Crestapol樹脂代替酚醛，通過添加氫氧化鋁填料達到阻燃性能要求，可以進行模壓和拉擠生產，不僅安全、無害，且具備車間生產效率，達到所需的機械性能和阻燃要求。Scott Bader公司還介紹了一些無鹵素的手糊和噴射用膠衣和面漆，滿足層板FST要求。運營在地面下的地鐵列車對防火和安全上的要求更加嚴格，英國Permail Gloucester公司提供Permaglass MFM一種裝飾性層壓板，做地鐵列車內裝飾內襯，包括倫敦地鐵車廂。另外一種Permaglass MFR材料具備隔熱、無鹵素阻燃特性，可以在許多電器閉合件的應用上取代石棉制品。
　　為了降低運營成本，隨著重量進一步減輕，傳統的單片層板將會逐漸被預浸料和蜂窩或泡沫制成的更輕的夾芯結構取代。這種制品在生產中不需要采用熱壓釜便可以快速成型，表面質量非常高。夾芯復合材料同時具有輕質、高剛性和彎曲強度特性。專為列車開發的材料包括結構芯材Di-vinycell P，由瑞典DIAB公司提供。這種可以回收的熱塑性夾芯結構可滿足歐盟FST規定，可以與常用的酚醛體系兼容，并可以用傳統的手工的真空袋法成型；還可以采用更加先進的工藝，比如灌注和樹脂傳遞成型（RTM）；可以與多種中溫固化預浸料一起使用；還可以用加熱或拉擠工藝成型。采用夾芯的優點包括：良好的機械性能和抗疲勞性能，低吸水率、良好的隔音和隔熱性能，耐化學性且具備環保優勢——可以回收。目前可供應于面板或用于建筑件的Divinycell P有不同的厚度，密度范圍為60~150g/cm?，內飾件包括車廂地板。還有一種夾芯部件來自瑞士Airex復合材料系統（ACS）公司——COMFLOOR地板系列夾芯板，內含隔熱泡沫芯材和為車廂加熱的一體式表面加熱單元。
　　目前，車頭越來越多地采用夾芯技術，以前都是采用整體層壓板。芯材專家DIAB公司承接了澳大利亞新南威爾士州華特爾雙層列車的駕駛室的制作。ACS（AIREX）公司提供給上海磁懸浮列車的駕駛室，是上大的單件纖維增強車頭，ACS實現了所需的機械、熱學和聲學特性。并且這種新型駕駛艙具有低重量，良好的抗貫通性和阻燃性，是通過將蒙皮和芯材結合，加上型材和局部加強件的使用來實現的；預組裝模塊提供了很高的功能集成度，而較小的制造公差便于后續組裝。芬蘭Fibrecom Oy公司改變了夾芯形式，利用蜂窩和泡沫芯材開發了一種通道式復合材料技術。從本質上講，面板蒙皮與夾芯之間有連續通道，而不是分隔的獨立單元。這些三維通道可以填充各種材料以實現阻燃、隔熱、隔音和其他性能，或用于電纜或通風管道等。這種芯材結構，具有很高的吸能作用，可以用于提高列車的防撞性。該結構適合于從手糊到樹脂傳遞模塑的所有生產方法。帶有通道的復合結構有時可用作保護罩，特別是PendolinoSm3列車上的下包圍。這種易于安裝和拆卸的保護罩具有抗壓、抗震和防火性能。這種材料還可以用作ICS雙層列車的尾部面罩及DV—2車型的車門，也可以用在一些列車的天花板和內裝飾框上。
　　在軌道交通中，列車流線型前端已經成為一種設計，這是出于空氣動力學和減重方面的考慮。在車速超過200mph時，空氣阻力會大幅上升，對列車前進產生非常大的阻力。流線型前端流暢的曲線和光滑的表面——這些都是復合材料成型件的特性，可以有效地降低產生的阻力。這種駕駛室是高度一體化的，很少采用金屬材料，連接縫非常少，在批量生產下，其生產成本比金屬成本低。歐洲、美國等發達目前生產的列車都已經采用復合材料前端。幾年前，Kineco公司將印度前端駕駛室應用到一輛柴油電動多單元列車上，控制臺和內飾板由一整塊玻纖復合材料組成，采用了樹脂灌注，真空袋工藝以確保產品的力學性能。在首批駕駛室經過實際運營且獲得滿意結果的基礎上，印度鐵路系統決定將這種外觀時尚的、更加舒適的且具有良好空氣動力學性能的復合材料前端應用于其他列車上。復合材料通過改進其空氣動力學外形，降低了阻力，并且耐腐蝕，維護需求減少。大型復合材料部件易于成型，產品充分一體化，并滿足了美觀方面的要求，這種新潮的列車正日益普及。在歐洲，Compin集團旗下Front Ends & Composites 公司已經將復合材料前端安裝在列車上，其中包括阿爾斯通的LRV Citidas 列車，其前端是樹脂灌注成型的，已將類似的車頭出口到。Compin的這種preequipped“即插即用式”的前端可以簡單地連接到車輛上。
　　在歐美亞地區，復合材料用作車身殼體和車頂，也正在開始。韓國Hanvit 200特快列車用擁有一個23m長的車身殼體，也是輛采用碳纖維復合材料殼體的列車，其重量較鋁制體減輕了40%。復合材料車身在組裝時安裝到鋼制車架上，使整個車身成為混合結構。龐巴迪公司生產了一種輕質混合結構的Talent列車，將復合材料車身安裝在鋼制車架上。阿爾斯通公司的“O”型列車在加拿大部分地區和其他替代了Talent列車，采用了復合材料車身殼體。ACS公司開始涉足復合材料車身殼體，生產一種彎曲的輕質夾芯車板，表面采用一種新型保護層替代油漆；還生產一體式高度模塊化車頂，不再需要其他框架。20m長的車頂產量正在不斷增加。
　　另有跡象表明，復合材料在“重型金屬”驅動器和齒輪方面的應用取得了一些進展。印度軌道交通部門已經在柴油和電力機車上為終傳動齒輪選用了復合材料齒輪箱。每個機車上有六個傳動軸，每個軸的傳動齒輪都需要一個齒輪箱。通常它們是用低碳鋼焊接而成的，每個重約126kg。由于金屬齒輪箱比較重，拆除和維護都非常困難，而且因為振動或來自軌道的沖擊很容易出現移位。此外金屬很容易發生腐蝕，如果焊接部分出現泄露，還會導致昂貴的潤滑油從焊縫漏出。印度交通部門在隨后幾年進行了試運行，每輛車上的復合材料部件使齒輪箱重量減輕了逾400kg（大約減重50%），并且由于復合材料的特性而變得非常耐用，且整體性好，邊角圓滑。據當地報道，產品質量一致性很高；裝配時間大幅減少；只需兩個工人，無需其他輔助配件；尺寸非常穩定，幾乎不漏油。作為復合材料齒輪箱商業化的標志，單單印度軌道交通部門運營的機車就有數千臺。由于鋼制齒輪箱使用壽命有限，因此，除了新生產的車輛，還有大批在用車輛需要改造。印度軌道交通部門還開發了一些外裝部件和半隱蔽性部件，如車輛下面的高壓水箱，通道連接門、電池箱以及類似汽車行業的一些機械部分的蓋子，如燃料注射泵、冷卻風扇等。隨著燃料價格持續上漲，在軌道交通車輛設計上會著重考慮減輕重量。這對復合材料來說非常有利，它的綜合性能非常有競爭力，這一切終都要落到減重和成本上。
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