3D打印在轨道交通领域的研究现状及展望

目前,轨道交通行业正在以构建快速、柔性制造模式和开发轻量化、绿色化产品为目标,积极探索将3D打印技术应用于产品备品备件、车辆铸件产品用铸型以及复杂高性能结构件的开发和制造过程中。文中分析了主流3D打印技术的技术特色和用途,归纳了现阶段轨道交通领域3D打印技术的应用研究工作,并对急需解决的关键问题以及应用前景进行了展望。     

3D打印技术在铸造工艺中的应用

Additive Manufacturing(下文中简称为AM),即叠层制造技术,或增材制造技术、快速成型技术,本质上就是三维(3D)打印技术。它将机械工程、激光技术、材料技术、CAD等先进科技融为一体,能自动、快速、直接、精准地将设计意图转变为有一定功能的原型(例如铸造工艺用砂型),或直接制作零件,快速成型系统被人们誉为"立体打印机"。如今,3D打印技术正在向先进的制造技术领域发展。文章着重介绍了3D打印技术在铸造工艺中的实际应用,评价了3D打印技术与新铸造技术完美结合给传统工艺带来的重大变革。     

转向架轻量化探讨及展望

转向架轻量化对优化轨道车辆运行性能、减轻车轮磨耗以及节约能源具有深远意义,但减薄壁厚、增加或扩大减重孔尺寸等普通减重方案的优化空间很小。从转向架结构、材料和新型工艺3个方面总结国内外转向架轻量化措施和方法,详细论述铝合金、镁合金、钛合金、碳纤维、复合材料,以及3D打印工艺在转向架轻量化研究中的应用。     

基于电弧焊接的金属3D打印机的开发

日本武藤工业公司与东京农工大学共同研究,开发出采用普通电弧焊接的新型金属3D打印机。其在造型速度、造型物强度、成本方面带来较大的改善。文章介绍了该3D打印装置的基本原理、概况、性能以及应用实例,指出了本装置为普及3D打印机技术打下了良好基础。     

3D打印技术在铁路行业的应用

3D打印技术是一种快速成型技术,应用该技术可对许多部件进行低成本的结构改进,并使之更快地投入使用,从而解决部件供应紧张的问题,显著提高相关系统的可用性。西门子交通公司(Siemens Mobility)在工业3D打印方面拥有丰富的经验,被德国技术检验协会(TüV Sü d)认证为"增材制造服务的工业供应商",其建立的全球互联工业3D打印机网络使用户能够跨越国界限制,快速获取所需备件。文章将介绍该公司在工业3D打印方面取得的成果及其应用。     

基于3D打印的无模化铸型的应用

无模化铸型,所用砂型不是采用传统的模具进行制作,而是通过砂型立体雕刻工艺、激光选择性烧结工艺(SLS)、光固化工艺(SLA)等3D成型技术实现的成型。3D打印技术应用于铸造,可以实现快速成型和无模制造,极大地提高了复杂铸件的生产效率。文章介绍了3D打印技术在铸造方面的应用现状及发展,重点介绍了某公司利用选择性激光烧结(SLS)技术在无模化铸型方面的应用。     

基于3D打印技术的盾构隧道模型设计与制作

以超大直径盾构隧道为原型,基于3D打印技术设计并制作用于振动台试验的盾构隧道关键节点模型。探讨3D打印技术应用于盾构隧道模型设计的技术难点,如结构相似比设计与3D打印材料性质的匹配性、大型结构模型的最优化分块分段打印技术、结构模型的3D打印实现与拼装等。提出大体积结构模型拆分打印的基本原则,制作出符合试验要求的联络通道和工作井等关键节点模型,检验3D打印技术在隧道结构模型设计和制作中的可行性,并总结3D打印技术的优势和制约其推广应用的原因。     

铁路客车车体结构材料的演变与展望

阐述了铁路客车车体结构材料所需性能,描述了传统车体结构材料与制造技术的演变历程,介绍了纳米组织控制铝合金、阻燃镁合金、高性能复合材料等新型轻量化材料的研发与应用。提出我国应加强新型轻量化材料在铁路车辆上的应用研究,全面推动新型轻量化材料在轨道交通领域的革命性发展。     

碳纤维复合材料在轨道车辆应用展望

文章首先介绍碳纤维复合材料在各国轨道交通领域的应用现状,并详细分析碳纤维复合材料在轨道车辆研发、制造、应用方面的关键技术。同时提出碳纤维复合材料在车辆应用的研究方法,并对碳纤维复合材料产业链发展前景进行分析,可为碳纤维复合材料在轨道交通装备制造领域的发展提供借鉴和思考。     

CRTSⅢ型板式无砟轨道系统技术

高平顺的轨道结构是保证高速列车安全、平稳运行的基础,无砟轨道因具有高平顺、高稳定、少维修等优点,在国外高速铁路建设中得到广泛应用。为适应我国高速铁路初期建设需求,在引进国外技术基础上,我国形成了CRTS Ⅰ、Ⅱ型板式和双块式无砟轨道并推广应用,但存在现浇道床开裂、沥青砂浆充填层与钢筋混凝土主体结构寿命不匹配、连续结构温度变形等问题,并在我国铁路"走出去"过程中受到相关知识产权的制约。介绍CRTS Ⅲ型板式无砟轨道研发背景及主要研发历程,阐明其结构特征和技术特点,并从设计理论、轨道结构及接口设计、主要工程材料、轨道板制造、轨道结构施工、养护维修及配套技术标准体系等方面详细说明。CRTS Ⅲ型板式无砟轨道系统的研发,突破了国外专利制约,补齐了高速铁路在基础设施领域技术输出的短板,为"一带一路"倡议和高速铁路"走出去"战略实施提供有力的技术支撑。     

金属3D打印技术在轨道交通装备领域的应用研究现状

金属增材制造(3D打印)被认为是整个增材制造体系中最具价值的技术,其技术难度大,但具备传统铸锻焊制造方法无法达到的轻量化、一体化、无模制造的优点。同时,其成型零部件性能优良,能够很大程度上满足未来轨道交通装备快速化、柔性化、绿色化、定制化制造模式以及产品轻量化、高性能的需求。文章论述了目前主流的金属增材制造技术研究进展及其在轨道交通装备零部件制造和修复中的应用研究现状,并对该技术存在的问题以及在轨道交通装备领域的应用前景进行了展望。     

基于信息化的CRTSⅢ型板式无砟轨道几何形位控制技术

CRTSⅢ型板式无砟轨道采用单元分块式结构,已成为我国300 km/h及以上高速铁路主要轨道结构形式。无砟轨道几何形位是保障列车运营舒适性的关键。为对CRTSⅢ型板式无砟轨道全过程实现几何形位控制,为列车提供高速、稳定、舒适的运营条件,在设计、制造、施工3方面进行研究。在设计阶段采用布板软件实现纵向、平面布板方案智能生成;在制造阶段依据轨道板生产流程,研发了配套的模具、工装、软件,实施自动化测量、自动化管控,以信息化手段保障轨道板承轨台制造精度;在施工阶段采用施工控制软件动态修正轨道板几何形位、实施无砟道床分层控制,可有效提升高速铁路线路平顺性。该技术先后应用于昌赣、商合杭、合安等高速铁路,在无砟道床结构控制、精调平顺指标控制等方面起到了决定性作用。     

3D 打印技术在铁路行业的应用

增材制造,也称3D打印,是一种新兴的快速成型技术,可解决设备零件供应紧张问题,显著提高相关系统的可用性,目前已在铁路行业逐步应用推广。文章将介绍奥地利联邦铁路公司(?BB)在3D打印技术应用方面的实践与经验。     

郑徐高铁CRTS Ⅲ型板式无砟轨道主要技术创新

研究目的:郑徐高速铁路是我国CRTSⅢ型先张板式无砟轨道扩大应用的首条试验线,CRTSⅢ型板式无砟轨道的设计理论、结构设计、工程材料、建造技术等方面都需要系统创新,轨道结构及接口优化、轨道板制造、岔区无砟轨道、路基防水层优化、自密实混凝土制备及施工、布板及精调等关键技术都需要进一步深入研究,本文旨在丰富、发展和完善CRTSⅢ型板式无砟轨道技术体系。研究结论:(1)形成了具有自主知识产权的CRTSⅢ型板式无砟轨道设计、制造、施工等成套技术;(2)郑徐高速铁路开通运营以来,无砟轨道系统状态良好,结构稳定,列车运行平稳、舒适;(3)本研究成果对于提升我国在高速铁路国际市场的竞争力和顺利实施我国高速铁路"走出去"发展战略具有重要意义。     

FDM工艺成型体力学性能的数值分析

3D打印技术是一系列快速原型成型技术的统称,它是一种以数字模型文件为基础,通过逐层打印的方式来制造物体的技术。FDM工艺是目前3D打印技术中使用最广泛的工艺,该工艺成型产品的力学强度主要取决于打印参数的设置。研究使用FDM工艺打印的ABS材料制品的力学性能与打印参数(包括打印层厚度、沉积纤维宽度和纤维铺设角度)之间的复杂关系,使用试验设计法确定了FDM产品的力学强度与打印参数间的定量关系,为使用3D打印技术直接制造功能性产品提供了理论支持。     

CRTS Ⅰ型无砟轨道板绝缘性能控制技术研究

结合哈大客运专线工程CRTS I型轨道板预制施工,进一步完善和优化CRTS I型轨道板预制工艺,并针对轨道板绝缘性能控制技术难题,从结构技术、原材料质量控制技术及施工控制技术等三个方面进行深入分析研究,制订了详细的控制技术措施,效果显著,供同类工程施工参考.     

我国预应力混凝土轨枕技术发展总结及展望北大核心

预应力混凝土轨枕技术的发展是铁路轨道技术进步的重要环节。本文详细梳理总结了我国预应力混凝土轨枕技术的发展历史和现状,并基于总结成果和现场运营经验,提出了轨枕未来技术发展的建议。结果表明,我国预应力混凝土轨枕现场总体使用情况良好,能够满足运营条件的要求。目前,我国轨枕总体水平较高,但在以下方向仍需深入研究:设计技术方面,需要与制造相结合,并与轨道结构整体设计相结合协同研究;制造技术方面,需要从长模流水机组法的改进优化和短模流水机组法的研发两个方向整体提升,同时不断提高生产制造过程中的自动化和信息化,加强生产过程中的监督控制。本文研究成果可为我国预应力混凝土轨枕行业技术进一步发展提供参考。     

基于BIM技术的铁路轨道正向设计系统研究

为解决铁路工程专业间协同设计难度大、专业内构件关系复杂多样、信息模型难以跨阶段应用等诸多问题，阐述了BIM技术在轨道工程领域取得的研究成果，通过构建专业接口实现模型、线路计算模型、轨道结构参照关系模型，将轨道结构设计流程进行数字化表达，依托Bentley平台OpenRail Designer基础软件，研发了“以模型为载体、以数据来驱动”的铁路轨道正向设计系统，系统包含项目设置、数据管理、接口设计、轨道设计、轨道建模、模型应用和拓展应用等七大模块。研究结果表明：该系统实现了上下序专业间的模型级协同设计及轨道结构的参数化建模，软件使用流程契合轨道设计工作流程，轨道信息模型为设计、施工、运维等项目阶段的应用提供信息载体，大幅提高了轨道设计的质量和效率。     

高速铁路轨道工程建造信息一体化技术研究与应用

针对高速铁路轨道工程建造信息一体化技术进行研究和探讨,提出轨道工程信息化平台可分为中国国家铁路集团有限公司信息化总平台(一级平台)、建设单位建造管控信息化平台(二级平台)、施工单位精细化施工管控信息化平台(三级平台)、铁路局集团公司轨道全生命周期运维信息化平台。建造管控信息化平台主要针对设计、制造、施工的建造全过程实现信息化,面向建设单位实现建造过程管控。轨道工程建造信息化关键是实现数字化设计技术和施工过程信息实时准确上传,依托信息化平台实现工程建造精度、建设进度、质量管控、信息追溯、报表统计、超限预警等功能。针对CRTSⅢ型板式无砟轨道,基于B/S架构构建无砟轨道建造信息化平台,实现了轨道设计、制造和施工全过程的数字化、信息化和一体化协同,研发了轨道建造信息化的成套工艺装备、系列软件和信息化平台,实现了建造过程信息化。研究成果在昌吉赣、商合杭等高铁项目进行了全面应用,提升了我国轨道工程建造质量和效率,取得了良好效果。     

蠕变时效处理在轨道客车壁板结构成形中的应用

文章介绍了蠕变时效成形工艺特点、工艺流程、工艺装备及应用案例。依托高速列车司机室前端结构,通过建模仿真分析优化了蠕变时效成形工艺及模具,并进行了试验验证,结果表明:采用蠕变时效工艺可大幅减少蒙皮分块数量,减少焊接热输入量,控制残余应力水平,表面质量良好,成形精度高。对比传统的轨道客车司机室蒙皮生产工艺,蠕变时效工艺在减少材料损伤、改善材料综合性能、提升组装效率、提高结构完整性方面具有潜在技术优势,在轨道客车领域具有重要的工程应用价值和前景。