高速磁懸浮輕量化 需要碳纖維

“想知道大門里面是獅子還是美人，總得推開門去看看。”盡管是一名技術(shù)型人員，丁叁叁卻總能恰到好處地冒出文藝范的金句。

碳纖維復(fù)合材料在軌道交通承載結(jié)構(gòu)的應(yīng)用可行與否，就是丁叁叁口中的“美人和獅子”。

作為中車四方股份公司（以下簡(jiǎn)稱“中車四方”）副總工程師，他和團(tuán)隊(duì)的使命就是探索各種可能性。在他鼓起勇氣推開那座沉重的大門前，嘲諷、質(zhì)疑和各種壓力如潮水般洶涌而至。

背負(fù)重重壓力，這個(gè)團(tuán)隊(duì)還是選擇了尊重內(nèi)心的好奇。不過(guò)，碳纖維復(fù)合材料對(duì)于解決軌交列車輕量化問(wèn)題的誘惑也確實(shí)大。

2018年9月，第一代碳纖維地鐵CETROVO在德國(guó)面世。無(wú)疑，丁叁叁和他的團(tuán)隊(duì)看到的、向世人證明的，大門內(nèi)確實(shí)是美人。

不過(guò)要迎接“美人”出來(lái)，卻是不易。

2年后，時(shí)速600公里的高速磁浮試驗(yàn)樣車，在上海成功試跑。這輛中國(guó)地面速度最快的交通工具，走出了萬(wàn)里長(zhǎng)征第一步。該車的研發(fā)由中國(guó)科技部組織，中車四方股份公司技術(shù)負(fù)責(zé)，匯集國(guó)內(nèi)高鐵、磁浮領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)資源，聯(lián)合30余家企業(yè)、高校、科研院所共同攻關(guān)。

2019年，高速磁浮作為前沿關(guān)鍵科技被列入國(guó)家《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》。

但輕量化問(wèn)題，是高速磁懸浮列車要面臨的重大問(wèn)題之一。迎接美人走出大門的需求越來(lái)越迫切！壓力也越來(lái)越大，這不是一個(gè)行業(yè)的事情，是碳纖維復(fù)合材料與主機(jī)廠兩個(gè)行業(yè)共同的議題。

協(xié)調(diào)兩個(gè)行業(yè)的步子，難度可想而知。

通過(guò)一年一次的碳纖維會(huì)議，兩個(gè)行業(yè)的智慧充分碰撞，讓滿是焦慮的他感到些許的安心。

01

高速磁懸浮輕量化 需要碳纖維

2020年6月21日，上海迎來(lái)了特別的一天。

高速磁浮試驗(yàn)樣車首次在上海進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試。多種工況下的動(dòng)態(tài)運(yùn)行試驗(yàn)一一開展，包括不同軌道梁以及道岔、小曲線、坡道、分區(qū)切換等，共完成七大項(xiàng)200多個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)點(diǎn)，對(duì)懸浮導(dǎo)向、測(cè)速定位、車軌耦合、地面牽引、車地通信等關(guān)鍵性能進(jìn)行了全面的測(cè)試。

最終的測(cè)試結(jié)果完全滿足預(yù)期效果。

這輛高速磁浮試驗(yàn)樣車設(shè)計(jì)時(shí)速達(dá)到600km/h，補(bǔ)充了高鐵350km/h和飛機(jī)900km/h之間的速度空白。

“完善天空地一體化的交通網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于我們國(guó)家來(lái)講是很有戰(zhàn)略意義的?！倍∪?duì)《大國(guó)之材》說(shuō)道。

中國(guó)人對(duì)于磁懸浮的執(zhí)念，早就體現(xiàn)在上海的首條磁懸浮試驗(yàn)線上，中國(guó)人渴望擁有一個(gè)全套的技術(shù)解決方案。前期磁懸浮的項(xiàng)目主要是以院校為創(chuàng)新主體，解決技術(shù)和理論問(wèn)題?！笆濉敝匦乱?guī)劃后，工廠接過(guò)項(xiàng)目，解決成套方案工業(yè)化生產(chǎn)的問(wèn)題，建立起產(chǎn)業(yè)鏈。

另外，中國(guó)高鐵產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成龐大的體量?jī)?yōu)勢(shì)。后高鐵時(shí)代，發(fā)展600km/h的高速磁懸浮列車，借此占領(lǐng)技術(shù)制高點(diǎn)，將帶來(lái)技術(shù)外溢性，如碳纖維、磁技術(shù)、控制技術(shù)等等的發(fā)展，對(duì)于產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)具有重要意義。

中車四方的丁叁叁團(tuán)隊(duì)，背負(fù)著重任。

對(duì)于他們而言，磁懸浮列車是全新的領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的輪軌列車相比，輪軌列車是軌道與輪子相互接觸，列車系統(tǒng)都在車身上；而磁懸浮列車則是由電機(jī)牽引，電機(jī)部分在地底下，這給丁叁叁團(tuán)隊(duì)帶來(lái)了列車系統(tǒng)全新的認(rèn)識(shí)。

高速磁懸浮帶來(lái)的是控制系統(tǒng)的遷移和材料系統(tǒng)的遷移，一切都是從無(wú)到有的過(guò)程。

材料是關(guān)鍵問(wèn)題之一。列車達(dá)到600km/h的速度后，將面臨氣動(dòng)的問(wèn)題，特別是在隧道內(nèi)，列車車體承受的氣壓與速度成平方關(guān)系，因此車身強(qiáng)度與高鐵如復(fù)興號(hào)相比成倍增加，此外空氣阻力也會(huì)大幅提高。因此，只有滿足輕量化，才能設(shè)計(jì)出足夠強(qiáng)的車體。

而輕量化的材料方案主要有兩個(gè)：高強(qiáng)度合金材料和復(fù)合材料。

近十幾年，合金材料的潛力被逼到了極限，最早的重二十噸左右的合金材料客車車體，重量硬生生被壓縮到如今的七八噸。

剩下的方案是復(fù)合材料。

碳纖維復(fù)合材料已經(jīng)在CETROVO上得到了一定的驗(yàn)證，但對(duì)于時(shí)速高達(dá)600km/h，運(yùn)行條件更為復(fù)雜的高速磁懸浮列車而言，仍面臨新的挑戰(zhàn)。

02

并非簡(jiǎn)單的材料應(yīng)用算數(shù)題

高速磁懸浮采用碳纖維復(fù)合材料，不是一道簡(jiǎn)單的材料應(yīng)用算術(shù)題。

在高速運(yùn)行過(guò)程中，高速磁懸浮列車輕量化與車身強(qiáng)度、剛度、噪聲、振動(dòng)等因素之間，存在矛盾?！安荒転榱藢?shí)現(xiàn)輕質(zhì)而影響其他性能?！倍∪?duì)《大國(guó)之材》說(shuō)。

另外就是兩個(gè)行業(yè)協(xié)調(diào)的事情，“跨行業(yè)需要理解與包容，兩個(gè)復(fù)雜的行業(yè)的知識(shí)、認(rèn)識(shí)需要形成統(tǒng)一?！?/p>

目前階段存在著各種矛盾。做復(fù)合材料的從業(yè)者認(rèn)為軌道交通的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不合理，而軌道車輛的設(shè)計(jì)人員認(rèn)為，列車的控制系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、空調(diào)等方方面面都要徹底改動(dòng)，要適應(yīng)新材料的結(jié)構(gòu)難度很大。

“所以要盡量相互學(xué)習(xí)、交叉學(xué)習(xí)，然后相互理解對(duì)方的行業(yè)的規(guī)律，去找到技術(shù)的平衡點(diǎn)。”

而目前，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用從高端往民用推進(jìn)，規(guī)模和牽引力仍然有限。

材料應(yīng)用到某個(gè)行業(yè)，就要適合這個(gè)行業(yè)的TQC（時(shí)間、質(zhì)量、成本）要求。從航空航天走到軌道交通，碳纖維技術(shù)的移植，面臨跨行業(yè)的認(rèn)識(shí)問(wèn)題。

“形成TQC的優(yōu)勢(shì)，就要產(chǎn)業(yè)成熟、形成規(guī)模化的效應(yīng)，有足夠強(qiáng)大的專業(yè)裝備、足夠多的人員、足夠科學(xué)的流程，需要長(zhǎng)期的積累、優(yōu)化。這一切需要大量的人才、物力的投入?！?/p>

中車四方看到，用戶和裝備商的熱情沒(méi)有預(yù)想中的高。盡管碳纖維輕量化的項(xiàng)目正在嘗試，但從工業(yè)層面上看只是淺嘗輒止，并沒(méi)有大量的投入和相應(yīng)數(shù)量的產(chǎn)線建設(shè)。

“碳纖維作為戰(zhàn)略材料應(yīng)該由大型企業(yè)主導(dǎo)，形成專業(yè)的細(xì)化分工。”丁叁叁有些感慨。

所幸，對(duì)于碳纖維導(dǎo)入高速磁懸浮等列車的應(yīng)用，民營(yíng)碳纖維企業(yè)的熱情高漲。與這些供應(yīng)企業(yè)合作，丁叁叁的感受頗深，有感動(dòng)也有困惑。

“他們都很有情懷，開放、積極，做了大量的工作?！?/p>

但碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展不均衡，一方面市場(chǎng)不充分，另一方面產(chǎn)業(yè)技術(shù)不充分。有數(shù)據(jù)顯示，2018年全球碳纖維需求量約 92.6 千噸。在細(xì)分市場(chǎng)的應(yīng)用上，風(fēng)電葉片、航空航天、體育休閑及汽車領(lǐng)域的需求達(dá)到 68.1 千噸，占據(jù)碳纖維全球需求總量的 73.5%。

碳纖維發(fā)展仍處于高端往低端邁進(jìn)的過(guò)程中，但還未接地氣。“沒(méi)有足夠的市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，但也是因?yàn)闆](méi)有讓用戶為之心動(dòng)的完整的解決方案?！倍∪硎?。

“很多乍一聽很有吸引力的方案，但真正面臨應(yīng)用的時(shí)候，還是很難。”

“不能提供完整的解決方案，歸根結(jié)底，就是規(guī)?；蛔恪I(yè)化的路未通、主體缺位?！倍∪偨Y(jié)道。

主體缺位導(dǎo)致分工同質(zhì)化嚴(yán)重，國(guó)產(chǎn)碳纖維企業(yè)數(shù)量達(dá)到80多家。生產(chǎn)碳絲的企業(yè)占不少，碳絲的型號(hào)強(qiáng)度也包括T300到T700不等。從行業(yè)內(nèi)而言，T300到T700技術(shù)差異很大，但從另一個(gè)層面而言其實(shí)都屬于一類技術(shù)。

“同一類技術(shù)，為什么不能大家集中投資把它徹底解決呢？”站在中車四方的角度，丁叁叁說(shuō)出了自己的困惑。

另外，不少做碳絲的企業(yè)為了找到生存空間，延伸產(chǎn)業(yè)鏈布局預(yù)織品等，導(dǎo)致未集中精力深耕碳絲工藝?！皬钠髽I(yè)生存角度而言沒(méi)有錯(cuò)，但是從整個(gè)行業(yè)發(fā)展來(lái)看，不符合工業(yè)化分工的趨勢(shì)。從行業(yè)的大發(fā)展上看，我個(gè)人覺得有必要進(jìn)一步去理順?！?/p>

03

抓住窗口期是關(guān)鍵

為了把“美人”從大門內(nèi)迎出來(lái)，丁叁叁很重視與碳纖維企業(yè)保持溝通。

每年的“碳纖維及其復(fù)合材料技術(shù)與應(yīng)用研討會(huì)”，丁叁叁都會(huì)參加，與碳纖維行業(yè)的企業(yè)和專家學(xué)習(xí)交流?！懊磕甑倪@個(gè)時(shí)候?qū)ξ覀儊?lái)說(shuō)很重要?！?/p>

對(duì)于研發(fā)機(jī)車車輛的丁叁叁團(tuán)隊(duì)而言，對(duì)于碳纖維復(fù)合材料的理解仍然有限，通過(guò)與碳纖維復(fù)合材料的研發(fā)、制造單位、企業(yè)一起坐下來(lái)探討面臨的難題，群策群力找到解決方案無(wú)疑是不錯(cuò)的機(jī)會(huì)。

“美人”什么時(shí)候才能迎出來(lái)，丁叁叁認(rèn)為，希望從政產(chǎn)學(xué)研用等多方面，一起達(dá)成共識(shí)，也許三五年就會(huì)出現(xiàn)很大的變化。

作為機(jī)車車輛的研發(fā)力量，丁叁叁團(tuán)隊(duì)也正用自身的力量去推動(dòng)。

早前，丁叁叁的團(tuán)隊(duì)定下了清晰的規(guī)劃：一是進(jìn)行軌交列車材料的替代，二是在通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化把技術(shù)催熟，三是憑借成熟技術(shù)進(jìn)行批量化的生產(chǎn)和推廣。

兩年的時(shí)間，一切按照預(yù)期計(jì)劃在推進(jìn)。

丁叁叁團(tuán)隊(duì)做了大量低成本、高效率部件的試制，并取得了一些成果。如高鐵的司機(jī)室，磁懸浮的很多樣件也取得不少成果，準(zhǔn)備裝車，“可能到明年或者是后年，可能會(huì)有更大的一些東西出來(lái)，如車體、轉(zhuǎn)向架等部件。”

出于綜合性能需要，鎂合金、碳纖維及其他新型的材料技術(shù)也都在不斷嘗試。但面對(duì)越復(fù)雜的環(huán)境，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用潛質(zhì)就越大，“我希望磁懸浮在碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用上能夠達(dá)到10%~30%以上的覆蓋范圍，這樣才能帶來(lái)整個(gè)列車系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型升級(jí)或代際變化。”

在2020年8月的“2020第六屆碳纖維及復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)大會(huì)”上，丁叁叁這樣總結(jié)團(tuán)隊(duì)的工作：經(jīng)多年努力，取得長(zhǎng)足進(jìn)步，成就斐然?？傮w進(jìn)展緩慢，應(yīng)用進(jìn)程到需求窗口交集動(dòng)態(tài)令人擔(dān)憂。

中國(guó)軌道交通行業(yè)的活力，為碳纖維的推廣帶來(lái)需求窗口。

相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，截止2020年6月，國(guó)內(nèi)干線已開通86條，3.7萬(wàn)公里，在線列車3665組，運(yùn)營(yíng)里程及列車保有量均占世界2/3。

按照國(guó)家鐵路局的規(guī)劃，到2030年，高鐵里程將達(dá)4.5萬(wàn)公里，投入使用7000組列車。城軌方面，截止2019年底，國(guó)內(nèi)40市已開通208條城軌，6736公里里程，列車6966列?！邦A(yù)計(jì)到2025年總計(jì)再建7800公里，保有量將超16000列?！?/p>

但針對(duì)碳纖維在軌交車輛上的應(yīng)用，業(yè)界能否抓住高鐵發(fā)展窗口期并披荊斬棘搭上這趟東風(fēng)，著實(shí)考驗(yàn)著復(fù)合材料和軌交車輛兩個(gè)行業(yè)人的智慧。

原文標(biāo)題：高速磁懸浮研發(fā)負(fù)責(zé)人丁叁叁：600km/h需要輕量化 離不開碳纖維

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