“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(guó)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(guó)在重載鐵路移動(dòng)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(duì)促進(jìn)我國(guó)重載鐵路運(yùn)輸綠色低碳轉(zhuǎn)型，具有重大示范意義。

在國(guó)家“交通強(qiáng)國(guó)”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(guó)家能源集團(tuán)作為國(guó)內(nèi)最大的鐵路自備貨車專業(yè)化運(yùn)營(yíng)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(duì)煤炭運(yùn)輸節(jié)能減排起著十分關(guān)鍵的作用。

2022年，國(guó)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(dòng)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(guó)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(shì)。

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(guó)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(duì)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(dòng)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(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)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(huì)對(duì)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(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈聯(lián)動(dòng)和融通創(chuàng)新。國(guó)家能源集團(tuán)與中國(guó)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(dòng)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(guó)家能源集團(tuán)鐵路裝備公司牽頭，聯(lián)合國(guó)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(guó)家能源集團(tuán)在鐵路移動(dòng)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?；诖瞬牧希晒ρ兄频奶祭w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(jì)顯著降低了能耗和排放，符合綠色環(huán)保的核心理念。同時(shí)，車輛配備的車載監(jiān)測(cè)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(shí)兼具實(shí)時(shí)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(guó)內(nèi)最高水平，助力實(shí)現(xiàn)“交通強(qiáng)國(guó)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(cè)設(shè)備，為車輛帶來狀態(tài)實(shí)時(shí)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(huì)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(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性發(fā)展的重要主題。國(guó)家能源集團(tuán)作為國(guó)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(duì)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(guó)家能源集團(tuán)聯(lián)合中國(guó)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(shì)。國(guó)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(duì)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(guó)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(cè)、軸端發(fā)電、自卸式底門開閉機(jī)構(gòu)、集成式空氣制動(dòng)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(cè)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(jì)，實(shí)現(xiàn)車輛運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(huì)統(tǒng)計(jì)，自2000年開始，美國(guó)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(guó)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(duì)較低。2003年，為滿足大秦鐵路開行重載運(yùn)輸?shù)男枰?，我?guó)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(guó)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(dòng)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(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)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(jì)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(jì)，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(jì)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(shì)。

目前，國(guó)內(nèi)外鐵路貨車普遍采用地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)車輛主要構(gòu)件和運(yùn)行質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但由于監(jiān)測(cè)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(cè)能力，存在較長(zhǎng)時(shí)間和距離的監(jiān)測(cè)盲區(qū)，因此地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的是間斷性監(jiān)測(cè)，可能因車輛運(yùn)行故障或異常情況不能及時(shí)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(guó)家的車輛運(yùn)行安全目前雖仍以地面軌邊設(shè)備監(jiān)測(cè)為主，但在此基礎(chǔ)上已開始大量應(yīng)用具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力的車載智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。與國(guó)外貨車監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展相似，由于不具備帶電能力，我國(guó)鐵路貨車主要依靠地面監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)車輛的性能安全監(jiān)測(cè)。

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(jì)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(cè)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(cè)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(shí)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(shí)、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。