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高速磁悬浮研发负责人丁叁叁:600公里时速需要轻量化 离不开碳纤维

来源:新材料在线|

发表时间:2021-07-02

点击:12773


新材料在线®

《大国之材》原创文章,转载请联系微信:EILIG2014

新材料在线 ID:xincailiaozaixian

图片:受访人提供、图虫创意


“想知道大门里面是狮子还是美人,总得推开门去看看。”尽管作为一名技术型人员,丁叁叁却总能恰到好处地冒出文艺范的金句。


碳纤维复合材料在轨道交通承载结构的应用可行与否,就是丁叁叁口中的“美人和狮子”。


作为中车四方股份公司(以下简称“中车四方”)副总工程师,他和团队的使命就是探索各种可能性。在他鼓起勇气推开那座沉重的大门前,嘲讽、质疑和各种压力如潮水般汹涌而至。


背负重重压力,这个团队还是选择了尊重内心的好奇。不过,碳纤维复合材料对于解决轨交列车轻量化问题的诱惑也确实大。


2018年9月,第一代碳纤维地铁CETROVO在德国面世。无疑,丁叁叁和他的团队看到的、向世人证明的,大门内确实是美人。


不过要迎接“美人”出来,却是不易。


2年后,时速600公里的高速磁浮试验样车,在上海成功试跑。这辆中国地面速度最快的交通工具,走出了万里长征第一步。该车的研发由中国科技部组织,中车四方股份公司技术负责,汇集国内高铁、磁浮领域优势资源,联合30余家企业、高校、科研院所共同攻关。


2019年,高速磁浮作为前沿关键科技被列入国家《交通强国建设纲要》。


但轻量化问题,同样是高速磁悬浮列车要面临的重大问题之一。迎接美人走出大门的需求越来越迫切!压力也越来越大,这不是一个行业的事情,是碳纤维复合材料与主机厂两个行业共同的议题。


协调两个行业的步子,难度可想而知。


通过一年一次的碳纤维会议,两个行业的智慧充分碰撞,让满是焦虑的他感到些许的安心。



01

高速磁悬浮轻量化 需要碳纤维


2020年6月21日,上海迎来了特别的一天。


高速磁浮试验样车首次在上海进行系统联合调试。多种工况下的动态运行试验一一开展,包括不同轨道梁以及道岔、小曲线、坡道、分区切换等,共完成七大项200多个试验项点,对悬浮导向、测速定位、车轨耦合、地面牵引、车地通信等关键性能进行了全面的测试。


最终的测试结果完全满足预期效果。


这辆高速磁浮试验样车设计时速达到600km/h,补充了高铁350km/h和飞机900km/h之间的速度空白。


“完善天空地一体化的交通网络,对于我们国家来讲是很有战略意义的。”丁叁叁对《大国之材》说道。


中国人对于磁悬浮的执念,早就体现在上海的首条磁悬浮试验线上,中国人渴望拥有一个全套的技术解决方案。前期磁悬浮的项目主要是以院校为创新主体,解决技术和理论问题。“十三五”重新规划后,工厂接过项目,解决成套方案工业化生产的能力,建立起产业链。


另外,中国高铁产业已经形成庞大的体量优势。后高铁时代,发展600km/h的高速磁悬浮列车,借此占领技术制高点,将带来技术外溢性,如碳纤维、磁技术、控制技术等等的发展,对于产业转型升级具有重要意义。


中车四方的丁叁叁团队,背负着重任。


对于他们而言,磁悬浮列车是全新的领域。与传统的轮轨列车相比,轮轨列车是轨道与轮子相互接触,列车系统都在车身上;而磁悬浮列车则是由电机牵引,电机部分在地底下,这给丁叁叁团队带来了列车系统全新的认识。


高速磁悬浮带来的是控制系统的迁移和材料系统的迁移,一切都是从无到有的过程。


材料是关键问题之一。列车达到600km/h的速度后,将面临气动的问题,特别是在隧道内,列车车体承受的气压与速度成平方关系,因此车身强度与高铁如复兴号相比成倍增加,此外空气阻力也会大幅提高。因此,只有满足轻量化,才能设计出足够强的车体。


而轻量化的材料方案主要有两个:高强度合金材料和复合材料。


近十几年,合金材料的潜力被逼到了极限,最早的重二十吨左右的合金材料客车车体,重量硬生生被压缩到如今的七八吨。


剩下的方案是复合材料。


碳纤维复合材料已经在CETROVO上得到了一定的验证,但对于时速高达600km/h,运行条件更为复杂的高速磁悬浮列车而言,仍面临新的挑战。


02

并非简单的材料应用算术题


高速磁悬浮采用碳纤维复合材料,不是一道简单的材料应用算术题。


在高速运行过程中,高速磁悬浮列车轻量化与车身强度、刚度、噪声、振动等因素之间,存在矛盾。“不能为了实现轻质而影响其他性能。”丁叁叁对《大国之材》说。


另外就是两个行业协调的事情,“跨行业需要理解与包容,两个复杂的行业的知识、认识需要形成统一。”


目前阶段存在着各种矛盾。做复合材料的从业者认为轨道交通的设计结构不合理,而轨道车辆的设计人员认为,列车的控制系统、制动系统、空调等方方面面都要彻底改动,要适应新材料的结构难度很大。


“所以要尽量相互学习、交叉学习,然后相互理解对方的行业的规律,去找到技术的平衡点。”


而目前,从高端往民用推进,规模和牵引力仍然有限。


材料应用到某个行业,就要适合这个行业的TQC(时间、质量、成本)要求。从航空航天走到轨道交通,碳纤维技术的移植,面临跨行业的认识问题。


“形成TQC的优势,就要产业成熟、形成规模化的效应,有足够强大的专业装备、足够多的人员、足够科学的流程,需要长期的积累、优化。这一切需要大量的人才、物力的投入。”


中车四方看到,用户和装备商的热情没有预想中的高。尽管碳纤维轻量化的项目正在尝试,但从工业层面上看只是浅尝辄止,并没有大量的投入和相应数量的产线建设。


“碳纤维作为战略材料应该由大型企业主导,形成专业的细化分工。”丁叁叁有些感慨。


所幸,对于碳纤维导入高速磁悬浮等列车的应用,民营碳纤维企业的热情高涨。与这些供应企业合作,丁叁叁的感受颇深,有感动也有困惑。


“他们都很有情怀,开放、积极,做了大量的工作。”


但碳纤维产业发展不均衡,一方面市场不充分,另一方面产业技术不充分。有数据显示,2018年全球碳纤维需求量约 92.6 千吨。在细分市场的应用上,风电叶片、航空航天、体育休闲及汽车领域的需求达到 68.1 千吨,占据碳纤维全球需求总量的 73.5%。


碳纤维发展仍处于高端往低端迈进的过程中,但还未接地气。“没有足够的市场驱动,但也是因为没有让用户为之心动的完整的解决方案。”中车四方丁叁叁表示。


“很多咋一听很有吸引力的方案,但真正面临应用的时候,还是很难。”


“不能提供完整的解决方案,归根结底,就是规模化不足、专业化的路未通、主体缺位。”丁叁叁总结道。


主体缺位导致分工同质化严重,国产碳纤维企业数量达到80多家。生产碳丝的企业占不少,碳丝的型号强度也包括T300到T700不等。从行业内而言,T300到T700技术差异很大,但从另一个层面而言其实都属于一类技术。


“同一类技术,为什么不能大家集中投资把它彻底解决呢?”站在中车四方的角度,丁叁叁说出了自己的困惑。


另外,不少做碳丝的企业为了找到生存空间,延伸产业链布局预织品等,导致未集中精力深耕碳丝工艺。“从企业生存角度而言没有错,但是从整个行业发展来看,不符合工业化分工的趋势。从行业的大发展上看,我个人觉得有必要进一步去理顺。”


03

抓住窗口期是关键


为了把“美人”从大门内迎出来,丁叁叁很重视与碳纤维企业保持沟通。


每年的“碳纤维及其复合材料技术与应用研讨会”,丁叁叁都会参加,与碳纤维行业的企业和专家学习交流。“每年的这个时候对我们来说很重要。”


对于研发机车车辆的丁叁叁团队而言,对于碳纤维复合材料的理解仍然有限,通过与碳纤维复合材料的研发、制造单位、企业一起坐下来探讨面临的难题,群策群力找到解决方案无疑是不错的机会。


“美人”什么时候才能迎出来,丁叁叁认为,希望从政产学研用等多方面,一起达成共识,也许三五年就会出现很大的变化。


作为机车车辆的研发力量,丁叁叁团队也正用自身的力量去推动。


早前,丁叁叁的团队定下了清晰的规划:一是进行轨交列车材料的替代,二是在通过结构优化把技术催熟,三是凭借成熟技术进行批量化的生产和推广。


两年的时间,一切按照预期计划在推进。


丁叁叁团队做了大量低成本、高效率部件的试制,并取得了一些成果。如高铁的司机室,磁悬浮的很多样件也取得不少成果,准备装车,“可能到明年或者是后年,可能会有更大的一些东西出来,如车体、转向架等部件。”


出于综合性能需要,镁合金、碳纤维及其他新型的材料技术也都在不断尝试。但面对越复杂的环境,碳纤维复合材料的应用潜质就越大,“我希望磁悬浮在碳纤维复合材料的应用上能够达到10%~30%以上的覆盖范围,这样才能带来整个列车系统的转型升级或代际变化。”


在2020年8月的“2020第六届碳纤维及复合材料产业大会”上,丁叁叁这样总结团队的工作:经多年努力,取得长足进步,成就斐然。总体进展缓慢,应用进程到需求窗口交集动态令人担忧。


中国轨道交通行业的活力,为碳纤维的推广带来需求窗口。


相关数据显示,截止2020年6月,国内干线已开通86条,3.7万公里,在线列车3665组,运营里程及列车保有量均占世界2/3。


按照国家铁路局的规划,到2030年,高铁里程将达4.5万公里,投入使用7000组列车。城轨方面,截止2019年底,国内40市已开通208条城轨,6736公里里程,列车6966列。“预计到2025年总计再建7800公里,保有量将超16000列。


但针对碳纤维在轨交车辆上的应用,业界能否抓住高铁发展窗口期并披荆斩棘搭上这趟东风,着实考验着复合材料和轨交车辆两个行业人的智慧。


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THE END

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