近日，全球首批碳纤维复合材料轻量化重载铁路货车成功开展循环装卸试验。该型铁路货车装卸货适应性和运用可靠性得到试验验证，为其后续线路运用奠定坚实基础。
该型铁路货车由国能铁路装备有限责任公司、北京低碳清洁能源研究院和中车齐齐哈尔车辆有限公司联合研制。“它的成功研制，开创了重载铁路货车碳纤维复合材料应用的先河，对促进我国重载铁路运输绿色低碳转型具有重要示范意义。”1月21日，国能铁路装备有限责任公司科技信息部经理王文刚接受科技日报记者采访时说。
制备碳纤维复合板材
在轨道交通技术领域，车辆的轻量化，即在保证车辆性能的前提下尽可能减轻车身重量，降低运行能耗，是实现轨道车辆绿色化、低碳化的关键技术。
传统重载铁路货车主要采用钢、铝合金等金属材料，受制于材料特性，车辆面临减重瓶颈。被称为“新材料之王”的碳纤维，具有轻质、高强度、抗疲劳、耐腐蚀等优点，是实现重载铁路货车轻量化的理想材料。
那么，碳纤维到底需要经过怎样的变化，才能被制成坚硬耐用的铁路货车板材？
北京低碳清洁能源研究院先进材料研究中心复合材料部经理吴福梅告诉记者，想要以碳纤维为原材料，制备成适合铁路货车的碳纤维复合板材，关键环节是浸渍。
“我们先对高分子树脂进行改性，显著提升其机械性能和环境适应性。改性后的高分子树脂再与碳纤维丝束经过浸渍工艺处理，形成碳纤维预浸料。”吴福梅解释，用改性的树脂把碳纤维丝束黏合在一起，就形成了碳纤维复合板材。
由于重载铁路货车的运用工况较为恶劣，对碳纤维复合材料的强度、耐磨、阻燃和抗紫外线等性能都有特殊要求。科研人员又开展了碳纤维复合板材相应性能的适用性研究。
“我们研发的碳纤维复合板材，是一种以树脂为基体、以碳纤维为增强材料的复合材料。”吴福梅说，该材料通过了水、火、低温、高强度等一系列极限测试，各项性能优良。其比强度是铝合金材质的3至5倍、比模量是铝合金材质的1.5至1.8倍，能更好满足重载铁路货车的轻量化和大部件生产使用要求。
设计“三明治”夹层结构
有了碳纤维复合板材，科研人员接下来就要考虑如何设计货车结构，以实现最高的承载强度。
“由于制造技术限制，金属材质铁路货车的端墙、侧墙等大部件难以采用整体成型方法制成，通常采用尺寸较小的板材、型材，通过焊接或铆接方式制备。”王文刚告诉记者，这就容易存在劳动强度高、组装效率低等问题。
“碳纤维只有在纤维保持连续时，才能充分发挥其高强度的优势。我们研发的碳纤维复合材料，很适合采用整体成型的方式制造重载铁路货车的相关部件。这样可以避免分体式结构纤维不连续等不利影响。”王文刚说。
基于此，科研人员采用大规模碳纤维纵横预制梁与碳纤维蒙皮共固化、共胶接技术，制备出重载铁路货车一体成型的侧墙、端墙。
“为了保障重载列车运行安全，我们本着循序渐进的设计原则，目前只有货车侧墙、端墙使用了碳纤维复合材料。”王文刚介绍。
同时，科研人员设计出“内蒙皮+夹芯+外蒙皮”组成的“三明治”夹层结构。这种整体式夹层结构车体，可在材料重量同等的条件下成倍提高材料的抗弯能力，提高承载强度。
“碳纤维铁路货车车体自重较同类铝合金材料车体降低20%以上，自重系数低至0.22，实现了车辆自重降低、载重增加、容积增大的同步协同提升，对提高铁路运输效率具有重要意义。”吴福梅说。
提高智能化运行水平
当前，物联网、大数据、人工智能等新一代信息技术，正在与传统工业技术深度融合，引发影响深远的产业变革。智能化正在成为当今世界铁路货车发展的新热点和新趋势。
王文刚介绍，目前，国内外铁路货车普遍采用地面监测系统对车辆技术状态进行监测，但监测设备只能在铁路沿线定点布置，相隔距离一般超过30公里，在区间内无监测能力，存在较长时间和距离的监测盲区。因此，地面监测系统只能实现间断性监测，可能无法及时预警车辆运行故障或异常情况，从而导致发生安全事故。
值得关注的是，目前澳大利亚等国家的车辆运行监测虽然仍以地面轨边设备监测为主，但已在此基础上开始大量应用具备实时监测能力的车载智能监测系统。
“通过融合物联网、大数据、云计算等新一代信息技术，我们牵头开发适用于重载铁路货车的车载智能监测系统。”王文刚说，该系统能够实时回传车辆关键运行状态和参数，为列车调度中心提供及时、准确的数据支持，不仅提升了运输效率与安全性，更为重载铁路货运的智能化管理提供了有力支撑。
碳纤维车辆上配备了自发电装置，车辆行驶过程中可以通过车轮转动来发电，从而为车载监测装置等设备提供电源。
该型铁路货车的成功研制，突破了适用于重载铁路货车领域的碳纤维复合材料配方及大部件一体化制备等关键技术，在保证产品强度和性能不降低的条件下大幅降低车体自重，提高了列车的智能化运行水平，有力推动了重载铁路高质量发展。
