1.前言

集裝箱運輸在提高運輸裝卸效率，保證運輸質(zhì)量和保護生態(tài)環(huán)境等諸多方面具有突出的優(yōu)越性，許多國家和地區(qū)都采取各種優(yōu)惠措施不斷擴大集裝箱運輸。我國的集裝箱運輸從20世紀50年代開始起步，目前已成為我國鐵路貨物運輸?shù)闹匾绞健?br />
　　然而，在鐵路集裝箱制造方面，由于技術(shù)和試驗手段落后，存在著品種單一，自重偏高等問題，在很長一段時間只能生產(chǎn)鋼質(zhì)與鋁合金質(zhì)的集裝箱。近幾年，快速發(fā)展的輕質(zhì)，高強．高分子復合材料，以其具有高的比強度、好的疲勞性能、減振性能、耐化學腐蝕及耐熱性能，并易于維修、清理等特點，引起各有關(guān)方面的高度重視。對鐵路貨運而言，一些易燃、怕濕、易腐蝕等貨物特別適合使用復合材料的集裝箱進行運輸。

　　在集裝箱制造使用的材料方面，曾出現(xiàn)過鋼質(zhì)箱、鋁質(zhì)箱和用合成材料制成的玻璃鋼箱。由于我國復合材料研究工作起步相對較晚，使得復合材料的性能難以滿足集裝箱設(shè)計的要求，特別是剛度問題和自重的矛盾，大大制約了復合材料集裝箱的研制。目前，我國復合材料研究取得了快速發(fā)展，生產(chǎn)工藝水平大大提高，復合材料板的強度和承載性能已經(jīng)超過普通的合金鋼(如16Mn鋼)。以往復合材料存在的塑料老化、連接處強度削弱大的缺點已基本克服，復合材料產(chǎn)品在許多行業(yè)中得到推廣應(yīng)用。我國研制復合材料集裝箱的外部條件已經(jīng)成熟。

2　鐵路集裝箱應(yīng)用復合材料的可行性

2.1　復合材料工業(yè)的發(fā)展

我國的復合材料研究起始于1958年。1961年研制成用于遠程火箭的玻璃纖維酚醛樹脂燒蝕防火彈頭，1962年引進不飽和聚酯樹脂、噴射成型和蜂窩夾層結(jié)構(gòu)成型技術(shù)，并制造了玻璃鋼的直升機螺旋槳葉和風洞葉片，同年開始纖維纏繞工藝研究并生產(chǎn)出批氧氣瓶等壓力容器。自20世紀70年代以后玻璃鋼復合材料逐漸轉(zhuǎn)向民用。1981年復合材料年產(chǎn)量為1.5萬噸，到1986達到6.5萬噸，年增長率為13％。1987年以后在國家改革開放政策指引下，大量引進國外先進技術(shù)，形成了研究、設(shè)計、生產(chǎn)及原材料相互配套的較為完整的工業(yè)體系。到1995年國內(nèi)玻璃鋼產(chǎn)量已達到16.5萬噸，產(chǎn)品近2000種，機械化年生產(chǎn)能力達25萬噸。我國的玻纖工業(yè)2001年總產(chǎn)量已達到27萬噸。先進復合材料構(gòu)件正在由次承力件向主承力件過渡。在成型工業(yè)方面，先進復合材料借助玻璃鋼成型技術(shù)逐步實現(xiàn)由手糊到機械化、自動化的轉(zhuǎn)變。
　　由于集裝箱結(jié)構(gòu)相對簡單，玻璃纖維基復合材料(玻璃鋼)完全能滿足設(shè)計要求，而玻璃纖維基復合材料正是目前我國復合材料工業(yè)的重點產(chǎn)品。目前復合材料工業(yè)的發(fā)展水平，完全適應(yīng)我國鐵路集裝箱制造的要求。

2.2　專用復合材料集裝箱的研制

近幾年，由于專業(yè)領(lǐng)域?qū)b箱的要求越來越高，特別是在航空領(lǐng)域，設(shè)計了一些專用集裝箱。復合材料集裝箱是以集裝箱在腐蝕、磨損、沖擊、載重、運輸?shù)葟碗s工況條件下長期使用為目的進行設(shè)計的，通過合理設(shè)計使集裝箱具有適于運輸?shù)母弑葟姸然蚋弑饶Ａ康牧W性能。復合材料集裝箱的設(shè)計以材料設(shè)計為主線，功能設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計為重點，三者相互協(xié)調(diào)，同步進行。所用組分材料有增強材料、基體材料功能材料及輔助材料四類。增強材料有金屬纖維(或金屬層)，合成纖維，玻璃纖維；功能材料有耐磨、減摩、導熱、導電、耐腐蝕功能填料及助劑等；基體材料主要選用環(huán)氧樹脂和不飽和聚酯樹脂；輔助材料為固化劑、促進劑、溶劑、增韌劑等。增強材料既發(fā)揮其力學性能，又同時發(fā)揮物理化學功能，從功能、結(jié)構(gòu)兩方面同時發(fā)揮纖維的作用。金屬纖維具有高彈性模量、導電、導熱、高硬度的特性；合成纖維則耐腐蝕、耐磨損、高延伸率、低密度；玻璃纖維強度高、硬度大、透微波。纖維的多種功能與功能填料助劑的合理配合使超混雜復合材料的設(shè)計有較大的自由度，多相材料復合的界面技術(shù)可使非均質(zhì)纖維、微粒狀組分材料與基體樹脂可靠粘結(jié)，并使復合材料內(nèi)部的應(yīng)力平衡，以保持其良好的尺寸穩(wěn)定性和成型工藝可行性。

　　設(shè)計的專用集裝箱為空運集裝箱，包括5 t集裝箱和2.5 t集裝箱兩種型號，目前已經(jīng)在軍隊物資空運中進行試用。采用復合材料設(shè)計的集裝箱主要有以下幾個特點。

　　(1)自重輕。以5 t集裝箱為例，外部尺寸為2991 mm x 2238 mm x 2438 mm，原有鋁合金結(jié)構(gòu)集裝箱設(shè)計自最達670 kg采用復合材料設(shè)計的集裝箱自重僅500 kg。

　　(2)耐腐蝕、耐磨損、抗沖擊。試驗中，曾經(jīng)將集裝箱滿載從1.5m高度自由跌落，箱體完好如初，各組成部分均為正常狀態(tài)。

　　(3)可維修性好。試驗中對集裝箱進行人為破壞，用大錘將側(cè)壁鑿壞后進行修補，通過進行簡單的粘接打磨，集裝箱維修后除表面顏色略有差異外，整體性能未受影響。

 　 (4)中性價比較高。由于目前專用集裝箱為試制產(chǎn)品，造價相對較高，比鋼制集裝箱高約30％，若批量生產(chǎn)，造價能有較大幅度降低。同時，由于維修養(yǎng)護費用相對較低，復合材料集裝箱的總體性價比是較高的。

　　專用復合材料集裝箱的研制成功，為復合材料集裝箱在鐵路貨運中的應(yīng)用，起到了技術(shù)儲備及借鑒作用。

2.3　大型結(jié)構(gòu)化通用程序的應(yīng)用

近幾年，大型結(jié)構(gòu)化通用程序在新型結(jié)構(gòu)設(shè)計中廣泛使用，為復合材料集裝箱設(shè)計提供了較好的設(shè)計平臺。大型結(jié)構(gòu)化通用程序設(shè)計復合材料集裝箱的流程見圖1。
      

大型結(jié)構(gòu)化通用程序ANSYS中，包括復合材料單元，集裝箱設(shè)計所采用的層合板單元，在該程序中也能夠應(yīng)用，這使得力學分析工作大大簡化，為復合材料集裝箱優(yōu)化設(shè)計工作，提供了較好的設(shè)計平臺。圖2為用ANSYS分析得到的復合材料集裝箱整體叉裝變形云圖。圖3為該集裝箱的整體吊裝變形云圖。此外還可以得到其應(yīng)力云圖，由于篇幅原因，不再列舉。
           
                                                        

3　復合材料集裝箱在鐵路運輸中存在的問題分析

(1)連接的可靠性問題。目前復合材料設(shè)計中，一般采用膠接與鉚釘連接共同受力的連接方式，這種連接的可靠性雖然已經(jīng)得到了其他行業(yè)的驗證，但鐵路運輸有其環(huán)境和功能的特殊要求，其可靠性問題有待進一步驗證。

　　(2)質(zhì)暈監(jiān)控問題。傳統(tǒng)的質(zhì)量監(jiān)控手段對層合板結(jié)構(gòu)的集裝箱而言，很難保證其可行性。對金屬結(jié)構(gòu)的探索手段與控制指標，在復合材料施工中無法應(yīng)用。因此，必須從規(guī)范入手，提供可供指導施工的質(zhì)量保證大綱。

　　(3)溫度及日曬。集裝箱運輸，不可避免地要裸露于外部環(huán)境中，而日曬和溫度，特別是低溫，對膠的性能影響較大，對此需要進行試驗研究。

4　結(jié)束語

將復合材料集裝箱應(yīng)用于鐵路貨運中，既滿足行業(yè)的發(fā)展需要：又節(jié)省大量的運輸能源（復合材料自重僅為鋼材的1／6左右)。開展復合材料在鐵路集裝箱制造中的應(yīng)用研究，不僅能夠進一步擴大新型復合材料的應(yīng)用領(lǐng)域，也為鐵路發(fā)展個性化專業(yè)運輸起到積極的作用。現(xiàn)僅就復合材料應(yīng)用于鐵路集裝箱的可行性進行了一些分析，以期能促進鐵路集裝箱研制工作的發(fā)展。