“科技之翼”撥千斤

產(chǎn)業(yè)協(xié)同結(jié)碩果

全球首批碳纖維復(fù)合材料輕量化重載

鐵路貨車發(fā)布

9月10日，首批6輛身著輕薄碳纖維復(fù)合材料“外衣”的重載鐵路貨車緩緩駛出生產(chǎn)線，向眾人展現(xiàn)它們輕量化智能化的超炫“科技范”，這標(biāo)志著由國家能源集團(tuán)鐵路裝備公司、北京低碳清潔能源研究院和中車齊車公司聯(lián)合研制的全球首批碳纖維復(fù)合材料輕量化重載鐵路貨車正式發(fā)布，也標(biāo)志著我國在重載鐵路移動裝備新材料制造領(lǐng)域和研發(fā)應(yīng)用方面取得重大突破，對促進(jìn)我國重載鐵路運(yùn)輸綠色低碳轉(zhuǎn)型，具有重大示范意義。

在國家“交通強(qiáng)國”和“雙碳”戰(zhàn)略指引下，加快交通運(yùn)輸業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型以及數(shù)字化、智能化技術(shù)研究，成為運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展的重中之重。國家能源集團(tuán)作為國內(nèi)最大的鐵路自備貨車專業(yè)化運(yùn)營管理企業(yè)，管理著5萬7千余輛鐵路貨車，車輛輕量化、低能耗、綠色化發(fā)展對煤炭運(yùn)輸節(jié)能減排起著十分關(guān)鍵的作用。

2022年，國家能源集團(tuán)適應(yīng)新發(fā)展格局下鐵路行業(yè)綠色低碳發(fā)展要求，推動科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新深度融合，聯(lián)合開展輕量化與智能化鐵路貨車研發(fā)。由國家能源集團(tuán)鐵路裝備公司牽頭、北京低碳清潔能源研究院和中車齊車公司聯(lián)合實(shí)施。經(jīng)過三年協(xié)同攻關(guān)，聚焦鐵路裝備領(lǐng)域輕量化和智能化核心問題，成功研發(fā)適用于重載鐵路貨車領(lǐng)域的先進(jìn)碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，攻克了復(fù)合板材大部件一體化制備等關(guān)鍵技術(shù)難題，并首次將該類新材料應(yīng)用于重載鐵路貨車車體主承載結(jié)構(gòu)的制備。該材料比強(qiáng)度、比模量分別為鋁合金材質(zhì)的3-5倍和1.5-1.8倍，能夠更好地滿足重載鐵路貨車的輕量化和大部件生產(chǎn)使用要求，具有更輕更節(jié)能、強(qiáng)度更高、環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)等技術(shù)優(yōu)勢。

披上新型輕薄高性能“外衣”的鐵路貨車車體自重較同類鋁合金材料車體降低20%以上，自重系數(shù)低至0.22，為國內(nèi)同軸重鐵路貨車最高水平，實(shí)現(xiàn)了車輛自重降低、載重增加、容積增大的同步協(xié)同提升，對提升鐵路運(yùn)輸效率具有重要意義。

該型鐵路貨車還集成了優(yōu)化改進(jìn)轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架、集成式空氣制動裝置、高強(qiáng)度重載車鉤、自卸式底門開閉機(jī)構(gòu)等新型部件，自主研制了適用于重載鐵路貨運(yùn)裝備的車載智能監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等現(xiàn)代信息技術(shù)在鐵路貨車上的集成應(yīng)用，以科技創(chuàng)新賦能重載鐵路裝備綠色低碳、智能安全發(fā)展。

黨的二十屆三中全會對構(gòu)建支持全面創(chuàng)新體制機(jī)制作出重要部署，聚焦關(guān)鍵領(lǐng)域和重大需求，強(qiáng)化企業(yè)科技創(chuàng)新主體地位，推動產(chǎn)業(yè)鏈聯(lián)動和融通創(chuàng)新。國家能源集團(tuán)與中國中車集團(tuán)在鐵路裝備研制、技術(shù)開發(fā)、運(yùn)維檢修等方面有著悠久的合作歷史。2022年9月，雙方共同簽署了《現(xiàn)代能源運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)合作協(xié)議》。此次科技成果發(fā)布，標(biāo)志著雙方在新型鐵路運(yùn)輸裝備合作領(lǐng)域取得新的突破，進(jìn)一步推動構(gòu)建中央企業(yè)科技創(chuàng)新戰(zhàn)略合作的新標(biāo)桿、新典范、新高地。

全球首批碳纖維復(fù)合材料輕量化重載鐵路貨車背景資料

全球首批碳纖維復(fù)合材料輕量化重載鐵路貨車由國家能源集團(tuán)鐵路裝備公司牽頭，聯(lián)合國家能源集團(tuán)北京低碳清潔能源研究院和中車齊車公司共同研制，該車的研制成功標(biāo)志著國家能源集團(tuán)在鐵路移動裝備制造領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同發(fā)展方面取得重要進(jìn)展，在發(fā)揮新質(zhì)生產(chǎn)力助力關(guān)鍵技術(shù)和重要裝備制造方面取得新成果。

該款車型的研制聚焦鐵路貨車領(lǐng)域輕量化和智能化的核心問題，攻克了一系列關(guān)鍵技術(shù)，成功研發(fā)出適用于重載貨車領(lǐng)域的碳纖維復(fù)合材料，可應(yīng)用于重載鐵路貨車的主要承載結(jié)構(gòu)，極大地優(yōu)化了車輛的整體性能。基于此材料，成功研制的碳纖維復(fù)合材料輕量化重載鐵路貨車集綠色、智能、高效于一身，其輕量化設(shè)計顯著降低了能耗和排放，符合綠色環(huán)保的核心理念。同時，車輛配備的車載監(jiān)測系統(tǒng)極大地提升了重載鐵路貨車的智能化、安全性和可靠性，車輛在綠色、安全、高效的同時兼具實(shí)時監(jiān)控與智能診斷功能，實(shí)現(xiàn)了重載鐵路貨車關(guān)鍵技術(shù)的重要突破。

該款車型的研制成功，突破了適用于重載鐵路貨車領(lǐng)域的碳纖維復(fù)合材料配方及大部件一體化制備等關(guān)鍵技術(shù)，并應(yīng)用于重載鐵路貨車車體主承載結(jié)構(gòu)上，碳纖維車體自重較鋁合金車體降低20%以上，自重系數(shù)低至0.22，為國內(nèi)最高水平，助力實(shí)現(xiàn)“交通強(qiáng)國建設(shè)”和“雙碳”目標(biāo)戰(zhàn)略；集成應(yīng)用的車載智能監(jiān)測設(shè)備，為車輛帶來狀態(tài)實(shí)時感知和運(yùn)行故障提前預(yù)警能力，并首次在重載鐵路貨車上實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。

一、項(xiàng)目背景

隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，全球資源日趨緊張，生態(tài)環(huán)境日趨嚴(yán)重，節(jié)能減排成為社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性發(fā)展的重要主題。國家能源集團(tuán)作為國內(nèi)最大的鐵路自備貨車專業(yè)化運(yùn)用管理企業(yè)，管理著57640輛鐵路貨車，車輛輕量化對煤炭運(yùn)輸?shù)墓?jié)能減排起到十分關(guān)鍵的作用。近年來國家能源集團(tuán)聯(lián)合中國中車先后研制了系列鋁合金鐵路貨車，在車輛鋁合金輕量化方面取得了顯著成果。但現(xiàn)有金屬材料在鐵路裝備的輕量化應(yīng)用已經(jīng)到達(dá)發(fā)展到一定瓶頸，而碳纖維復(fù)合材料具有更高的比強(qiáng)度、比模量，在提升車輛輕量化方面具有突出優(yōu)勢。國家能源集團(tuán)所屬鐵路裝備公司、低碳院聯(lián)合中車齊齊哈爾車輛有限公司針對鐵路貨車輕量化與智能化開展研發(fā)攻關(guān)，研制了碳纖維復(fù)合材料輕量化重載鐵路貨車。

二、項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)

1.現(xiàn)有金屬材料在鐵路裝備輕量化應(yīng)用已經(jīng)到達(dá)發(fā)展極限，碳纖維復(fù)合材料具備優(yōu)異的比強(qiáng)度、比模量，研究開發(fā)的碳纖維復(fù)合材料的比強(qiáng)度、比模量分別為鋁合金材料的3-5倍和1.5-1.8倍，輕量化應(yīng)用潛力巨大。

2.國內(nèi)外首次在重載鐵路貨車主承載結(jié)構(gòu)中大規(guī)模使用碳纖維復(fù)合材料，開創(chuàng)了重載鐵路貨車碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用的先河。

3.創(chuàng)新開發(fā)基于碳纖維復(fù)合材料的重載鐵路貨車整體式夾層結(jié)構(gòu)車體，在保證產(chǎn)品強(qiáng)度和性能不降低的條件下大幅降低車體自重，助力重載鐵路煤炭運(yùn)輸節(jié)能減排和高質(zhì)量發(fā)展。

4.系統(tǒng)集成碳纖維復(fù)材、車載智能監(jiān)測、軸端發(fā)電、自卸式底門開閉機(jī)構(gòu)、集成式空氣制動裝置、高強(qiáng)度重載車鉤等鐵路貨車綠色智能新技術(shù)、新材料、新部件，創(chuàng)新研發(fā)的新型碳纖維輕量化重載鐵路貨車各項(xiàng)性能、運(yùn)輸能力優(yōu)于北美、澳洲同類貨車，整體技術(shù)水平世界領(lǐng)先。

5.實(shí)現(xiàn)車載智能監(jiān)測系統(tǒng)的集成創(chuàng)新，搭載先進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用低功耗、前端運(yùn)算設(shè)計，實(shí)現(xiàn)車輛運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測和故障提前預(yù)警。

三、碳纖維復(fù)合材料輕量化重載鐵路貨車材料特性

根據(jù)北美鐵路協(xié)會統(tǒng)計，自2000年開始，美國98%的新造煤車是鋁合金車，鋁合金貨車較鋼質(zhì)貨車具有更好的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。我國運(yùn)煤貨車目前主要為鋼質(zhì)貨車，自重系數(shù)較大，經(jīng)濟(jì)性相對較低。2003年，為滿足大秦鐵路開行重載運(yùn)輸?shù)男枰?，我國借鑒北美鐵路貨車技術(shù)，開始首次采用鋁合金材料開發(fā)運(yùn)煤貨車并研制了C80型鋁合金貨車。

采用鋁合金材料制造鐵路貨車，其輕量化效果雖然顯著，但是也已達(dá)到發(fā)展瓶頸。因此，為了進(jìn)一步降低車輛自重，提高運(yùn)輸效率，必須尋找密度更低的高性能材料應(yīng)用于鐵路貨車。研究適用于鐵路貨車的高強(qiáng)度、高耐久性、輕量化的新材料成為各國鐵路貨車研發(fā)的重點(diǎn)之一。碳纖維復(fù)合材料輕量化重載鐵路貨車研制過程中充分考慮這些因素，專門研發(fā)了適用于重載鐵路貨車主承載結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料，具備優(yōu)異的比強(qiáng)度和比模量，分別為鋁合金材料的3-5倍和1.5-1.8倍，能夠滿足重載鐵路貨車的輕量化要求和大部件制備要求，新型車輛車體自重較同類鋁合金材料車體降低20%以上，在車輛25噸軸重條件下，實(shí)現(xiàn)自重18噸、載重82噸、容積94立方米的綜合技術(shù)性能，實(shí)現(xiàn)了車輛自重降低、載重增加、容積增大的同步協(xié)同提升。

四、碳纖維復(fù)合材料輕量化重載鐵路貨車結(jié)構(gòu)特性

受制于制造技術(shù)限制，金屬材質(zhì)鐵路貨車端墻側(cè)墻大部件難以采用整體成型，通常采用尺寸較小的板材、型材通過焊接或鉚接方式制備，存在勞動強(qiáng)度高、組裝效率低、工藝成本高等問題。而碳纖維復(fù)合材料可整體成型，基于此特點(diǎn)開發(fā)出一體成型的側(cè)墻、端墻大部件，有效降低了整車組裝勞動強(qiáng)度，同時組裝效率高，工藝成本低。

碳纖維復(fù)合材料具備優(yōu)異的可設(shè)計性，根據(jù)車體載荷工況，可進(jìn)行等強(qiáng)度和等壽命按需設(shè)計，進(jìn)一步提升車輛總體輕量化水平。采用大規(guī)模碳纖維縱橫預(yù)制梁與碳纖維蒙皮共固化、共膠接技術(shù)制備的重載車輛端、側(cè)墻，具有承載強(qiáng)度高、尺寸大，生產(chǎn)強(qiáng)度低等特點(diǎn)，大大推進(jìn)了碳纖維復(fù)合材料在重載鐵路上的應(yīng)用進(jìn)程。

五、碳纖維復(fù)合材料輕量化重載鐵路貨車智能化特性

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能等信息化技術(shù)的快速發(fā)展，新一代信息化技術(shù)正在與傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)深度融合，引發(fā)各行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的產(chǎn)業(yè)變革，“智能化”成為當(dāng)今世界鐵路貨車發(fā)展的新熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢。

目前，國內(nèi)外鐵路貨車普遍采用地面監(jiān)測系統(tǒng)對車輛主要構(gòu)件和運(yùn)行質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測，但由于監(jiān)測設(shè)備只能在鐵路沿線定點(diǎn)布置，相隔距離一般超過30公里，在區(qū)間內(nèi)無監(jiān)測能力，存在較長時間和距離的監(jiān)測盲區(qū)，因此地面監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的是間斷性監(jiān)測，可能因車輛運(yùn)行故障或異常情況不能及時預(yù)警而發(fā)生安全事故。北美、澳大利亞及歐洲等鐵路技術(shù)先進(jìn)國家的車輛運(yùn)行安全目前雖仍以地面軌邊設(shè)備監(jiān)測為主，但在此基礎(chǔ)上已開始大量應(yīng)用具備實(shí)時監(jiān)測能力的車載智能監(jiān)測系統(tǒng)。與國外貨車監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展相似，由于不具備帶電能力，我國鐵路貨車主要依靠地面監(jiān)測設(shè)備實(shí)現(xiàn)車輛的性能安全監(jiān)測。

9月10日下線的碳纖維復(fù)合材料輕量化重載鐵路貨車，通過融合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等現(xiàn)代信息技術(shù)，基于軸端發(fā)電技術(shù)，自主研制開發(fā)適用于重載鐵路貨車的車載智能監(jiān)測系統(tǒng)，采用先進(jìn)的微機(jī)電智能傳感器技術(shù)，車載智能監(jiān)測系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)感知車輛運(yùn)行狀態(tài)的細(xì)微變化。系統(tǒng)采用低功耗、前端運(yùn)算策略，能夠?qū)崟r回傳車輛關(guān)鍵運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，為列車調(diào)度中心提供及時、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，不僅提升了運(yùn)輸效率與安全性，更為重載鐵路貨運(yùn)的智能化管理提供了有力支撐。