全球首列商用碳纖維地鐵列車在線路上進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試。中車四方股份公司 供圖

　　工作人員對(duì)全球首列商用碳纖維地鐵列車進(jìn)行檢測(cè)調(diào)試。中車四方股份公司 供圖

　　全球首列商用碳纖維地鐵列車外觀（局部）。中車四方股份公司 供圖

　　全球首列商用碳纖維地鐵列車司機(jī)室。中車四方股份公司 供圖

　　全球首列商用碳纖維地鐵列車車廂內(nèi)部的碳纖維立柱和碳纖維座椅。中車四方股份公司 供圖

　　凌晨三點(diǎn)，當(dāng)青島這座美麗山海城還在沉睡，中車四方股份公司碳纖維地鐵列車主任設(shè)計(jì)師劉金柱和同事們迎來了一天中最忙碌的時(shí)刻。“我們需要利用地鐵1號(hào)線這兩三個(gè)小時(shí)的非運(yùn)營(yíng)時(shí)間，對(duì)碳纖維列車進(jìn)行用戶現(xiàn)場(chǎng)的線路實(shí)驗(yàn)，讓車輛在真實(shí)場(chǎng)景中‘跑’起來。”

　　劉金柱所說的“碳纖維列車”，是指中車四方股份公司聯(lián)合青島地鐵集團(tuán)為青島地鐵1號(hào)線研制的碳纖維地鐵列車“CETROVO1.0碳星快軌”。6月26日，該列車在青島正式發(fā)布，這是全球首列用于商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的碳纖維地鐵列車，較傳統(tǒng)地鐵車輛減重11%，具有更輕更節(jié)能等顯著優(yōu)勢(shì)。

　　在交通工具輕量化方面，碳纖維列車做了哪些探索嘗試？與其他材料的列車相比，碳纖維列車有哪些不同之處？未來，它將如何引領(lǐng)地鐵列車實(shí)現(xiàn)全新綠色升級(jí)？讓我們一起走近全球首列商用碳纖維地鐵列車。

　　更輕量

　　整車減重約11%，運(yùn)行能耗降低7%，每列車每年可減少二氧化碳排放約130噸

　　賽場(chǎng)上，它助力運(yùn)動(dòng)員刷新紀(jì)錄；生活中，它讓“輕裝上陣”成為習(xí)慣；太空里，它向金屬材料發(fā)起凌厲沖擊……它就是被譽(yù)為“工業(yè)黑色黃金”的碳纖維。

　　2021年，我國(guó)首次成為全球最大的碳纖維生產(chǎn)國(guó)。2023年，我國(guó)碳纖維運(yùn)行產(chǎn)能占據(jù)全球碳纖維產(chǎn)能的一半。

　　細(xì)如發(fā)絲、輕若鴻毛、強(qiáng)過鋼鐵的碳纖維，目前在我國(guó)已實(shí)現(xiàn)多個(gè)系列和級(jí)別的國(guó)產(chǎn)化，廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通、船舶車輛、新能源等領(lǐng)域。在航空航天領(lǐng)域，碳纖維憑借其輕質(zhì)且高強(qiáng)度的特性，成為飛機(jī)、導(dǎo)彈等關(guān)鍵部件的首選材料。在風(fēng)電葉片領(lǐng)域，眾多碳纖維生產(chǎn)商積極與風(fēng)電設(shè)備制造商展開合作，共同研發(fā)更適配風(fēng)電葉片的碳纖維材料。此外，日常生活中的碳纖維棒球棒、網(wǎng)球拍、自行車，早已被大眾熟知。

　　輕量化，同樣是軌道交通技術(shù)領(lǐng)域的追求。在保證車輛性能的前提下盡可能減輕車身重量、降低運(yùn)行能耗，是實(shí)現(xiàn)軌道車輛綠色化、低碳化的關(guān)鍵技術(shù)。

　　近年來，地鐵列車越做越輕，不斷地被力學(xué)優(yōu)化的合金材料已經(jīng)發(fā)揮到了性能極限，必須要找到一種綜合型的優(yōu)良材料。通過反復(fù)論證，中車四方股份公司選擇了將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用到“CETROVO1.0碳星快軌”的設(shè)計(jì)上。

　　“以前的地鐵列車也有運(yùn)用碳纖維材料的，但是用作裝飾比較多。‘CETROVO1.0碳星快軌’與傳統(tǒng)列車最大的不同是，它的車體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架等主承載結(jié)構(gòu)采用碳纖維復(fù)合材料制造，實(shí)現(xiàn)了車輛性能的全新升級(jí)。”劉金柱介紹，中車四方股份公司聯(lián)合青島地鐵集團(tuán)等單位共同攻關(guān)，攻克了碳纖維大型復(fù)雜主承載結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)、高效低成本成型制造、全方位智能檢測(cè)維護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)，在全球首次實(shí)現(xiàn)了碳纖維復(fù)合材料在商用地鐵車輛主承載結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用，使該車具有更輕更節(jié)能、強(qiáng)度更高、環(huán)境適應(yīng)力更強(qiáng)、全壽命周期運(yùn)維成本更低等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

　　車身更輕盈，運(yùn)行更節(jié)能。與傳統(tǒng)金屬材料的地鐵車輛相比，一列6節(jié)車廂編組的碳纖維地鐵車輛的車體減重25%，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架減重50%，整車減重約11%，運(yùn)行能耗降低7%，每列車每年可減少二氧化碳排放約130噸，相當(dāng)于植樹造林101畝。

　　“CETROVO1.0碳星快軌”采用“4節(jié)動(dòng)力車+2節(jié)無動(dòng)力車”的編組形式，一共有6節(jié)車廂。劉金柱介紹：“如果整列車的車體和轉(zhuǎn)向架都采用碳纖維材料，那么這列車能減重約24噸。假如列車一年運(yùn)營(yíng)12萬公里，大約可以節(jié)省13萬度電。”

　　更長(zhǎng)壽

　　耐疲勞性能更優(yōu)，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用壽命，大大降低后期維護(hù)成本

　　手指粗的一束碳纖維，就可以拉動(dòng)兩架飛機(jī)。

　　與如此優(yōu)質(zhì)特性相對(duì)應(yīng)的，是碳纖維復(fù)雜的生產(chǎn)工藝流程。生產(chǎn)碳纖維要經(jīng)過上百道工序，三百多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)、三千多個(gè)工藝參數(shù)，經(jīng)過十多個(gè)系統(tǒng)的集成才能制作完成。因此，碳纖維的價(jià)格也比其他材料貴不少。

　　算一算經(jīng)濟(jì)賬：生產(chǎn)一列碳纖維地鐵列車是否成本太高昂？從制造成本來看，“CETROVO1.0碳星快軌”未來具有可復(fù)制性嗎？

　　“對(duì)于軌道交通車輛碳纖維復(fù)合材料部件，如果要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化與規(guī)?；?，必須從全壽命周期的角度進(jìn)行評(píng)價(jià)。”中車四方股份公司技術(shù)中心副主任蔣欣介紹，全壽命周期成本是包括產(chǎn)品從研究、設(shè)計(jì)、制造、銷售、使用直到報(bào)廢為止的全部費(fèi)用。只有將材料及材料選型、工藝設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)行維護(hù)、回收再利用等全部納入全壽命周期考慮，才能感受到碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

　　蔣欣給記者舉了個(gè)例子：“與采用傳統(tǒng)金屬材料相比，碳纖維轉(zhuǎn)向架構(gòu)架部件具有更強(qiáng)的抗沖擊能力，耐疲勞性能更優(yōu)，延長(zhǎng)了結(jié)構(gòu)使用壽命，大大降低了后期維護(hù)成本。因此從全壽命周期成本考慮，碳纖維列車更‘長(zhǎng)壽’更耐用，前期的投入也就‘劃得來’了。”

　　得益于碳纖維輕量化材料和新技術(shù)的應(yīng)用，碳纖維地鐵列車的輪軌磨耗顯著降低，大幅減少了車輛和軌道的維護(hù)量。同時(shí)，通過應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，為碳纖維列車配置了智能運(yùn)維平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了整車安全、結(jié)構(gòu)健康及運(yùn)用性能的自檢測(cè)與自診斷，能夠?yàn)閼?yīng)急排故提供秒級(jí)響應(yīng)的故障報(bào)警數(shù)據(jù)，同時(shí)收集全壽命周期運(yùn)維數(shù)據(jù)。一系列創(chuàng)新之舉，提高了運(yùn)維效率，降低了運(yùn)維成本，使列車全壽命周期檢修成本降低了22%。

　　在軌道車輛碳纖維技術(shù)領(lǐng)域，中車四方股份公司發(fā)揮產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)，通過十余年的研發(fā)積累和“產(chǎn)學(xué)研用”協(xié)同創(chuàng)新，搭建了全鏈條研發(fā)、制造、驗(yàn)證平臺(tái)，形成了從碳纖維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研發(fā)到成型制造、仿真、試驗(yàn)、質(zhì)量保障等成套工程化能力，可提供全壽命周期一站式解決方案。

　　更舒適

　　碳纖維立柱摸起來不冰手，主動(dòng)徑向技術(shù)有效控制轉(zhuǎn)彎帶來的噪音

　　與青島地鐵1號(hào)線正在運(yùn)營(yíng)的黃色列車相比，這列以炭黑色為基礎(chǔ)色的碳纖維列車尤為顯眼。

　　走進(jìn)頭部車廂，可以看到碳纖維立柱、碳纖維座椅，充滿未來科技感。“與普通的不銹鋼立柱相比，碳纖維立柱大概減重了50%，輕量化成果明顯。除此之外，它摸起來更舒服些，尤其在冬季乘車時(shí)，乘客握著立柱不會(huì)覺得冰手。”劉金柱介紹。

　　日常生活中，在乘坐某些線路的地鐵列車時(shí)，乘客會(huì)感受到較大的噪音和晃動(dòng)，影響乘坐體驗(yàn)。蔣欣解釋道，“地鐵列車每節(jié)車廂下面有兩個(gè)轉(zhuǎn)向架，每個(gè)轉(zhuǎn)向架上有兩個(gè)輪對(duì)，能幫助軌道交通車輛進(jìn)行轉(zhuǎn)向。但當(dāng)?shù)罔F列車在通過小曲線半徑線路，也就是‘急轉(zhuǎn)彎’時(shí)，輪對(duì)與鋼軌的摩擦加劇，所以會(huì)產(chǎn)生比在直線上行駛時(shí)更大的摩擦，帶來噪音。”

　　針對(duì)這一困擾軌道交通領(lǐng)域已久的問題，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)研究出了主動(dòng)徑向技術(shù)。在列車過彎時(shí)，可通過快速精確調(diào)整輪對(duì)相對(duì)位置，主動(dòng)控制車輛輪對(duì)沿著徑向通過曲線，降低輪軌作用力對(duì)車輛和基礎(chǔ)設(shè)施的影響，大幅降低了輪軌磨耗和噪聲。此外，這一改進(jìn)能夠節(jié)省30%至50%車輪保養(yǎng)成本。

　　地鐵運(yùn)行于相對(duì)封閉的地下空間，防火安全至關(guān)重要。據(jù)了解，每一列地鐵車輛在正式投入使用之前，都必須經(jīng)過15分鐘耐火測(cè)試，從而保證車輛外部一旦起火，火勢(shì)在15分鐘內(nèi)不會(huì)蔓延至車廂內(nèi)。

　　碳纖維具有很高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，在非極端條件下不會(huì)燃燒，而碳纖維復(fù)合材料中通常含有樹脂等材料作為黏合劑，對(duì)防火性能是有所影響的。劉金柱介紹，為了滿足碳纖維列車的防火性能，列車底部噴涂了膨脹型防火涂料。在遇到火源時(shí)，涂料會(huì)迅速膨脹形成致密的碳纖維層，隔絕氧氣和熱量的傳遞，從而阻止火勢(shì)蔓延，保障乘客安全。

　　目前，“CETROVO1.0碳星快軌”已完成廠內(nèi)型式試驗(yàn)，按照計(jì)劃，年內(nèi)將在青島地鐵1號(hào)線投入載客示范運(yùn)營(yíng)。未來，碳纖維列車將在更多線路、更多城市奔跑，給人們帶來新的乘坐體驗(yàn)。

　　商用碳纖維地鐵列車的問世，推動(dòng)了地鐵車輛主承載結(jié)構(gòu)由鋼、鋁合金等傳統(tǒng)金屬材料向碳纖維新材料的迭代，打破了傳統(tǒng)金屬材料結(jié)構(gòu)減重的瓶頸，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)地鐵列車輕量化技術(shù)的全新升級(jí)，將在推動(dòng)我國(guó)城市軌道交通綠色低碳轉(zhuǎn)型、助力城軌行業(yè)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)中發(fā)揮重要作用。（記者 沈東方）