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浅谈新材料研发之高速列车轻量化​

发布日期: 2016-09-22
浅谈新材料研发之高速列车轻量化
    对于轨道交通可能大家理解的不错,当列车行驶速度大于250km/小时的时候,对于轨道的冲击磨损跟现在列车对比要大很多,所以国内有着明确的规定,高速列车的轴重最大为19.5T,拖车14.5T。
    物理学来说,列车的运行需要消耗能量,来推动列车前进。列车在前进的过程中,除了消耗动能以外,同时还要克服与轨道之间的摩擦力,面对空气的阻力。高速列车行驶速度大于250km/小时的时候所需要的动能,是现在列车的四倍,同时它还要克服现在列车阻力的10-30倍。
    高速列车的巨大动能在制动停车的短时间内如何消散也是一个困难的问题。一般高速列车采用再生制动(能量回馈电网)和盘型制动(机械摩擦发热制动)结合的方式,这样对盘型制动的盘和闸片的能力(热容量、温升等)的要求十分苛刻。
    通过上面三个方面所述,新材料的研发,在减轻高速列车对于轨道的伤害,节能减排,具有重大的意义。因为高速列车对于材料的要求严格,本身相比常规列车还要承担大功率,满足高要求,这样又会增加高速列车的重量,所以现在轻量化列车的技术是关键,也是推动高速列车发展的重中之重。
    一、怎么实现列车轻量化
    列车的高速化,一方面要求提高机车的牵引功率,另一方面要求实现列车的轻量化和采用阻力更小的列车外型设计。新材料的应用是轻量化的最主要和最有效的途径,是发展高速列车最重要的关键技术之一。
    高速列车的轻量化,从一般意义上理解,似乎只需要采用轻质高强的材料即可解决。但是,实际上问题要复杂得多,绝非一个“轻”字就可解决。高速列车的轻量化,与飞机、航天器乃至汽车的轻量化有很大的不同。相对上述交通工具而言,火车是一种在铁轨上行驶的庞然大物,随着速度的提高,轮轨冲击的加剧和寿命期营运里程的延长,对走行部和车体材料提出的要求更高,需采用比原有材料性能更优异的新材料及更优化的结构。
    对材料而言,一般来说,除了要求轻质之外,还必须具有更高的强度、模量、韧性、耐磨、耐疲劳、耐老化等性能。对于在列车不同部位使用的材料,还有许多特殊的要求。例如,车轮材料除了要有足够的强度、韧性、耐磨性外,还必须具有耐擦伤剥离的性能;随着列车速度和动能的增大,高速列车的制动盘和闸片除了必须满足制动所需的摩擦特性外,还必须有更好的耐温和耐磨性能;高速带来的冲击、振动和噪声的加剧,要求采用更好的减振降噪元件,其中包括粘弹性能、耐疲劳、耐老化性能更优的橡胶元件,以保证乘坐的安全舒适;而有机高分子材料及其复合材料的使用,还必须考虑其阻燃、无污染、耐老化等问题。凡此等等,高速列车轻量化对材料提出了更为严格更为复杂的要求,开辟了一个新材料研究和应用的新领域。
    高速列车对轻量化的要求也反映到车体和结构件的设计上。优化结构设计是轻量化的另外一个途径。要求在满足强度和其他使用要求的前提下,通过采用新材料和优化结构来尽可能降低重量。其中包括采用有限元法分析结构件的受力状态和计算应力分布,应用计算机辅助设计优化部件结构,以尽可能减轻结构件的质量。
    列车轻量化是个系统工程,它包括设计观念、设计方法、新材料选用、试验等诸多方面并贯彻在总体设计、零部件设计、制造工艺、试验鉴定的研制全过程之中。
    二、列车的轻量化主要从哪几方面入手
    (1)改变车辆结构参数。采用矮车体(3590~4000mm)并采用鼓型断面,可以减小车辆自重并可减小气动阻力。为加大车内净高,保证旅客有较高的舒适度,宜采取分体式空调或诱导式空调系统。
    (2)设立列车计算机控制网络。取消以往数量庞大的列车通信(控制)线,设立1对或2对网络线,既可大大减轻列车重量,又可提高通信品质。
    (3)采用高性能材料。如用高强钢制造转向架,采用铝合金来制造车体及其他承载部件,采用合成蜂窝材料制造车体内装构件,采用高性能轻质的隔热材、送风道以及薄壁不锈钢管、薄壁电缆、合成材料管路等。
     (4)采用有限元分析等现代方法对车辆及其零部件进行结构设计优化,以最轻的重量取得最大的强度和刚度;采用现代湍流理论对车体外形进行优化,以期取得最小的气动阻力和良好的侧风稳定性等。
    (5)采用集成化、模块化设计。以最小的体积来实现规定的功能。
    三、列车上可采用的轻量化材料有哪些?各有什么特点?
    1、高速列车使用的轻量化材料主要有:
    (1)高强度钢(屈服限300MPa级、400MPa级、500MPa级或更高)。主要用于制造转向架部件。我国现在只采用300MPa级的Q345钢和16Mn。
    (2)铝、镁合金。由于铝合金强度/质量比高(超过3倍),特别是现代大型空心薄壁铝材轧制技术的完善,铝合金成为制造高速列车车体最理想的材料。由大型空心型材组成的车体较钢车体可减少1/2质量。此外,铝、镁合金也在车内结构件、管线、风道、压力容器、装饰件等方面得到广泛的应用。近年来,国外有用镁合金、钛合金等航空材料代替铝合金来制造车体骨架的尝试,其质量只有铝合金的66%,减重效果更加明显。
    (3)不锈钢。不锈钢的强度范围广(有200MPa级、300MPa级、400MPa级或更高的600MPa级)、装饰性好且不锈蚀。由于不易解决车体气密性问题,故不锈钢只用于制造200km/h速度级列车的车体,比普通碳素钢车体可减重1/3。在高速列车上主要用于制造车内承载件和装饰件。
    (4)蜂窝材料。蜂窝板材通常由上下面板和蜂窝芯材组成。由于蜂窝芯材密度极小(约只有同厚度材料的1/10),重量轻、刚度大,而且具有优良的隔音、隔热性能,故在高速列车的内装结构上得到广泛的应用,如用于地板、顶板、间壁、设备舱底板、舱门等。由于用不同材料制造,蜂窝分铝蜂窝、芳沦蜂窝、玻璃钢蜂窝、碳纤维防外窝等。有时面材和芯材也用不同材料,为复合蜂窝,例如,飞机地板就采用单向碳纤维面板、芳沦蜂窝芯的复合蜂窝板,其强度、刚度和抗冲击能力极好。在蜂窝的装饰面可用粘贴、真空吸附等方法覆装饰膜,装饰效果很好。
    (5)玻璃钢。玻璃钢有不腐蚀、易成型、重量轻的特点。在高速列车上主要用于制造复杂曲面装饰板。由于高速列车有轻量化要求,通常不采用手糊方式制造,而是通过模压制造,以保证尺寸精度和重量轻。在玻璃钢的装饰面可喷涂或用真空吸附等方法覆装饰膜,装饰效果也很好。高速列车的头锥通常用带骨架玻璃钢,重量轻、易成型、易修复。
    (6)碳纤维。由于碳纤维织物重量轻,有极高的强度、硬度和特耐高温,是极其重要的航空、航天材料。国外已有用碳纤维制造车体、转向架构架及制动盘和闸片的报道。目前国内也有开始将碳纤维用于列车设备舱底板的尝试。可以预见,碳纤维是一种理想的材料,它必将在高速列车上得到广泛的应用。
    (7)其他。高速列车轻量化是一个系统工程,除上述外,还要在防寒、油漆、减振、内装等诸多方面选择更为轻型的材料。
    2、高速列车轻量化新材料的类型主要包括:
    (1)轻金属合金材料。如铝合金、镁合金等。铝合金由于密度小、比强度高,耐蚀性好,在汽车、列车、船舶、航空、航天等领域得到了广泛的应用。就轻量化而言,铝合金是一种成熟的轻金属材料。国外铝合金车体已经工程化,国内也已应用于高速列车车体顶盖、齿轮箱箱体等许多部件。铝合金的进一步加工材料如泡沫铝、铝蜂窝等在高速列车上也有应用前景。
    (2)高分子材料。如塑料、橡胶、涂料等。塑料、涂料等高分子材料已广泛应用于车厢内部的各种用品和装饰材料,其轻量化效果十分明显。最新研究进展表明,各种工程塑料也能用来制造车体和许多结构件。特别值得一提的是橡胶弹性元件在高速列车上的应用。橡胶元件对高速列车的减振降噪作用特别显着,对高速列车的舒适平稳具有无可取代的作用。国外已有在列车上采用弹性车轮的报道。橡胶元件在用于弹簧装置、定位装置时,由于其良好的三维特性和质量小的特点在提高转向架整车性能上体现出越来越明显的优势。我国已越来越重视橡胶元件的生产和运用。株洲时代新材料股份有限公司生产的V型弹簧、天然橡胶球绞、空气弹簧等系列弹性元件,已广泛应用于列车特别是高速列车上,减振降噪效果显着。
    (3)复合材料。复合材料是以纤维、颗粒等作为增强材料,以聚合物、陶瓷、金属等作为基体复合而成的具有优异性能的新型材料。它具有高比强度、高比模量、耐疲劳、耐腐蚀、隔热、耐磨、低成本、可设计性强等一系列优点,正在成为高速列车轻量化越来越重要的一类材料。过去复合材料主要用于列车内部装备和装饰等非结构件,如地板、墙板、门窗、座椅、车门、卫生间等。现在越来越多地应用于各种结构件,例如,车体和车头前端部采用玻璃钢复合材料、芳纶纤维增强环氧树脂复合材料或碳纤维复合材料蜂窝夹层。转向架构架也采用了碳纤维增强复合材料。除了聚合物基复合材料外,制动盘采用了金属基复合材料、碳/碳复合材料或SiC陶瓷增强铝基复合材料,碳滑板采用碳—金属纤维及碳—铜复合材料,等等。
    根据现在国际上的的数据统计,复合材料是高速列车轻量化最有发展前景的新材料,也是高速类车必备的材料。如需了解更多胶粘剂知识,请关注回天新材http://www.huitian.net.cn/官网!

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