碳纤维复合材料(CFRP)在轨道交通中转向架的应用
对于轨道车辆来说,轻量化是一个永恒的话题。通过车辆轻量化,可以通过提高运行燃料效率来降低运行成本和减少CO2的排放。川崎重工开发出世界上第一个轨道交通转向架,这是新一代的铁路
01、引言
对于轨道车辆来说,轻量化是一个永恒的话题。通过车辆轻量化,可以通过提高运行燃料效率来降低运行成本和减少CO2的排放。川崎重工开发出世界上第一个轨道交通转向架,这是新一代的铁路车辆转向架,其主要结构使用了CFRP,有效的实现了轻量化。

这次开发的efWING彻底颠覆了用于传统转向架的钢制主要结构,并将具有悬挂功能的CFRP板簧应用于部分主要框架结构中,因此大大简化了车架结构,并且不需要主悬架,与以前的型号相比,转向架的重量减少了约40%,每辆车的重量减轻了900公斤。此外,通过设计将CFRP板簧安装在转向架结构上的方法,提高了驾驶安全性和乘车的舒适性。
02、基本结构
采用了航空领域使用的CFRP材料,世界首次用于铁道交通的转向架上,通过技术创新开拓未来。
为了保证列车运行的安全,转向架的H型主构架是转向架中质量相当大的一个部分;而且这一部分重量是只经过一次悬挂进行避震的,在运行时这一部分通过车轮对于轨道会形成巨大的冲击力,使得铁路需要进行频繁的养路作业。
因此,设计人员基于这种范式的设计进行革新,使用碳纤维复合材料这种高性能材料,将其一次成型,做成弓形的板状复合材料弹簧,将转向架H形主构架侧梁的功能和一系悬挂的功能整合到一起,这样不仅改善了转向架一系悬挂的性能,还能达到极致减重的目的。同时,板簧自身也承担了一部分均衡梁的功能,将两个车轴从相对独立的悬挂重新联系到了一起,进一步改变了转向架的垂直安定性。

图1 设计理念

图2 CFRP板簧
03、运行安全性
使用脱轨系数、轮重降低率和横向力三个评估项目评估行车安全性。经确认,efWING测试转向架符合所有项目的指南。此外,还通过最大车体地板振动加速度来评估行驶安全性。垂直振动加速度和横向振动加速度的评估指南分别设置为0.5G和0.4G。如图6所示,垂直和横向振动加速度均满足各自适用的标准。

图3 测试车辆

图4车体地板振动加速度峰值比较
04、轻量化
相比传统轴梁式转向架(以DT61为例),减重约450kg/台,以一个八节编组的电动车组为例,全列可减重约7.2t,轻量化的转向架不仅减轻了运行时对路轨的冲击,在节电上有也相当的优势。

图5 车体轻量化
05、结束语
efWING与以往的转向架不同,以往的框架都是钢制主构造,这次使用了碳素纤维塑料(CFRP),拥有悬架功能,不需要盘簧。构造力图简洁化,一辆转向架只有450kg,更加轻量,如此一来,既可以减少列车行走时的能量消耗,转弯时减少了一半行走中车轮对轨道的上下负重的减少,可以有效防止脱轨。
这是铁路转向架设计中第一次如此大规模地使用碳纤维材料,并获得了日本国内“好设计奖”的金奖。
参考文献:(1)川崎重工ホームページ,https://www.khi.co.jp/,2023
作者联系方式
刘康:13520090407
方鲲:13220137198
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