“科技之翼”撥千斤

產業(yè)協同結碩果

全球首批碳纖維復合材料輕量化重載

鐵路貨車發(fā)布

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

在國家“交通強國”和“雙碳”戰(zhàn)略指引下，加快交通運輸業(yè)綠色低碳轉型以及數字化、智能化技術研究，成為運輸行業(yè)發(fā)展的重中之重。國家能源集團作為國內最大的鐵路自備貨車專業(yè)化運營管理企業(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)展對煤炭運輸節(jié)能減排起著十分關鍵的作用。

2022年，國家能源集團適應新發(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)新和產業(yè)創(chuàng)新深度融合，聯合開展輕量化與智能化鐵路貨車研發(fā)。由國家能源集團鐵路裝備公司牽頭、北京低碳清潔能源研究院和中車齊車公司聯合實施。經過三年協同攻關，聚焦鐵路裝備領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域的先進碳纖維增強樹脂基復合材料，攻克了復合板材大部件一體化制備等關鍵技術難題，并首次將該類新材料應用于重載鐵路貨車車體主承載結構的制備。該材料比強度、比模量分別為鋁合金材質的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使用要求，具有更輕更節(jié)能、強度更高、環(huán)境適應性更強等技術優(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，自重系數低至0.22，為國內同軸重鐵路貨車最高水平，實現了車輛自重降低、載重增加、容積增大的同步協同提升，對提升鐵路運輸效率具有重要意義。

該型鐵路貨車還集成了優(yōu)化改進轉K6型轉向架、集成式空氣制動裝置、高強度重載車鉤、自卸式底門開閉機構等新型部件，自主研制了適用于重載鐵路貨運裝備的車載智能監(jiān)測系統(tǒng)，實現物聯網、大數據、云計算等現代信息技術在鐵路貨車上的集成應用，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建支持全面創(chuàng)新體制機制作出重要部署，聚焦關鍵領域和重大需求，強化企業(yè)科技創(chuàng)新主體地位，推動產業(yè)鏈聯動和融通創(chuàng)新。國家能源集團與中國中車集團在鐵路裝備研制、技術開發(fā)、運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《現代能源運輸產業(yè)鏈建設合作協議》。此次科技成果發(fā)布，標志著雙方在新型鐵路運輸裝備合作領域取得新的突破，進一步推動構建中央企業(yè)科技創(chuàng)新戰(zhàn)略合作的新標桿、新典范、新高地。

全球首批碳纖維復合材料輕量化重載鐵路貨車背景資料

全球首批碳纖維復合材料輕量化重載鐵路貨車由國家能源集團鐵路裝備公司牽頭，聯合國家能源集團北京低碳清潔能源研究院和中車齊車公司共同研制，該車的研制成功標志著國家能源集團在鐵路移動裝備制造領域和產業(yè)鏈協同發(fā)展方面取得重要進展，在發(fā)揮新質生產力助力關鍵技術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域輕量化和智能化的核心問題，攻克了一系列關鍵技術，成功研發(fā)出適用于重載貨車領域的碳纖維復合材料，可應用于重載鐵路貨車的主要承載結構，極大地優(yōu)化了車輛的整體性能?；诖瞬牧?，成功研制的碳纖維復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、高效的同時兼具實時監(jiān)控與智能診斷功能，實現了重載鐵路貨車關鍵技術的重要突破。

該款車型的研制成功，突破了適用于重載鐵路貨車領域的碳纖維復合材料配方及大部件一體化制備等關鍵技術，并應用于重載鐵路貨車車體主承載結構上，碳纖維車體自重較鋁合金車體降低20%以上，自重系數低至0.22，為國內最高水平，助力實現“交通強國建設”和“雙碳”目標戰(zhàn)略；集成應用的車載智能監(jiān)測設備，為車輛帶來狀態(tài)實時感知和運行故障提前預警能力，并首次在重載鐵路貨車上實現工程化應用。

一、項目背景

隨著社會經濟的不斷發(fā)展，全球資源日趨緊張，生態(tài)環(huán)境日趨嚴重，節(jié)能減排成為社會經濟可持續(xù)性發(fā)展的重要主題。國家能源集團作為國內最大的鐵路自備貨車專業(yè)化運用管理企業(yè)，管理著57640輛鐵路貨車，車輛輕量化對煤炭運輸的節(jié)能減排起到十分關鍵的作用。近年來國家能源集團聯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。但現有金屬材料在鐵路裝備的輕量化應用已經到達發(fā)展到一定瓶頸，而碳纖維復合材料具有更高的比強度、比模量，在提升車輛輕量化方面具有突出優(yōu)勢。國家能源集團所屬鐵路裝備公司、低碳院聯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，研制了碳纖維復合材料輕量化重載鐵路貨車。

二、項目創(chuàng)新點

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

2.國內外首次在重載鐵路貨車主承載結構中大規(guī)模使用碳纖維復合材料，開創(chuàng)了重載鐵路貨車碳纖維復合材料應用的先河。

3.創(chuàng)新開發(fā)基于碳纖維復合材料的重載鐵路貨車整體式夾層結構車體，在保證產品強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輸節(jié)能減排和高質量發(fā)展。

4.系統(tǒng)集成碳纖維復材、車載智能監(jiān)測、軸端發(fā)電、自卸式底門開閉機構、集成式空氣制動裝置、高強度重載車鉤等鐵路貨車綠色智能新技術、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性能、運輸能力優(yōu)于北美、澳洲同類貨車，整體技術水平世界領先。

5.實現車載智能監(jiān)測系統(tǒng)的集成創(chuàng)新，搭載先進物聯網技術，采用低功耗、前端運算設計，實現車輛運行狀態(tài)和參數的實時監(jiān)測和故障提前預警。

三、碳纖維復合材料輕量化重載鐵路貨車材料特性

根據北美鐵路協會統(tǒng)計，自2000年開始，美國98%的新造煤車是鋁合金車，鋁合金貨車較鋼質貨車具有更好的綜合技術經濟性。我國運煤貨車目前主要為鋼質貨車，自重系數較大，經濟性相對較低。2003年，為滿足大秦鐵路開行重載運輸的需要，我國借鑒北美鐵路貨車技術，開始首次采用鋁合金材料開發(fā)運煤貨車并研制了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，但是也已達到發(fā)展瓶頸。因此，為了進一步降低車輛自重，提高運輸效率，必須尋找密度更低的高性能材料應用于鐵路貨車。研究適用于鐵路貨車的高強度、高耐久性、輕量化的新材料成為各國鐵路貨車研發(fā)的重點之一。碳纖維復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構的碳纖維復合材料，具備優(yōu)異的比強度和比模量，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，實現自重18噸、載重82噸、容積94立方米的綜合技術性能，實現了車輛自重降低、載重增加、容積增大的同步協同提升。

四、碳纖維復合材料輕量化重載鐵路貨車結構特性

受制于制造技術限制，金屬材質鐵路貨車端墻側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，存在勞動強度高、組裝效率低、工藝成本高等問題。而碳纖維復合材料可整體成型，基于此特點開發(fā)出一體成型的側墻、端墻大部件，有效降低了整車組裝勞動強度，同時組裝效率高，工藝成本低。

碳纖維復合材料具備優(yōu)異的可設計性，根據車體載荷工況，可進行等強度和等壽命按需設計，進一步提升車輛總體輕量化水平。采用大規(guī)模碳纖維縱橫預制梁與碳纖維蒙皮共固化、共膠接技術制備的重載車輛端、側墻，具有承載強度高、尺寸大，生產強度低等特點，大大推進了碳纖維復合材料在重載鐵路上的應用進程。

五、碳纖維復合材料輕量化重載鐵路貨車智能化特性

隨著物聯網、大數據、云計算和人工智能等信息化技術的快速發(fā)展，新一代信息化技術正在與傳統(tǒng)工業(yè)技術深度融合，引發(fā)各行業(yè)產生深遠的產業(yè)變革，“智能化”成為當今世界鐵路貨車發(fā)展的新熱點和發(fā)展趨勢。

目前，國內外鐵路貨車普遍采用地面監(jiān)測系統(tǒng)對車輛主要構件和運行質量進行監(jiān)測，但由于監(jiān)測設備只能在鐵路沿線定點布置，相隔距離一般超過30公里，在區(qū)間內無監(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)實現的是間斷性監(jiān)測，可能因車輛運行故障或異常情況不能及時預警而發(fā)生安全事故。北美、澳大利亞及歐洲等鐵路技術先進國家的車輛運行安全目前雖仍以地面軌邊設備監(jiān)測為主，但在此基礎上已開始大量應用具備實時監(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)測設備實現車輛的性能安全監(jiān)測。

9月10日下線的碳纖維復合材料輕量化重載鐵路貨車，通過融合物聯網、大數據、云計算等現代信息技術，基于軸端發(fā)電技術，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)，采用先進的微機電智能傳感器技術，車載智能監(jiān)測系統(tǒng)能夠精準感知車輛運行狀態(tài)的細微變化。系統(tǒng)采用低功耗、前端運算策略，能夠實時回傳車輛關鍵運行狀態(tài)和參數，為列車調度中心提供及時、準確的數據支持，不僅提升了運輸效率與安全性，更為重載鐵路貨運的智能化管理提供了有力支撐。