國內外複合材料在軌道車輛領域之應用

 

刊登日期:2019/12/5
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趙珏/台灣區複合材料工業同業公會
 
軌道車輛在安全、舒適、環保及可靠等訴求下,於材料選擇方面不斷精進提升。金屬材料的傳統結構在各種服役環境中面臨諸多挑戰,複合材料因具有質輕、高強度、抗蝕、抗疲勞、耐久性、可設計和易加工等多種優點,近年來軌道車輛採用複合材料的案例愈來愈多。目前複合材料主要是用作車內裝飾、車體設備等非結構零件材料;隨著複合材料技術的進步,也逐漸地用於車體等結構件上,未來勢必將取代各種金屬材料在軌道車輛的應用,以提高軌道車輛的行駛安全性及舒適度。國內的FRP產業具有完整的上/中/下游垂直鏈及產學研分工/整合的水平鏈,在軌道車輛各種內/外裝件及週邊配套組件的應用,具備了設計、製造、測試/驗證的技術能量,績效有目共睹,成為我國複合材產業中表現出色的一環。
 
【內文精選】
全球軌道車輛營運狀況與統計
軌道車輛(Railway Vehicles)包括高速鐵路、地鐵、火車、輕軌、市區單軌、磁懸浮車輛等,在高速化、重載化、電氣化的要求下,已成為近代運輸領域中最重要的一環。
 
目前,全球高速鐵路營運量在里程上已超過4萬公里。國際一般將時速超過250公里以上之鐵路稱為高速鐵路(未來可能會提高到300公里),按此標準至2019年,全球共有22個國家擁有高鐵,營運總里程42,772.3公里,中國獨占51%。有關全球高鐵里程排行前10名國家的營運情形如表一。
 
台灣高鐵營運量為349.5公里,在全球排名第13,是日、歐技術的複合體。它是日本新幹線唯一的輸出項目,車輛引進的是東海道家族700系,在台灣稱為700T,最高時速315公里。
 
材料性能比較
軌道車輛在安全、舒適、環保及可靠等訴求下,在材料選擇方面不斷探討及提升。其中金屬材料的傳統結構在高原、沙漠、高溫、高寒及海峽等服役環境下,面臨諸多挑戰。例如,碳鋼車體的易腐蝕、不利於輕量化、焊接變形大等問題,不鏽鋼車體的封閉性、局部屈曲、焊接變形等問題。
 
近年來,軌道車輛的選材指標不斷提升,複合材料(Composite Material)具質量輕、強度高、剛性大等優點,與金屬材料相較,比強度、比模數高出其1~5倍,質量是其1/4甚至1/5。複合材料與金屬材料的機械性質比較如表三所示。
 
國外複合材料在軌道車輛之應用項目
目前複合材料主要是用作車內裝飾、車體設備等非結構零件材料。隨著複合材料技術的進步,近年來也不斷的用於車體等結構件上。以下是國外的應用案例。
3. 車體輕量化
車體結構的質量在整車中所占的比例較大,通常在15%~30%,要提高車輛的速度、減小車輛的質量,就必須優先考慮車體結構的輕量化。以往人們習慣把鋁合金作為車體輕量化的首選材料,但由於車輛輕量化的要求越來越高,目前已將目光轉向複合材料。
 
法國國家鐵路公司(SNCF)對於未來的TGV高速列車,考慮到迫切需要進一步減小車體質量,於雙層TGV拖車採用複合材料,並進行線路運行試驗,也對其耐火性、抗衝擊強度等進行了運行測試,證實了用複合材料製造的車體是可行的。
 
國內複合材料在軌道車輛領域之應用
國內的FRP產業具有完整的上/中/下游垂直鏈及產學研分工/整合的水平鏈,針對軌道車輛領域而言,FRP的研發與應用亦趨成熟,在各種內/外裝件及週邊配套組件方面,具備了設計、製造、測試/驗證的技術能量。但由於內需市場的侷限,加上國內產業在重大標案上缺乏主導權,往往被國外系統商所操控,因此複材國產化的比例有限,預估未來10年的總產值可達70億左右,但國內產業之占有率只有20%~30%。
1. 軌道車輛事業主對車輛的要求
軌道車輛事業主對車輛的要求如表四所示。複合材料產品應用例如隔熱材,可通過在低毒、低煙、防火以及隔熱抗寒的規範要求,內裝板可用於抗大氣腐蝕與防火,符合國際標準。
 
圖一、複合材料應用於車廂內裝部件–內裝板
圖一、複合材料應用於車廂內裝部件–內裝板
 
3. 未來複合材料在軌道車輛應用上的突破
(2) GFRP製轉向架結構
傳統轉向架由耐候性鋼板(SMA 490)組銲而成,具有承載、導向、緩衝、牽引和剎車的功能,因此在轉向架上集成了大量的功能件,從改善舒適性、安全性及輕量化考慮。韓國鐵路研究院(KRRI),利用了四軸向玻璃纖維成形技術(Quadaxial Glass Fiber Perform),仿造設計了轉向架結構(圖十二)並進行一連串靜態及動態試驗。最終製成的轉向架結構重量為145 kg,約為傳統轉向架重量的10%不到。利用靜態負載測試及有限元素分析結果,其結構強度符合軌道車輛應用條件(圖十三),但目前僅限於模擬測試,仍欠缺動態實際測試驗證。
 
圖十一、(a)傳統鋼製車頭結構及(b)以複合材料製造車頭結構比較
圖十一、(a)傳統鋼製車頭結構及(b)以複合材料製造車頭結構比較
 
4. 可國產化之複合材料項目
可國產化之複合材料項目如圖十四~圖十七示意說明,包括電聯車與輕軌之車廂內裝組件、車頭外罩等應用 …以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
★本文節錄自《工業材料》雜誌396期,更多資料請見下方附檔。

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