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“科技之翼”拨千斤 产业协同结硕果——全球首批碳纤维复合材料轻量化重载铁路货车发布
“科技之翼”拨千斤
产业协同结硕果
全球首批碳纤维复合材料轻量化重载
铁路货车发布
9月10日，首批6辆身着轻薄碳纤维复合材料“外衣”的重载铁路货车缓缓驶出生产线，向众人展现它们轻量化智能化的超炫“科技范”，这标志着由国家能源集团铁路装备公司、北京低碳清洁能源研究院和中车齐车公司联合研制的全球首批碳纤维复合材料轻量化重载铁路货车正式发布，也标志着我国在重载铁路移动装备新材料制造领域和研发应用方面取得重大突破，对促进我国重载铁路运输绿色低碳转型，具有重大示范意义。
在国家“交通强国”和“双碳”战略指引下，加快交通运输业绿色低碳转型以及数字化、智能化技术研究，成为运输行业发展的重中之重。国家能源集团作为国内最大的铁路自备货车专业化运营管理公司，管理着5万7千余辆铁路货车，车辆轻量化、低能耗、绿色化发展对煤炭运输节能减排起着十分关键的作用。
2022年，国家能源集团适应新发展格局下铁路行业绿色低碳发展要求，推动科技创新和产业创新深度融合，联合开展轻量化与智能化铁路货车研发。由国家能源集团铁路装备公司牵头、北京低碳清洁能源研究院和中车齐车公司联合实施。经过叁年协同攻关，聚焦铁路装备领域轻量化和智能化核心问题，成功研发适用于重载铁路货车领域的先进碳纤维增强树脂基复合材料，攻克了复合板材大部件一体化制备等关键技术难题，并首次将该类新材料应用于重载铁路货车车体主承载结构的制备。该材料比强度、比模量分别为铝合金材质的3-5倍和1.5-1.8倍，能够更好地满足重载铁路货车的轻量化和大部件生产使用要求，具有更轻更节能、强度更高、环境适应性更强等技术优势。
披上新型轻薄高性能“外衣”的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，为国内同轴重铁路货车最高水平，实现了车辆自重降低、载重增加、容积增大的同步协同提升，对提升铁路运输效率具有重要意义。
该型铁路货车还集成了优化改进转碍6型转向架、集成式空气制动装置、高强度重载车钩、自卸式底门开闭机构等新型部件，自主研制了适用于重载铁路货运装备的车载智能监测系统，实现物联网、大数据、云计算等现代信息技术在铁路货车上的集成应用，以科技创新赋能重载铁路装备绿色低碳、智能安全发展。
党的二十届叁中全会对构建支持全面创新体制机制作出重要部署，聚焦关键领域和重大需求，强化公司科技创新主体地位，推动产业链联动和融通创新。国家能源集团与中国中车集团在铁路装备研制、技术开发、运维检修等方面有着悠久的合作历史。2022年9月，双方共同签署了《现代能源运输产业链建设合作协议》。此次科技成果发布，标志着双方在新型铁路运输装备合作领域取得新的突破，进一步推动构建中央公司科技创新战略合作的新标杆、新典范、新高地。
全球首批碳纤维复合材料轻量化重载铁路货车背景资料
全球首批碳纤维复合材料轻量化重载铁路货车由国家能源集团铁路装备公司牵头，联合国家能源集团北京低碳清洁能源研究院和中车齐车公司共同研制，该车的研制成功标志着国家能源集团在铁路移动装备制造领域和产业链协同发展方面取得重要进展，在发挥新质生产力助力关键技术和重要装备制造方面取得新成果。
该款车型的研制聚焦铁路货车领域轻量化和智能化的核心问题，攻克了一系列关键技术，成功研发出适用于重载货车领域的碳纤维复合材料，可应用于重载铁路货车的主要承载结构，极大地优化了车辆的整体性能。基于此材料，成功研制的碳纤维复合材料轻量化重载铁路货车集绿色、智能、高效于一身，其轻量化设计显着降低了能耗和排放，符合绿色环保的核心理念。同时，车辆配备的车载监测系统极大地提升了重载铁路货车的智能化、安全性和可靠性，车辆在绿色、安全、高效的同时兼具实时监控与智能诊断功能，实现了重载铁路货车关键技术的重要突破。
该款车型的研制成功，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，并应用于重载铁路货车车体主承载结构上，碳纤维车体自重较铝合金车体降低20%以上，自重系数低至0.22，为国内最高水平，助力实现“交通强国建设”和“双碳”目标战略；集成应用的车载智能监测设备，为车辆带来状态实时感知和运行故障提前预警能力，并首次在重载铁路货车上实现工程化应用。
一、项目背景
随着社会经济的不断发展，全球资源日趋紧张，生态环境日趋严重，节能减排成为社会经济可持续性发展的重要主题。国家能源集团作为国内最大的铁路自备货车专业化运用管理公司，管理着57640辆铁路货车，车辆轻量化对煤炭运输的节能减排起到十分关键的作用。近年来国家能源集团联合中国中车先后研制了系列铝合金铁路货车，在车辆铝合金轻量化方面取得了显着成果。但现有金属材料在铁路装备的轻量化应用已经到达发展到一定瓶颈，而碳纤维复合材料具有更高的比强度、比模量，在提升车辆轻量化方面具有突出优势。国家能源集团所属铁路装备公司、低碳院联合中车齐齐哈尔车辆有限公司针对铁路货车轻量化与智能化开展研发攻关，研制了碳纤维复合材料轻量化重载铁路货车。
二、项目创新点
1.现有金属材料在铁路装备轻量化应用已经到达发展极限，碳纤维复合材料具备优异的比强度、比模量，研究开发的碳纤维复合材料的比强度、比模量分别为铝合金材料的3-5倍和1.5-1.8倍，轻量化应用潜力巨大。
2.国内外首次在重载铁路货车主承载结构中大规模使用碳纤维复合材料，开创了重载铁路货车碳纤维复合材料应用的先河。
3.创新开发基于碳纤维复合材料的重载铁路货车整体式夹层结构车体，在保证产物强度和性能不降低的条件下大幅降低车体自重，助力重载铁路煤炭运输节能减排和高质量发展。
4.系统集成碳纤维复材、车载智能监测、轴端发电、自卸式底门开闭机构、集成式空气制动装置、高强度重载车钩等铁路货车绿色智能新技术、新材料、新部件，创新研发的新型碳纤维轻量化重载铁路货车各项性能、运输能力优于北美、澳洲同类货车，整体技术水平世界领先。
5.实现车载智能监测系统的集成创新，搭载先进物联网技术，采用低功耗、前端运算设计，实现车辆运行状态和参数的实时监测和故障提前预警。
叁、碳纤维复合材料轻量化重载铁路货车材料特性
根据北美铁路协会统计，自2000年开始，美国98%的新造煤车是铝合金车，铝合金货车较钢质货车具有更好的综合技术经济性。我国运煤货车目前主要为钢质货车，自重系数较大，经济性相对较低。2003年，为满足大秦铁路开行重载运输的需要，我国借鉴北美铁路货车技术，开始首次采用铝合金材料开发运煤货车并研制了颁80型铝合金货车。
采用铝合金材料制造铁路货车，其轻量化效果虽然显着，但是也已达到发展瓶颈。因此，为了进一步降低车辆自重，提高运输效率，必须寻找密度更低的高性能材料应用于铁路货车。研究适用于铁路货车的高强度、高耐久性、轻量化的新材料成为各国铁路货车研发的重点之一。碳纤维复合材料轻量化重载铁路货车研制过程中充分考虑这些因素，专门研发了适用于重载铁路货车主承载结构的碳纤维复合材料，具备优异的比强度和比模量，分别为铝合金材料的3-5倍和1.5-1.8倍，能够满足重载铁路货车的轻量化要求和大部件制备要求，新型车辆车体自重较同类铝合金材料车体降低20%以上，在车辆25吨轴重条件下，实现自重18吨、载重82吨、容积94立方米的综合技术性能，实现了车辆自重降低、载重增加、容积增大的同步协同提升。
四、碳纤维复合材料轻量化重载铁路货车结构特性
受制于制造技术限制，金属材质铁路货车端墙侧墙大部件难以采用整体成型，通常采用尺寸较小的板材、型材通过焊接或铆接方式制备，存在劳动强度高、组装效率低、工艺成本高等问题。而碳纤维复合材料可整体成型，基于此特点开发出一体成型的侧墙、端墙大部件，有效降低了整车组装劳动强度，同时组装效率高，工艺成本低。
碳纤维复合材料具备优异的可设计性，根据车体载荷工况，可进行等强度和等寿命按需设计，进一步提升车辆总体轻量化水平。采用大规模碳纤维纵横预制梁与碳纤维蒙皮共固化、共胶接技术制备的重载车辆端、侧墙，具有承载强度高、尺寸大，生产强度低等特点，大大推进了碳纤维复合材料在重载铁路上的应用进程。
五、碳纤维复合材料轻量化重载铁路货车智能化特性
随着物联网、大数据、云计算和人工智能等信息化技术的快速发展，新一代信息化技术正在与传统工业技术深度融合，引发各行业产生深远的产业变革，“智能化”成为当今世界铁路货车发展的新热点和发展趋势。
目前，国内外铁路货车普遍采用地面监测系统对车辆主要构件和运行质量进行监测，但由于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，因此地面监测系统实现的是间断性监测，可能因车辆运行故障或异常情况不能及时预警而发生安全事故。北美、澳大利亚及欧洲等铁路技术先进国家的车辆运行安全目前虽仍以地面轨边设备监测为主，但在此基础上已开始大量应用具备实时监测能力的车载智能监测系统。与国外货车监测技术的发展相似，由于不具备带电能力，我国铁路货车主要依靠地面监测设备实现车辆的性能安全监测。
9月10日下线的碳纤维复合材料轻量化重载铁路货车，通过融合物联网、大数据、云计算等现代信息技术，基于轴端发电技术，自主研制开发适用于重载铁路货车的车载智能监测系统，采用先进的微机电智能传感器技术，车载智能监测系统能够精准感知车辆运行状态的细微变化。系统采用低功耗、前端运算策略，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。