通往未來的碳星快軌 探訪全球首列商用碳纖維地鐵列車

　　全球首列商用碳纖維地鐵列車在線路上進行動態測試。中車四方股份公司 供圖

　　工作人員對全球首列商用碳纖維地鐵列車進行檢測調試。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，當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計師劉金柱和同事們迎來了一天中最忙碌的時刻。“我們需要利用地鐵1號線這兩三個小時的非運營時間，對碳纖維列車進行用戶現場的線路實驗，讓車輛在真實場景中‘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合青島地鐵集團為青島地鐵1號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布，這是全球首列用于商業化運營的碳纖維地鐵列車，較傳統地鐵車輛減重11%，具有更輕更節能等顯著優勢。

　　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，它將如何引領地鐵列車實現全新綠色升級？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

　　賽場上，它助力運動員刷新紀錄；生活中，它讓“輕裝上陣”成為習慣；太空里，它向金屬材料發起凌厲沖擊……它就是被譽為“工業黑色黃金”的碳纖維。

　　2021年，我國首次成為全球最大的碳纖維生產國。2023年，我國碳纖維運行產能占據全球碳纖維產能的一半。

　　細如發絲、輕若鴻毛、強過鋼鐵的碳纖維，目前在我國已實現多個系列和級別的國產化，廣泛應用于航空航天、軌道交通、船舶車輛、新能源等領域。在航空航天領域，碳纖維憑借其輕質且高強度的特性，成為飛機、導彈等關鍵部件的首選材料。在風電葉片領域，眾多碳纖維生產商積極與風電設備制造商展開合作，共同研發更適配風電葉片的碳纖維材料。此外，日常生活中的碳纖維棒球棒、網球拍、自行車，早已被大眾熟知。

　　輕量化，同樣是軌道交通技術領域的追求。在保證車輛性能的前提下盡可能減輕車身重量、降低運行能耗，是實現軌道車輛綠色化、低碳化的關鍵技術。

　　近年來，地鐵列車越做越輕，不斷地被力學優化的合金材料已經發揮到了性能極限，必須要找到一種綜合型的優良材料。通過反復論證，中車四方股份公司選擇了將碳纖維復合材料應用到“CETROVO1.0碳星快軌”的設計上。

　　“以前的地鐵列車也有運用碳纖維材料的，但是用作裝飾比較多。‘CETROVO1.0碳星快軌’與傳統列車最大的不同是，它的車體、轉向架構架等主承載結構采用碳纖維復合材料制造，實現了車輛性能的全新升級。”劉金柱介紹，中車四方股份公司聯合青島地鐵集團等單位共同攻關，攻克了碳纖維大型復雜主承載結構一體化設計、高效低成本成型制造、全方位智能檢測維護等關鍵技術，在全球首次實現了碳纖維復合材料在商用地鐵車輛主承載結構上的應用，使該車具有更輕更節能、強度更高、環境適應力更強、全壽命周期運維成本更低等技術優勢。

　　車身更輕盈，運行更節能。與傳統金屬材料的地鐵車輛相比，一列6節車廂編組的碳纖維地鐵車輛的車體減重25%，轉向架構架減重50%，整車減重約11%，運行能耗降低7%，每列車每年可減少二氧化碳排放約130噸，相當于植樹造林101畝。

　　“CETROVO1.0碳星快軌”采用“4節動力車+2節無動力車”的編組形式，一共有6節車廂。劉金柱介紹：“如果整列車的車體和轉向架都采用碳纖維材料，那么這列車能減重約24噸。假如列車一年運營12萬公里，大約可以節省13萬度電。”

　　更長壽

　　耐疲勞性能更優，延長結構使用壽命，大大降低后期維護成本

　　手指粗的一束碳纖維，就可以拉動兩架飛機。

　　與如此優質特性相對應的，是碳纖維復雜的生產工藝流程。生產碳纖維要經過上百道工序，三百多項關鍵技術、三千多個工藝參數，經過十多個系統的集成才能制作完成。因此，碳纖維的價格也比其他材料貴不少。

　　算一算經濟賬：生產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”未來具有可復制性嗎？

　　“對于軌道交通車輛碳纖維復合材料部件，如果要實現產業化與規模化，必須從全壽命周期的角度進行評價。”中車四方股份公司技術中心副主任蔣欣介紹，全壽命周期成本是包括產品從研究、設計、制造、銷售、使用直到報廢為止的全部費用。只有將材料及材料選型、工藝設計、結構設計、運行維護、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合材料的應用優勢。

　　蔣欣給記者舉了個例子：“與采用傳統金屬材料相比，碳纖維轉向架構架部件具有更強的抗沖擊能力，耐疲勞性能更優，延長了結構使用壽命，大大降低了后期維護成本。因此從全壽命周期成本考慮，碳纖維列車更‘長壽’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的應用，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量。同時，通過應用數字孿生技術，為碳纖維列車配置了智能運維平臺，實現了整車安全、結構健康及運用性能的自檢測與自診斷，能夠為應急排故提供秒級響應的故障報警數據，同時收集全壽命周期運維數據。一系列創新之舉，提高了運維效率，降低了運維成本，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領域，中車四方股份公司發揮產業優勢，通過十余年的研發積累和“產學研用”協同創新，搭建了全鏈條研發、制造、驗證平臺，形成了從碳纖維結構設計研發到成型制造、仿真、試驗、質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，主動徑向技術有效控制轉彎帶來的噪音

　　與青島地鐵1號線正在運營的黃色列車相比，這列以炭黑色為基礎色的碳纖維列車尤為顯眼。

　　走進頭部車廂，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，乘客握著立柱不會覺得冰手。”劉金柱介紹。

　　日常生活中，在乘坐某些線路的地鐵列車時，乘客會感受到較大的噪音和晃動，影響乘坐體驗。蔣欣解釋道，“地鐵列車每節車廂下面有兩個轉向架，每個轉向架上有兩個輪對，能幫助軌道交通車輛進行轉向。但當地鐵列車在通過小曲線半徑線路，也就是‘急轉彎’時，輪對與鋼軌的摩擦加劇，所以會產生比在直線上行駛時更大的摩擦，帶來噪音。”

　　針對這一困擾軌道交通領域已久的問題，項目團隊研究出了主動徑向技術。在列車過彎時，可通過快速精確調整輪對相對位置，主動控制車輛輪對沿著徑向通過曲線，降低輪軌作用力對車輛和基礎設施的影響，大幅降低了輪軌磨耗和噪聲。此外，這一改進能夠節省30%至50%車輪保養成本。

　　地鐵運行于相對封閉的地下空間，防火安全至關重要。據了解，每一列地鐵車輛在正式投入使用之前，都必須經過15分鐘耐火測試，從而保證車輛外部一旦起火，火勢在15分鐘內不會蔓延至車廂內。

　　碳纖維具有很高的熱穩定性和化學穩定性，在非極端條件下不會燃燒，而碳纖維復合材料中通常含有樹脂等材料作為黏合劑，對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，涂料會迅速膨脹形成致密的碳纖維層，隔絕氧氣和熱量的傳遞，從而阻止火勢蔓延，保障乘客安全。

　　目前，“CETROVO1.0碳星快軌”已完成廠內型式試驗，按照計劃，年內將在青島地鐵1號線投入載客示范運營。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。

　　商用碳纖維地鐵列車的問世，推動了地鐵車輛主承載結構由鋼、鋁合金等傳統金屬材料向碳纖維新材料的迭代，打破了傳統金屬材料結構減重的瓶頸，實現了我國地鐵列車輕量化技術的全新升級，將在推動我國城市軌道交通綠色低碳轉型、助力城軌行業實現“雙碳”目標中發揮重要作用。（記者 沈東方）