李明元
天津市自行车研究院 天津市南开区 300111
摘要：针对环境变暖而采取怎样的对策在社会上引起了很大关注，在对工业产品的要求方面，节能也成为考虑的重点。铁路分担了客运量的30%，能耗量不过7%，作为符合节省资源要求的大型运输设备，对它的期望也正在提高。铁路是涉及车辆、轨道、信号系统等诸多领域的综合技术系统，使用的材料涉及范围也很广。尤其车辆的轻量化是一项很重要的技术课题，人们对铝等轻金属材料确实寄予很大的希望。基于此，本文主要对机车车辆对轻金属材料特性的要求进行分析探讨。
关键词：机车车辆；轻金属材料特性；要求
1、机车车辆对材料特性的要求
机车车辆作为与乘客直接接触的交通工具（载体），其设计和制造不仅要考虑行驶性能，而且还要考虑安全性和舒适性等问题。车辆的结构大致可分为支承乘客乘座部分的车体和支承车体的转向架构架，以及由车轮和制动器所构成的转向架部分。
从机车车辆使用的材料来看，其种类是多种多样的，车体使用碳钢、不锈钢和铝合金；转向架（包括车轮和制动器）则使用碳钢、合金钢、铸铁和铸钢。另外，内装饰品（装饰板、窗框等）也采用树脂材料和玻璃纤维增强树脂（FRP），受电弓等电气部件还采用铜合金等材料。其中，车体的主结构材料需要满足下列各项指标要求：
①强度（疲劳强度）；②成形性（可焊接性）；③耐蚀性；④减振/隔音性；⑤耐热性（阻燃性）；⑥可回收利用性；⑦价格低。
目前，车体材料使用碳钢（普通钢）、不锈钢和铝合金。这3种材料根据其特征区别使用，铝合金根据其性能特征用于要求轻量性的场合。对于机车车辆而言，由于：1）实现进一步高速化；2）降低驱动能和改善加、减速性能；3）降低噪音和振动；4）减少钢轨的磨损和损耗；5）降低地基振动等原因，其轻量化是很重要的。尤其是新干线，从初期的钢结构车体换成铝合金的设计开始，在向以能发挥铝合金优良挤压性能的型材为主的结构方向发展，目前使用大型空心挤压型材。从合金种类来看，使用Al-Zn-Mg系列的7N01合金、Al-Mg-Si系列的6N01合金等材料。
这种挤压型材之间的接合采用MIG（金属极惰性气体保护）焊，但接合方法推荐采用摩擦搅拌焊，这是最近引人注目的新工艺。与传统的MIG焊等伴有凝固/熔融的接合法相比，FSW接合法具有很少发生焊接缺陷、焊接变形小等优点，也容易实现自动化，适合于制造车辆车体。
2、对轻金属材料的期望
（1）铝合金
新干线车体广泛采用了铝合金，但对开发和改进所希望的技术课题而言，首先是生产出比现有空心型材（壁厚1.5mm～2mm，最大宽度420mm）更薄更宽的挤压型材。而且，希望在挤压成形的同时实现为轴向弯曲形状（小于R300）和轻量化而实施的孔加工等。另外，减少焊接时发生的微裂和6000系列合金因热影响而产生的软化区，也是目前很重要的技术课题。FSW虽然不发生此类问题，但现在可供使用的材质和板厚受到限制，在形状复杂的焊接线上应用尚有难度。而且，如果板厚控制不严，垫板侧也会发生接合销搅拌触及不到的未焊满区，对板厚公差精度应按高于传统标准加以要求。
为了保证铁道乘坐舒适度，以及对车辆隔音性的要求，尤其从乘客的角度来说确实很重要。为此，对空心挤压型材开发出了内部隔音材料充填工艺。但还希望开发出能够作为结构部件可焊接施工使用的减振材料。即便车体结构用铝合金制造，内部设备的安装部位也必须使用钢制螺钉（螺栓）及垫圈。这是由于铝制螺栓存在应力腐蚀开裂问题以及应用尚不普及等原因，不过，最终回收利用应注意铝合金料中混入的钢料。
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（2）金属基复合材料和镁合金
铝合金基复合材料在飞机和汽车领域得到了实际应用和研究开发，而在机车车辆领域着眼于其耐磨性，探讨过在制动器中的应用，并部分付诸实际应用。这是由于同车体一样，转向架部分的轻量化也很重要。颗粒弥散增强铝合金。两材料的特性相比，铝合金基复合材料的导热系数大于铸铁，热容量得到充分保证，但强度欠佳。因此，今后要扩大其应用范围，应从形状设计上来弥补拉伸特性的不足。
另外，目前不仅材料价格高，而且确保耐磨性的陶瓷颗粒的存在有害于机械加工性，也导致了生产成本的上升。我们认为，也应该开展有关研究，以便只在对制动性能重要的制动部分复合陶瓷颗粒，其它部分则不予复合，以确保可加工性。镁合金的质量比铝合金更轻，受到了人们的注目。在机车车辆上尚无应用实例，不过已有人建议将来在高速车辆上加以应用。但是，镁合金要在车体上应用，首先的前提是应建立完善的疲劳强度数据库，其中包括作为设计探讨基础的焊接材料。而且镁合金的杨氏弹性模量约为铝合金的60%，故探讨弥补这种低刚度的设计技术、耐蚀性，尤其是防止异种金属腐蚀的对策等，作为车体材料不少问题有待加以解决。另外，镁合金在社会上普遍给人的强烈印象是易燃。机车车辆所使用的材料，原则上在燃烧性试验中必须被认定具有阻燃性，因此开发具有阻燃性和自熄灭性的合金成分并获得认可都是很重要的课题。
3、CFRP在新干线上的应用
（1）车头车体的技术课题与要求规格
为了降低出口侧因高速行驶带来的列车进入隧道时的微气压波而产生的噪声，新干线的车头形状必须同时满足空气动力学方面的设计要求，也可以说是新干线容貌的图案方面的要求，车头部分通过在井字形金属框上按照精密布局焊上冲压或锻压成形的外墙板制成，但降低制造成本和改善平滑度有一定的局限性，而且也需要解决熟练工人的老龄化问题。因此，产生了一种想法，即安装司机室设备后从上面覆盖车体结构，这样，还可以有效改善车头内部的司机室安装和布线作业的操作性。作为此类课题的一种解决方法，根据东日本旅客铁道公司（JR东日本）的车头CFRP化提案进行了技术开发。
CFRP车头车体规格应满足下列4项要求：①车体外表面为美观、高平滑度的三维曲面；②制造成本、强度、刚度、音响性能和隔热性均等同于或高于铝合金车头车体；③车体质量低于铝合金车头车体；④材料和结构在燃烧性试验中被认定具有阻燃性。
（2）开发结果
开发采用夹层板结构，内、外表面以碳纤维预浸料为芯材，使用所谓ROHACELL的树脂类硬质发泡材料。为了探讨决定该材料结构的各种技术课题，首先实施性能试验，然后根据性能试验得出的特性值对进入隧道时和会车时的横向载荷和垂直载荷等进行整体分析。CFRP部分（见图5）利用成形模具压热成形法生产，由于不能焊接，采用以机械结合（紧固件结合）与周围的铝合金车体结合的方式。
（3）降低成本及与轻金属材料的比较
作为像新干线高速铁道车辆的车体材料来讲，为了实现几乎无应用实例的CFRP开发，重要的是力求降低成本。如果CFRP采用普通的飞机用预浸体，则生产成本太高，因此，与材料厂家合作开发出低成本型厚预浸体，这便和材料费一起实现了层压工序成本的降低。而且，由于覆盖车体之前，司机室安装作业空间广阔、以及采用高精度大型CFRP制车体，减少了安装调整作业工时等原因，降低了整个生产过程的费用。
4、结语
新材料、新技术的实用化应在全部满足现有产品要求性能的基础上，谋求发掘出更新的亮点。作为设计生产一方来说，高材料成本是阻碍轻金属扩大应用的因素，为了对其加以弥补，希望材料生产厂家在材料结合方法等问题上将技术提案纳入设计方面加以充分考虑。
参考文献：
［1］张国庆．不锈钢车辆车体刚度研究［D］．大连交通大学，2010
［2］员华，邹鹏．不锈钢车体与铝合金车体的现状及发展［J］．机电工程，2008
论文作者:李明元
论文发表刊物:《防护工程》2018年第13期
论文发表时间:2018/9/30
标签：车体论文; 材料论文; 铝合金论文; 轻金属论文; 车头论文; 机车车辆论文; 转向架论文; 《防护工程》2018年第13期论文;