纤维增强聚合物结构在铁路工业中的应用新进展

纤维增强聚合物 (FRP) 复合材料及结构在各行各业的应用正在显著扩展，以满足对高效、可靠和功能性建筑材料日益增长的需求。由于 FRP 具有较高的强度重量比、可定制的机械性能以及合适的长期使用特性，使用 FRP 可以成为增强铁路结构和设备性能的绝佳策略。然而，与航空航天等其他运输行业相比，铁路行业似乎在采用复合材料方面犹豫不决。FRP 在铁路应用中充分发挥其潜力似乎还有很长的路要走。

1简介

复合材料具有比传统材料高强重比、优异的耐腐蚀性和更优异的疲劳性能，能够加速地面交通的发展。考虑到对安全、快速和高效的交通系统日益增长的需求，利用 FRP 复合结构可被视为改善轨道交通和满足这种日益增长的需求的有效解决方案。图1展示了 FRP 复合材料在铁路行业的应用。复合结构既可用于铁路车辆，也可用于基础设施。表1列出了在铁路领域使用 FRP 复合材料的诸多潜在优势以及此类 FRP 金属替代品仍面临的障碍 。由于制造工艺和材料的潜在进步，以及玻璃钢克服上述障碍的潜在优势，可以预期玻璃钢在铁路行业的应用将大幅增加。

图 1.FRP复合材料在铁路工业中的应用

表 1. 在铁路行业使用 FRP 复合材料的潜在优势和障碍

2 纤维增强塑料在铁路车辆上的应用

铁路行业将纤维增强复合材料（FRP）应用于包括转向架、轮对和车体等主要部件。这些部件的总重量和生命周期特性对铁路运输系统的经济和技术效率影响巨大。

2.1 纤维增强复合材料在车辆转向架上的应用

转向架是一种多部件结构，在铁路运输系统中用于多种用途。转向架支撑列车的重量并将其与轨道连接。此外，转向架提供悬挂系统以提高乘坐舒适度，控制轮对定位并调节车辆转向。根据用途不同，开发了各种类型的转向架，用于货车，客运列车或地铁车辆。转向架占车辆总重量的很大一部分（根据车辆类型和转向架等级为 30%–40%）。因此，转向架越轻，铁路系统的运输效率就越高。图2显示了传统类型的货运转向架及其部件的模型。

图2货运列车的 (A) 车厢和 (B) 转向架模型

先进的复合材料和结构不仅减轻转向架的总重量，而且还可以利用它们的高阻尼特性来降低系统噪音并提高乘客的舒适度。从 1983 年到现在，人们一直在努力利用 FRP 复合材料和结构为铁路行业提供更高效、功能更多、更具成本效益的转向架。通过使用 FRP，可以根据复杂的负载情况定制转向架的机械性能。图3显示了三种先前开发的 FRP 转向架模型。通过在转向架设计和制造中利用 FRP 复合材料，可以减轻 25% 至 60% 的转向架重量。

图3基于 FRP 的转向架：

（A）AEG/MBB 转向架（1988）

（B）KRRI 转向架（2010）

（C）Eurobogie（2012）

2.1.1 梅塞施密特-博尔科-布洛姆 (MBB) 玻璃钢转向架

FRP 复合材料转向架构架首次由MBB于20 世纪 80 年代设计和制造。项目参与者包括德国联邦铁路和德国铁路。他们采用了循序渐进的方法来降低开发转向架承重部件新材料所带来的风险。与类似的钢制转向架（用于 ICE V 列车）相比，据称总转向架重量显著减轻了25%。这样的重量减轻可以降低功率需求、能耗、磨损和噪音排放。他们在复合转向架设计中考虑了静态和动态参数，包括结构稳定性、导向行为、乘坐舒适度和抗脱轨性。制造的基于 FRP 的转向架构架如上图所示。

2.1.2 GFRP夹层转向架构架FRP转向架

自 2010 年以来，在韩国铁道研究院 (KRRI)的支持下，对 GFRP 夹层转向架构架进行了大量研究。复合材料侧梁由四个元素组成，包括复合材料蒙皮、弦杆、肋骨和泡沫芯。在 2011 年，他们使用玻璃纤维增强聚合物 (GFRP) 复合材料为地铁列车制造了整个复合材料转向架，并通过静态和疲劳试验评估了其结构安全性。全转向架组件中的复合材料转向架构架如图3B所示。

2.1.3 EUROBOGIE（生态转向架）

此种独特的复合材料转向架由两个 GFRP 构架和两个复合材料轴枕组成（图3C）。作为 EUROBOGIE 项目（2012 年）的一部分。开发此种转向架设计的主要思路是利用复合材料构架的可变刚度将一系和二系悬挂集成到转向架中。

2.1.4 efWING玻璃钢转向架

2016年，日本川崎重工推出了新一代基于CFRP的复合材料转向架。该转向架设计是第一个采用CFRP弹簧梁的复合材料转向架。efWING复合材料转向架的设计将一系悬挂和承载系统组合成一个使用CFRP板簧的集成复合材料转向架系统。与传统的金属转向架相比，这种转向架的框架重量减轻了40%，并且完全满足运行安全要求，包括降低脱轨系数、降低车轮负载率和横向受力。

2.1.5 CaFiBo碳纤维转向架

哈德斯菲尔德大学铁道研究所 (IRR) 于2020推出了一种新型碳纤维基 FRP 转向架，即碳纤维转向架项目 (CaFiBo)。从复合材料工业废料中获得的再生碳纤维与原始碳纤维一起用于制造 CaFiBo 转向架，用来降低总成本。嵌入式光纤系统可以实时监测复合转向架的情况。据报道，与同类型的传统金属转向架 (180 级转向架) 相比，复合转向架的重量减轻了 36%。此外，通过用复合材料替换金属固定装置，还可以进一步减轻重量，最高可达 60%。

2.1.6 增强塑料转向架在铁路行业的现状概述

与传统金属转向架相比，使用增强塑料转向架的主要优势在于其重量显著减轻。这种轻型转向架在运营、基础设施和环境领域也具有一些潜在优势。这些优势源于车架结构重量变得更轻或灵活性提升。FRP转向架的潜在优势如下：

• 转向架重量显著减轻：采用FRP部件代替金属构架，转向架框架重量可减轻25% 至50%。

• 通过拆除悬挂弹簧，减少机械部件的复杂性，如 Eurobogie和efWinng。

• 具有改善行驶动态行为（例如增强转向性能）的潜力。

• 由于转向更好，损坏更少，从而有可能降低基础设施维护成本。

• 由于转向更好，有可能减少噪音排放。

• 由于减轻重量和增强转向，有可能降低铁路车辆的燃料消耗。

2.2 玻璃钢在轮对上的应用

轮对占车辆重量的很大一部分，但与车辆其他部件相比，关于将 FRP 结构用于轻量化的研究项目非常有限。德国机床与产品工程研究所 (IWF) 对 CFRP 车轮进行了调查，报告称在保持正常力学性能的同时，可减轻 50% 以上的重量。在另一项研究中，英国铁路公司使用纤维缠绕和树脂注射技术制造的 CFRP 轴管，与钢结构相比，制造的 FRP 复合材料管可减轻 70% 的重量。现有 FRP 管的主要缺点是抗冲击性差，但其对静态和疲劳载荷的力学性能令人满意。

最近，在瑞士联邦环境局 FOEN (BAFU) 的资助下，Carbo-Link AG、PROSE AG（瑞士）和瑞士联邦材料科学与技术实验室 (Empa) 合作，在瑞士开展了一项关于 FRP 轮对在铁路车辆中应用的可行性研究。采用有限元法分析了轮对的静态、振动和声学行为。研究重点是与传统钢制轮对相比 FRP 轮对的噪音（和重量）降低情况。结果表明，使用 FRP 轮对可使轮对层面的噪音显著降低 23 dB (A)，而考虑到轮对和轨道的噪音，整体噪音降低约 3 dB (A)。

2.3 在车身上的应用

车体结构占轨道车辆总重量的20%~30%，是采用FRP结构和轻量化的优先部件。车盖前端、车门和座椅外壳是FRP在轨道车辆车体上的首次应用。表2总结了先前发表的关于在车体结构中使用FRP的研究成果。

表2. FRP复合材料车身及其性能

2.3.1 Schindler Wagon和Hardcore-Dupont车身

瑞士迅达客车公司（Schindler Wagon）于1995年推出了基于玻璃纤维增强塑料（GFRP）和碳纤维增强塑料（CFRP）以及纤维缠绕制造工艺的玻璃纤维增强塑料（FRP）车体，这是首批利用玻璃纤维增强塑料（FRP）复合材料制造车体结构的主要项目之一。据其报告，该公司展示的车体外壳可将车厢总重量减轻10%。同时，Hardcore-Dupont公司采用玻璃纤维/聚氨酯复合材料和树脂灌注法制造了复合材料轨道车原型。该公司声称，这是最大的一体式灌注成型结构。

2.3.2 摆式列车特快（TTX）

韩国铁道公司设计并制造了一个全 FRP 复合材料车身结构样品。基于 FRP 夹层板的车身结构和 FRP 复合材料部件如图4所示。通过在板芯中填充聚氨酯泡沫，板的能量吸收和局部刚度可分别提高232％和45％，而重量增加仅占车身重量的2％。

图4韩国TTX列车车体结构

2.3.3 CFRP基车身

近几年，美国铁路和航运公司CG Rail（德国德累斯顿）制造并推出了基于CFRP的车身。他们采用拉挤技术制造车身的大型单件部件。与传统的铝制车身相比，他们制造的车身重量减轻了30%。CFRP复合材料构成了70%的车身结构，主要用于前舱和地板下面板。

2.3.4 混合FRP-金属车身

在捷克工业和贸易部资助的一个项目中，介绍了一种由各种材料和结构组成的地铁列车混合车身。将 GFRP 夹层板和金属部件混合在车身中，与金属车身外壳相比，重量减轻了 19%。他们提出了局部加固方法来减少静态载荷下的不必要挠度。在另一项研究中探讨了将轻质拉挤 GFRP 板用于中速铁路车辆的可行性。他们采用了一种创新的织物拉挤制造方法，利用多轴织物。构造的面板和加强筋如图5所示。

图5带有垂直加固的外部 GFRP 板

2.3.5 XBODY轻量化车身

3A Composites Mobility（瑞士）是Schweiter Technologies AG的一个部门，致力于开发轨道车辆的轻量化结构。2000年，该公司首次推出了用于整车车身的夹层技术，并随后批量生产车身（XBODY）。车顶、地板、侧壁和底盘的制造均符合轨道车辆的标准。此外，他们还使用真空辅助树脂灌注（VAC）技术生产了大量的FRP结构前端（INNOCAB）。3A Composites于2008年为轨道车辆开发了一套轻量化模块化地板系统（CONFLOOR）。这种薄夹层板可显著减轻重量，并使车厢内部的热量分布均匀。3A Composites近期一直致力于高速列车FRP前端的开发和制造。

3 FRPS在铁路行业应用面临的挑战

尽管 FRP 结构具有优异的力学行为，但在铁路行业使用这种轻型结构仍然存在一些严重的问题。

3.1 经济挑战

用轻质FRP结构取代重型结构的主要障碍之一是高昂的制造成本。FRP组件的初始价格通常比传统金属结构高得多，包括原材料和制造技术的成本。可以考虑以下策略来优化FRP成本：

将低成本纤维和树脂（例如玻璃/聚酯）与昂贵的纤维和树脂（例如先进的碳/环氧复合材料）混合，制成FRP部件。

开发混合金属/复合材料设计，利用回收的纤维和聚合物。

使用经济高效的制造方法大规模生产复合材料（例如拉挤、拉绕等）。

值得注意的是，复合材料较高的初始成本可以通过大幅降低生命周期成本来部分抵消。在大多数情况下，FRP 结构的使用寿命长，维修和保养成本低。此外，对于轨道车辆而言，通过减轻车辆重量可以大幅降低油耗。因此，根据速度范围、车辆类型和路径剖面，柴油轨道车辆重量减轻 10%， 可节省高达 15% 的能源。通过考虑 30 年的使用寿命和燃料的估计价格，可以计算出节省的成本在 72元/公斤（电动汽车）到 608元/公斤（郊区柴油车辆）之间。其他有效参数包括更少的铁轨或轮对磨损、更长的维护周期以及政府可能因减少噪音和二氧化碳排放而颁发的奖励，也可以计算为成本节约。

3.2 可燃性和耐火性的挑战

考虑到铁路行业材料和结构的防火性能的现有标准，设计和制造具有可接受防火性能的聚合物复合材料是一个具有挑战性的问题。作为该领域的参考，DIN EN 45545 标准定义了铁路车辆材料防火性能的要求。一般而言，FRP制造商可以通过两种选择来遵守防火性能法规：(1) 采用本质上阻燃的聚合物；

(2) 使用阻燃剂改性商用聚合物体系。表 3从技术和经济角度对上述方法进行了比较。

表3. 用于铁路工业的耐火聚合物。

3.3 低抗冲击性的挑战

在铁路行业中，复合材料结构可能经常受到异物的低速冲击。这种情况可能发生在服役期间（例如碎片的冲击）或维护期间（例如工具掉落）。由于大多数复合材料的脆性，它们更容易受到异物冲击的损坏。基体裂纹和分层是主要的损伤模式，连续冲击也会导致基体开裂造成的层间损伤。复合材料的抗冲击性能主要受树脂韧性和纤维结构的影响。环境影响、堆叠顺序以及纤维和基体混杂等次要参数也会影响复合材料的损伤容限行为。人们已进行了大量尝试，试图通过增强主要和次要有效因素来提高复合材料的抗冲击性能。一些增强方法如下：

嵌入SMA合金增强材料以吸收更多能量：例如将SMA合金嵌入复合材料结构中，由于SMA的超塑性特性，可显著吸收冲击能量。研究表明，当仅0.2%体积分数的SMA嵌入复合材料梁中时，梁的变形可减少56% 。

使用 3D 纤维：对 3D 编织基底/芳纶复合材料的实验表明：增强的相互作用特性使能量吸收率提高了 67%，

使用保护涂层：在 CFRP 层压板上涂抹保护性热塑性聚氨酯涂层，可以阻止损伤在整个层压板上蔓延，从而提高材料抵抗冲击损伤的能力。

使用纳米增强材料：采用多壁碳纳米管来增强以玻璃钢 (FRP) 为表面、铝芯为芯材的夹层板的抗冲击性能后。结果表明，在胶粘剂中添加纳米颗粒可以增强剪切和弯曲变形的能量吸收。

3.4 回收挑战和废物管理

随着纤维增强塑料在工业应用中的日益普及，其回收利用已成为一项重大的环境挑战。尽管近年来已开发出多种回收技术（包括机械回收、化学回收和热回收），但对于热固性复合材料而言，回收仍然是一项挑战，而铁路中使用的大多数纤维增强塑料均由热固性复合材料制成。回收成本高、回收材料机械性能一般以及回收产品缺乏市场是该领域的关键问题。例如，每个纤维增强塑料基转向架构架约由 400 至 800 公斤的碳纤维增强塑料和/或玻璃纤维增强塑料组成。鉴于铁路运输所需的转向架数量，应考虑对数千吨纤维增强塑料在其使用寿命结束后进行管理。这个问题已在其他纤维增强塑料应用中提出，例如风力涡轮机，并且已提出了回收和处置技术，例如将纤维增强塑料废料研磨并将其用作填料或增强材料。

3.5 机械退化和化学老化带来的挑战

目前，在包括铁路运输系统在内的不同行业中使用的 FRP 的耐久性方面，仍然缺乏通过实验获得的数据源。对于大多数铁路应用，预计结构具有较高的生命周期（例如，转向架的使用寿命超过 30 年）。另一方面，此类结构暴露在不同的环境条件下，具有不同的温度、紫外线辐射和湿度水平。因此，有必要根据长期环境条件预测 FRP 的机械性能。使用此类数据也可以估算 FRP 结构的剩余寿命。在结构应用的设计阶段，应考虑 FRP 的长期机械退化，通过选择合适的基质、增强材料以及可能的添加剂和填料来改善 FRP 结构的长期性能。考虑到材料特性所需的数据、所需增强材料的成本以及预测寿命的需要，机械退化和化学老化可能对用 FRP 结构替代金属结构构成一大挑战。

3.6 维修挑战和维护流程

复合材料结构通常可以修复（例如，使用柔性或刚性粘接补片）。根据 FRP的类型、受损部件和应用需求，修复通常比更换整个结构更具成本效益。然而，与设计和分析阶段一样，FRP 结构的维修和保养也比金属结构更为复杂。FRP 结构维修的主要步骤包括：损伤检测（使用健康监测系统）、设计维修方法（粘接或机械螺栓连接的补片）、使用数值、分析或实验方法分析结构性能和耐久性，以及最终对结构进行维修。在使用粘接补片、粘接或机械螺栓连接的接头之前，应考虑其对结构的影响和预期耐久性。如果没有明确的维修和保养程序，就不可能在铁路运输系统中用 FRP 结构取代金属结构。

4.玻璃钢在铁路行业应用的5大未来趋势

由于当今交通运输行业对快速出行的需求日益增长，铁路运输正在经历显著的改进。考虑到与航空运输等其他交通运输系统的激烈竞争，铁路行业的研究和工程部门必须提前规划，投资新技术，以实现未来的目标。开发自动驾驶系统、绿色铁路、高速列车以及提高乘客舒适度，可以被视为铁路行业预期的一些改进。从这个意义上讲，超级高铁项目（真空管道高速运输系统）和被动磁悬浮系统就是铁路运输进步的典范。

• 复合材料科学与技术能够提供合适的材料、结构以及满足未来需求的设计方法，从而促进铁路行业的发展。与传统铁路系统相比，减轻重量对于现代高速列车和电池驱动的轨道车辆而言更为重要。在这种情况下，先进的复合材料结构可能是实现必要减重的关键。

• 通过使用复合技术进行功能集成，例如将阻尼和悬挂系统纳入 FRP 承重结构，可以减少组件的复杂性、降低噪音排放并减轻重量。

• 未来的铁路行业可以将智能复合材料和结构用作传感器和执行器。例如，形状记忆合金增强复合材料能够根据环境刺激调整其机械特性，可用于加固结构、提高能量吸收率，甚至构建可用于自主系统的无电机执行器。

• 复合材料3D打印等先进制造技术可作为一种实用、快速且可靠的制造方法，用于生产先进高速轨道车辆的复杂几何结构。目前，3D打印玻璃钢部件的机械性能可能无法完全满足承重部件的技术规格。然而，随着3D打印技术和打印参数优化的进步，玻璃钢结构的增材制造技术有望获得显著改进。

• 使用天然和可回收纤维和树脂来建造功能性复合结构可以大大减少温室气体排放并创建更可持续的铁路系统。

未来几年，随着纤维增强复合材料行业材料和制造工艺的不断发展，以及企业和政府对温室气体排放和噪音等环境问题的日益关注，增强塑料预计将在铁路应用中发挥更大的作用。预计铁路行业将出台有关环境方面的限制性规定，以逐步替代在铁路运输中使用过时且不环保的结构（例如，老式的转向架设计）。

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