軌道車輛的車門是車輛的關(guān)鍵部件，直接關(guān)系到車輛的安全平穩(wěn)運(yùn)行，以及乘客乘坐車輛的舒適度。軌道車輛車門系統(tǒng)受力和工況復(fù)雜，在軌道車輛車門設(shè)計(jì)前首先要明確相關(guān)技術(shù)要求，以確保設(shè)計(jì)滿足相關(guān)的技術(shù)要求。具體技術(shù)要求見圖5。

CFRP 軌道車輛車門設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究提出了碳纖維層壓板纖維鋪設(shè)角度至少要包括0o、±45o、90o。由于車門結(jié)構(gòu)復(fù)雜，纖維在車門厚度變化處要盡量保持連續(xù)和平直，以保證局部的強(qiáng)度和剛度，必要時(shí)可在車門內(nèi)部增加縱橫向的層壓板來保證車門整體的強(qiáng)度和剛度。研究提出了車門主體結(jié)構(gòu)采用“三明治”方式(見圖 6)，外部為碳纖維蒙皮，中間夾芯為聚對苯二甲酸乙二醇酯材料、聚氯乙烯發(fā)泡材料或者鋁蜂窩材料，蒙皮和夾芯以樹脂黏接方式連接，具有較高剛度，又可有效減重。

在中間填充材料一致的情況下，厚 0.5 mm 的碳纖維板“三明治”結(jié)構(gòu)的比剛度優(yōu)于厚1 mm的鋁蒙皮“三明治”結(jié)構(gòu)。碳纖維板的質(zhì)量比鋁蒙皮的更輕，碳纖維板“三明治”結(jié)構(gòu)形式的材料結(jié)構(gòu)有著更好的比剛度，在滿足軌道車輛車門系統(tǒng)技術(shù)要求的同時(shí)能顯著為車門減重，達(dá)到節(jié)能降耗的效果。

車體是軌道車輛的關(guān)鍵構(gòu)件，車體的主要性能指標(biāo)包括剛度、強(qiáng)度、耐腐蝕性和疲勞壽命等，這些性能指標(biāo)均與車輛的可靠性和安全性息息相關(guān)。現(xiàn)階段軌道交通車輛車體材料主要為傳統(tǒng)金屬材料，主要包括不銹鋼、鋁合金、碳鋼，這些傳統(tǒng)金屬材料均存在金屬材料無法克服的固有缺陷，難以勝任不斷升高的軌道車輛制造要求。由于CFRP自身具有的優(yōu)異性能，其已成為目前最受青睞的一種材料。

2018年1月，在柏林展會上中車長客公布了完全自主研制的全世界第一輛全CFRP地鐵車體(見圖7)。其車體為CFRP 夾芯結(jié)構(gòu)，采取了模塊化設(shè)計(jì)理念，通過一體化技術(shù)成型而成，相比原鋁合金車體減重 35%，在試運(yùn)行中跑出 100 km/h 的最高時(shí)速，該車輛有著出色的力學(xué)性能、防火阻燃性能、乘坐舒適性和節(jié)能環(huán)保性能。

該全CFRP車體(見圖8)為一種筒形薄壁整體結(jié)構(gòu)，車體關(guān)鍵尺寸為：長19 000 mm，寬2 800 mm，車頂面距軌面高 3 478 mm。該車體充分發(fā)揮了CFRP可設(shè)計(jì)性強(qiáng)和一體化成型優(yōu)勢，按照模塊化設(shè)計(jì)思路將傳統(tǒng)金屬車體的兩側(cè)側(cè)墻與車頂作為一個(gè)整體，整個(gè)車體劃分為 U 形車身、端墻、底架(含牽枕緩、邊梁和端梁)三大模塊(見圖9)。三大模塊之間通過鉚釘和螺栓進(jìn)行連接，同時(shí)用密封膠密封。出于車體各部件受力特點(diǎn)、生產(chǎn)效率和制造成本三方面因素考慮，該車體采取了以低成本非熱壓罐成型工藝(OOA)為主，并聯(lián)合輔助熱壓罐、拉擠、樹脂導(dǎo)入等工藝路線制成。經(jīng)過強(qiáng)度計(jì)算分析、典型件試驗(yàn)和車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)證明，該CFRP

車體各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到了地鐵車輛使用要求，同時(shí)，相比同類金屬車體各項(xiàng)性能都有較大幅度的提升，其中：質(zhì)量降到同類金屬車體的65%左右，減重效果明顯；使用壽命能夠保證大于30年；隔聲性能良好，達(dá)到車輛降噪要求的 70%；隔熱性能良好，CFRP車體相比傳統(tǒng)車體能夠減少50%以上的隔熱防寒材料使用量；此外，車體的耐疲勞性能、耐腐蝕性能、減振性能、外觀質(zhì)量也得到顯著提升。

軌道車輛空調(diào)機(jī)殼體具有尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、使用壽命長等特點(diǎn)，通常為一體式結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)空調(diào)機(jī)殼體不同，CFRP 空調(diào)機(jī)殼體有著諸多優(yōu)點(diǎn)，主要包括：強(qiáng)度高且質(zhì)量輕，優(yōu)異的可設(shè)計(jì)性，優(yōu)異的耐酸性、耐堿性、耐沖刷性和耐腐蝕性。這些優(yōu)點(diǎn)使得CFRP空調(diào)機(jī)殼體的壽命顯著高于傳統(tǒng)金屬材料的。

CFRP空調(diào)機(jī)組殼體三維設(shè)計(jì)建模、有限元仿真分析、振動試驗(yàn)證明CFRP應(yīng)用于軌道車輛空調(diào)機(jī)組殼體能滿足軌道車輛相關(guān)使用要求，而且能顯著減重，與相同的鋁合金殼體和不銹鋼殼體相比，僅為鋁合金殼體質(zhì)量的70%左右，不銹鋼殼體質(zhì)量的35%左右。

目前CFRP在軌道車輛輕量化方面主要應(yīng)用于地鐵、輕軌、有軌電車的部分零部件，包括車身外殼、車頭罩、司機(jī)室、導(dǎo)流罩、司機(jī)臺、裙板等，相比玻璃鋼材料減重20%~30%，而且強(qiáng)度、剛度、防火阻燃性等指標(biāo)也明顯優(yōu)于玻璃鋼材料。CFRP是未來軌道交通車輛輕量化的一個(gè)重要發(fā)展方向，我國現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)與國際先進(jìn)水平存在較大差距，但隨著我國在該領(lǐng)域研究的不斷深入，差距將逐漸縮小，2018年中車青島四方和中車長春分別推出了新一代碳纖維地鐵車輛，2024年6月中車四方機(jī)車股份公司聯(lián)合青島地鐵集團(tuán)發(fā)布了商用碳纖維地鐵列車，該車的主承載結(jié)構(gòu)，包括車體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架等都是采用碳纖維復(fù)合材料制造而成，預(yù)示了我國CFRP在有軌車輛制備方面上升到了一個(gè)新的臺階。

CFRP在軌道交通車輛裝備方面的研究應(yīng)用目前主要分為功能性和結(jié)構(gòu)性兩大類。功能性應(yīng)用具體是指軌道交通車輛內(nèi)飾(具體包括座椅、扶手、空調(diào)架殼體、司機(jī)臺等)，主要是發(fā)揮CFRP的減振降噪、隔熱防火、透波等作用。結(jié)構(gòu)性應(yīng)用(具體包括車門、車體、司機(jī)室、轉(zhuǎn)向架、設(shè)備艙、裙板等)是指車輛的承載構(gòu)件。功能性構(gòu)件的工況好，構(gòu)件承受載荷小，關(guān)鍵點(diǎn)是需要滿足EN45545R類HL3級防火阻燃標(biāo)準(zhǔn)，因此，樹脂體系的選擇是問題的關(guān)鍵，普通環(huán)氧樹脂已無法滿足防火阻燃標(biāo)準(zhǔn)，隨著樹脂體系的不斷研究，出現(xiàn)了無鹵阻燃環(huán)氧樹脂。

近年來，我國在 CFRP 產(chǎn)品設(shè)計(jì)、成型工藝、制備技術(shù)等方面取得了快速的發(fā)展，國內(nèi)也成長起來一批優(yōu)秀的企業(yè)，然而受到多重因素的影響，目前 CFRP 在軌道交通車輛裝備領(lǐng)域的應(yīng)用十分有限。基于我國“十四五”規(guī)劃和CFRP未來發(fā)展需要，軌道交通車輛裝備將是CFRP事業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向，現(xiàn)階段國內(nèi)CFRP企業(yè)和軌道車輛企業(yè)可將研究方向定位于功能性構(gòu)件和結(jié)構(gòu)性應(yīng)用中的非主承載構(gòu)件，建議國內(nèi)相關(guān)企業(yè)和科研院所將空調(diào)殼體、司機(jī)臺、車門、設(shè)備艙作為目前重點(diǎn)研究的對象，未來隨著研究不斷深入和經(jīng)驗(yàn)不斷積累再向車體、轉(zhuǎn)向機(jī)、司機(jī)室等大型結(jié)構(gòu)性應(yīng)用構(gòu)件和主承載構(gòu)件過渡，循序漸進(jìn)地推進(jìn)我國CFRP在軌道車輛裝備輕量化中的普及應(yīng)用，最終超越國際競爭對手，擴(kuò)大國內(nèi)外市場，在軌道交通領(lǐng)域完成高質(zhì)量轉(zhuǎn)型。