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08-06

軌道交通領(lǐng)域碳纖維復合材料未來(lái)的發(fā)展方向如何？

全碳纖維復合材料、大尺寸車(chē)體承載結構的成功研制，驗證了碳纖維復合材料在軌道交通承載結構上應用的可行性。但是，碳纖維復合材料在軌道車(chē)輛的應用尚處于起步階段，仍受成本、材料、設計、工藝等限制，尤其是成本問(wèn)題，是制約其推廣應用的強大壁壘。持續快速發(fā)展碳纖維技術(shù)，推進(jìn)軌道交通復合材料車(chē)體的應用須從以下幾方面推進(jìn)。 （圖示：碳纖維列車(chē)） 1、深入開(kāi)展碳纖維材料基礎性研究 軌道車(chē)輛對材料的力學(xué)性能、防火性能、環(huán)保性能、耐極端環(huán)境性能、抗沖擊性能、耐老化性能、減振阻尼性能、隔音隔熱性能、電磁兼容性以及安全可靠性等都有特殊要求，開(kāi)展滿(mǎn)足軌道車(chē)輛應用的材料性能研究，解決目前復合材料存在的防火、隔聲隔熱、抗沖擊性能局限性。挪恩復材也在積極開(kāi)展碳纖維復合材料創(chuàng )新功能的研究，目前已成功研發(fā)以納米改性導電碳纖維復合材料為代表的多種熱塑性碳纖維復合材料，大大提高了碳纖維復合材料的應用廣度。 2、開(kāi)展碳纖維復合材料結構設計研究 可以從簡(jiǎn)化結構、材料、集成設計等三方面入手。簡(jiǎn)化結構不但能降低成本，還能提高生產(chǎn)效率、滿(mǎn)足批量快速生產(chǎn)的需要。在結構設計中，加強集成設計的理念，充分發(fā)揮復合材料可設計性強、易于整體成型的特點(diǎn)，比如將底架與地板集成，將車(chē)頂與通風(fēng)道集成，以及將側墻與內裝材料集成等。 復合材料品種多、方向性強，在結構設計中應根據實(shí)際需要來(lái)選擇材料，通過(guò)優(yōu)化層板中各鋪層的鋪設角、層數比( 層板中具有相同鋪設角的鋪層數占總層敷的比例) 和鋪疊順序，設計出具有不同強度以及彎、扭剛度要求的層合板，增加了設計的自由度，提高了結構性?xún)r(jià)比。 設計時(shí)還可以考慮多種材料混合使用，比如次承力結構采用碳纖/玻纖混雜設計，主承力結構如牽枕緩、邊梁等采用碳纖維材料，做到結構和材料合理匹配，盡可能地降低原材料成本。集成設計則能從整車(chē)層面降低車(chē)體質(zhì)量，同時(shí)提高車(chē)體剛度，是復合材料車(chē)體研究的一個(gè)重點(diǎn)方向。 3、加強復合材料結構成型工藝的優(yōu)化研究 目前，應用于軌道車(chē)輛承載結構的復合材料中，碳纖維復合材料是比較受關(guān)注的一類(lèi)材料，但其制造成本高、生產(chǎn)周期長(cháng)，制約了該材料的推廣應用。如果能將成型工藝和材料研究結合起來(lái)，在不降低產(chǎn)品性能的前提下，優(yōu)化出更適合軌道車(chē)輛結構的低成本、高效率的成型工藝，在自動(dòng)鋪帶、集成自動(dòng)生產(chǎn)等方面實(shí)現更新?lián)Q代，滿(mǎn)足批量生產(chǎn)的需要，那么低成本、自動(dòng)化的生產(chǎn)工藝必將推動(dòng)復合材料在軌道交通行業(yè)的應用。 4、建立適用軌交行業(yè)的復合材料標準體系 體系包括設計標準、材料評價(jià)標準、計算驗證標準、生產(chǎn)工藝標準、質(zhì)量檢測標準和運用維護標準等，使復合材料在軌道交通領(lǐng)域的應用有據可依、規范化、系統化，從而促進(jìn)軌道交通行業(yè)的節能減排和綠色轉型升級。 5、提高碳纖維生產(chǎn)能力和水平 目前，我國相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展離世界先進(jìn)水平還有一定的差距，投入商用的碳纖維材料大都來(lái)自國外。國內應加大相關(guān)產(chǎn)業(yè)的投資力度、更新技術(shù)水平、擴大生產(chǎn)能力，使相關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量盡快趕超世界先進(jìn)水平。 碳纖維在軌道交通車(chē)輛車(chē)體上的推廣應用是復合材料行業(yè)的一大機遇和挑戰，雖然目前受制造成本、成型工藝、生產(chǎn)效率等方面的制約，難以在短期內實(shí)現批量生產(chǎn)，但隨著(zhù)新材料、新技術(shù)日新月異的進(jìn)步，相信在不久的將來(lái)，中國將迎來(lái)軌道交通車(chē)輛車(chē)體新材料應用的又一次變革。
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前沿軌道交通科技亮相 碳纖維地鐵列車(chē)亮點(diǎn)多

25日上午，“北京國際城市軌道交通展覽”在京開(kāi)幕，一批前沿軌道交通科技成果亮相，中國中車(chē)發(fā)布的碳纖維地鐵列車(chē)CETROVO和北京地鐵正在進(jìn)行測試的人臉識別檢票閘機吸引了不少參觀(guān)者。 據主辦方中國城市軌道交通協(xié)會(huì )介紹，截至去年年底，全國共有35個(gè)城市開(kāi)通城市軌道交通，運營(yíng)線(xiàn)路185條，總長(cháng)度5700余公里。其中，北京市軌道交通客運量最高，達到38.5億人次。 地鐵3號線(xiàn)實(shí)現全自動(dòng)駕駛 25日，中國中車(chē)集團旗下中車(chē)株洲電力機車(chē)研究所有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“中車(chē)株洲所”）發(fā)布全自主CBTC（基于通信的列車(chē)自動(dòng)控制）信號系統。目前，這套系統支持最小90秒的發(fā)車(chē)間隔，停車(chē)精準度能達到99.999％。CBTC信號系統是保證城市軌道交通正常運行的中樞控制系統，是基于現代控制、計算機和通訊技術(shù)的大型分布式實(shí)時(shí)控制系統，堪稱(chēng)是城市軌道交通運營(yíng)的“大腦”和“神經(jīng)系統”。 據中車(chē)株洲所時(shí)代電氣總經(jīng)理劉可安介紹，今年5月，由中車(chē)株洲所提供CBTC信號系統的長(cháng)沙地鐵4號線(xiàn)成功開(kāi)通試運營(yíng)，刷新不足17個(gè)月工期開(kāi)通試運營(yíng)的“行業(yè)速度”。應用中車(chē)株洲所研制的全自主CBTC后，長(cháng)沙地鐵4號線(xiàn)列車(chē)的運行效能得到了進(jìn)一步的提升，其中系統支持最小90秒的發(fā)車(chē)間隔，列車(chē)出入車(chē)輛段時(shí)間提升到100秒以?xún)?，停?chē)精準度能達到99.999％。 此外，中國通號控股企業(yè)——卡斯柯信號有限公司也發(fā)布“面向智慧地鐵的全自動(dòng)運行2.0系統”。據介紹，目前正在建設中的北京地鐵3號線(xiàn)就將使用這套系統中的部分功能，實(shí)現全自動(dòng)駕駛。目前，3號線(xiàn)已全線(xiàn)開(kāi)工建設，預計2021年12月開(kāi)通試運營(yíng)。 碳纖維列車(chē)減重13％ 平均能耗降15％ 25日，中車(chē)四方公司還首次面向國內觀(guān)眾展出了更輕盈節能的“下一代地鐵”列車(chē)CETROVO。其車(chē)體采用碳纖維復合材料，并采用構架等輕量化技術(shù)，同時(shí)，還具備無(wú)人駕駛、智能空調、主動(dòng)運維等多項功能。目前，這一型號的列車(chē)正在廣州進(jìn)行廠(chǎng)內測試。 近十幾年地鐵列車(chē)越做越輕，從最初的二十余噸壓縮到現在的七八噸。與采用鋼、鋁合金等傳統金屬材料的列車(chē)相比，采用碳纖維復合材料的CETROVO地鐵列車(chē)整車(chē)減重13％。經(jīng)測算，在多項節能新技術(shù)的配合下，平均能耗降低15％。 在智能化方面，該列車(chē)具備無(wú)人駕駛、智能空調、智能照明、主動(dòng)運維等諸多功能。步入CETROVO列車(chē)車(chē)廂，首先看到的是一體模塊化的司機室：司機室與客艙融為了一體，乘客可以站在車(chē)頭處，零距離感受地鐵列車(chē)行駛中的速度感?！跋乱淮罔F”列車(chē)具有無(wú)人駕駛能力，為了應對突發(fā)情況，司機室儀表臺前方設有備用升降屏，隨時(shí)可切換成手動(dòng)駕駛模式。 列車(chē)兩側還安裝有透明顯示車(chē)窗，它還是可以連接互聯(lián)網(wǎng)的觸控式電腦，能實(shí)現虛擬場(chǎng)景、瀏覽網(wǎng)頁(yè)、查詢(xún)線(xiàn)路等網(wǎng)上服務(wù)、媒體播放、廣告呈現等多種功能，同時(shí)具備自動(dòng)清潔與隔熱功能。 相較于以往地鐵列車(chē)“直吹式”出風(fēng)口，CETROVO列車(chē)車(chē)廂的出風(fēng)口設置得更加分散，呈環(huán)形分布?，F場(chǎng)工作人員介紹說(shuō)，列車(chē)安裝有智能空調，可以根據設定溫度自動(dòng)調節，以確保乘客體感溫度舒適。 刷臉進(jìn)站 用時(shí)不到1秒 在“北京地鐵”展區，北京地鐵正在進(jìn)行內部測試的人臉識別檢票閘機首次面向公眾亮相。記者體驗后發(fā)現，相較于刷卡、刷手機進(jìn)站等方式，“刷臉”進(jìn)站效率更高，平均用時(shí)不到1秒。 在展區中，放置有兩臺具備人臉識別功能的檢票閘機。其中一臺組合式設備下方為傳統閘機，上面裝有比手機略大的人臉識別設備；另一臺是一體化設備，外觀(guān)類(lèi)似于機場(chǎng)自助驗票機。 據了解，人臉識別設備正在軌道交通機場(chǎng)線(xiàn)進(jìn)行小范圍內部實(shí)驗。據北京市軌道交通指揮中心相關(guān)負責人透露，“目前測試主要是驗證照片庫的精確度，在確?？劭畛晒β史€定的前提下，才會(huì )在全路網(wǎng)鋪開(kāi)?！? 記者體驗發(fā)現，為了實(shí)現“刷臉”進(jìn)站并有效扣費，需要將用戶(hù)的面部信息、身份信息與乘坐地鐵的支付賬戶(hù)進(jìn)行綁定，待系統核驗成功后，閘機門(mén)將自動(dòng)開(kāi)啟，人臉識別設備的屏幕上會(huì )彈出綠色的小笑臉，上面還標注有進(jìn)站者的姓名。 未來(lái)北京地鐵有望通過(guò)生物識別等方式進(jìn)站乘車(chē)。目前身份驗證的“生物識別”技術(shù)主要包括指紋識別、人臉識別、聲音識別等，而人臉識別技術(shù)在地鐵中更容易實(shí)現。 （裴劍飛）
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一文看懂碳纖維在軌道交通領(lǐng)域應用

軌道交通工具正經(jīng)歷著(zhù)從“鋼鐵時(shí)代”、“鋁材時(shí)代”到“碳材時(shí)代”的跨越。近日，中車(chē)長(cháng)客股份公司在軌道交通領(lǐng)域獲重大突破，研制出具有完全自主知識產(chǎn)權的世界首輛全碳纖維復合材料地鐵車(chē)體，驗證了碳纖維復合材料在軌道交通承載結構上應用的可行性，也為碳纖維復合材料在軌道交通大批量工業(yè)化生產(chǎn)應用打下了重要基礎。 相關(guān)數據顯示到2025年，中國高鐵里程將超過(guò)3.8萬(wàn)公里，且現役的高鐵列車(chē)超過(guò)了2500輛。列車(chē)的節能性、環(huán)保性、舒適性、便利性已成為高鐵列車(chē)未來(lái)的發(fā)展方向。而碳纖維因其優(yōu)秀的性能越來(lái)越受到軌道車(chē)輛研制企業(yè)的關(guān)注及采用，發(fā)展潛力巨大。 圖片來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )公開(kāi)資料 碳纖維復合材料與傳統輕量化材料相比，密度小，強度高，模量高，適合用作軌道交通的輕量化、環(huán)保材料。 碳纖維復合材料與其他輕量化材料性能對比分析 資料來(lái)源：《高速動(dòng)車(chē)組碳纖維復合材料應用研究》 由于車(chē)載設備輕量化空間有限，碳纖維復合材料在軌道交通輕量化的應用主要集中在車(chē)身和內部裝飾方面。 地鐵車(chē)輛重量分配比例 資料來(lái)源：《碳纖維增強復合材料在軌道車(chē)輛中的應用》 碳纖維復合材料在軌道交通領(lǐng)域應用優(yōu)勢 碳纖維復合材料在軌道交通應用領(lǐng)域優(yōu)勢 資料來(lái)源：《碳纖維材料在軌道交通行業(yè)中應用淺析》 碳纖維復合材料在軌道交通領(lǐng)域應用難點(diǎn)分析 碳纖維復合材料在軌道交通領(lǐng)域應用難點(diǎn) 資料來(lái)源：《碳纖維增強復合材料在軌道車(chē)輛中的應用》 碳纖維復合材料在軌道交通具體應用 碳纖維復合材料在軌道交通具體應用實(shí)例 碳纖維復合材料的應用已逐步由車(chē)體內飾、車(chē)內設備等非常承載結構零件向車(chē)體、構架等承載構件發(fā)展，從裙板、導流罩等零部件向頂蓋、司機室、整車(chē)車(chē)體等大型結構發(fā)展。 碳纖維復合材料在軌道交通領(lǐng)域應用分布 碳纖維復合材料在軌道交通應用領(lǐng)域專(zhuān)利分析 碳纖維復合材料在軌道交通領(lǐng)域應用專(zhuān)利情況 資料來(lái)源：《從專(zhuān)利分析角度看碳纖維復合材料在軌道車(chē)輛上的應用》 2009年以后，專(zhuān)利的申請量明顯增加，這歸功于碳纖維復合材料在軌道交通領(lǐng)域的應用發(fā)展迅速。 碳纖維復合材料在軌道車(chē)輛上的專(zhuān)利國內外對比圖 資料來(lái)源：《從專(zhuān)利分析角度看碳纖維復合材料在軌道車(chē)輛上的應用》 國內碳纖維復合材料在軌道交通領(lǐng)域的發(fā)展較晚，但發(fā)展速度很快。 碳纖維復合材料在軌道交通上專(zhuān)利分布 資料來(lái)源：《從專(zhuān)利分析角度看碳纖維復合材料在軌道車(chē)輛上的應用》 碳纖維復合材料在軌道列車(chē)上的專(zhuān)利主要集中在車(chē)體、轉向架、車(chē)外設備、內裝四個(gè)方面。其中車(chē)體和轉向架的開(kāi)發(fā)和應用專(zhuān)利比較多。
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目前碳纖維復合材料為何不能在軌道交通中普及？

隨著(zhù)碳纖維市場(chǎng)的逐步擴大，碳纖維復合材料應用的領(lǐng)域也在不斷增加。除了汽車(chē)、高端醫療、航空航天等高精尖領(lǐng)域出現碳纖維的身影，在軌道交通方面，碳纖維也有所涉及。在國外軌道交通領(lǐng)域中，針對碳纖維的研究開(kāi)展較早，目前已擁有一定是科研成果和工藝積累。 （圖示：軌道交通碳纖維車(chē)輛） 與國外相比，國內開(kāi)展碳纖維在軌道交通領(lǐng)域的研究較晚，整體工藝也與國外存在差距，但仍有不少企業(yè)積極開(kāi)展有關(guān)碳纖維在軌道交通領(lǐng)域的研究，蘇州挪恩復合材料就是其中之一。隨著(zhù)《中國制造2025》的提出，國家開(kāi)始注重發(fā)展科技產(chǎn)業(yè)，碳纖維也借此得到大力發(fā)展。但目前在軌道交通領(lǐng)域中，碳纖維的發(fā)展還比較緩慢，為此，小編邀請了對碳纖維軌道交通很有研究的挪恩復材陳工，來(lái)聽(tīng)聽(tīng)他的說(shuō)法吧。 為什么軌道交通企業(yè)這么熱衷于碳纖維復合材料？ 其實(shí)主要還是因為輕量化。目前動(dòng)車(chē)組車(chē)廂除了CRH1采用不銹鋼車(chē)身，其他車(chē)型都采用高強度鋁合金材料，用以減輕重量。即便這樣，一節動(dòng)車(chē)組車(chē)體重量也要十多噸。而動(dòng)車(chē)組在啟動(dòng)加速階段的耗能是最大的，根據著(zhù)名的F=ma公式，減輕重量可以大幅降低運行能耗，同時(shí)重量輕了，對車(chē)軸和車(chē)輪的磨耗也會(huì )減小。 據了解，國內幾家知名的軌道交通車(chē)輛廠(chǎng)商針對輕量化投入不計其數的人力、財力，就是想要尋找一個(gè)好的解決方案。軌道交通車(chē)輛輕量化的研究分為兩個(gè)方向，一個(gè)是輕量化設計，另一個(gè)則是輕量化材料的使用。目前鋁合金的輕量化設計已到達瓶頸，再進(jìn)行減重勢必會(huì )影響到其他性能，至此，碳纖維復合材料成為了人們新的選擇。 軌道交通輕量化是必然趨勢 從軌道交通車(chē)輛生產(chǎn)企業(yè)內部來(lái)看，對碳纖維復合材料輕量化的應用決心很大?，F在已經(jīng)到了逢會(huì )必談輕量化，逢輕量化必談碳纖維應用的階段。碳纖維復合材料不僅可以滿(mǎn)足軌道交通車(chē)輛輕量化需求，在強度、耐沖擊性、防火等其他性能方面表現出色。 距離碳纖維應用普及還有很長(cháng)的路要走 在過(guò)去的幾年的時(shí)間，國內的軌道交通車(chē)輛企業(yè)也做了大量工作，與碳纖維企業(yè)聯(lián)合研發(fā)碳纖維的部件，挪恩復材就曾為國內某軌道交通車(chē)輛廠(chǎng)商定制碳纖維部件。但是目前為止，大部分屬于內裝使用玻纖復合材料較多，在外部大規模使用碳纖維復合材料非常少見(jiàn)，這其中有成本因素，也有其他因素。 首先，如何保證使用的碳纖維復合材料一定能夠達到軌道交通車(chē)輛的力學(xué)要求，怎么做到用最少的材料滿(mǎn)足設計需求。這就需要復合材料結構設計所需的原材料性能要可靠，通過(guò)試樣(單層板和層合板)、元件、組合件、全尺寸部件等多個(gè)層次的結構進(jìn)行驗證，才能放心使用。 其次是在安全性放。目前高鐵動(dòng)車(chē)組跑到一定的公里數要進(jìn)行不同等級的維護，到最高5級修的時(shí)候，需要把車(chē)體油漆全部脫離掉，檢查車(chē)體是否含有裂紋等缺陷。如果換成復合材料車(chē)體，那么維護周期要多長(cháng)？老化壽命有多久？?jì)炔砍霈F缺陷如何檢測、如何修復？ 最后，軌道交通領(lǐng)域目前還未建立起一套復合材料應用體系。面對諸多不確定問(wèn)題，缺乏和碳纖維企業(yè)一致的對接理由。其實(shí)很多軌道交通車(chē)輛廠(chǎng)商遇到的問(wèn)題，在碳纖維企業(yè)都能找到解決方案，但受制于產(chǎn)業(yè)鏈的不完整、碳纖維企業(yè)水平層次不齊等諸多因素，導致兩者未能產(chǎn)生良好的聯(lián)動(dòng)效應。 結合以上的介紹，可以預見(jiàn)未來(lái)碳纖維在軌道交通領(lǐng)域的應用潛力非常巨大。如若軌道交通廠(chǎng)商與碳纖維企業(yè)能夠及時(shí)對接，不僅能夠幫助廠(chǎng)商打破自身碳纖維應用的僵局，兩者的合作還能加速碳纖維在軌道交通領(lǐng)域的應用，典型雙贏(yíng)局面。
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