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淺談新材料研發之高速列車輕量化?

發布日期: 2016-09-22
淺談新材料研發之高速列車輕量化
    對于軌道交通可能大家理解的不錯,當列車行駛速度大于250km/小時的時候,對于軌道的沖擊磨損跟現在列車對比要大很多,所以國內有著明確的規定,高速列車的軸重最大為19.5T,拖車14.5T。
    物理學來說,列車的運行需要消耗能量,來推動列車前進。列車在前進的過程中,除了消耗動能以外,同時還要克服與軌道之間的摩擦力,面對空氣的阻力。高速列車行駛速度大于250km/小時的時候所需要的動能,是現在列車的四倍,同時它還要克服現在列車阻力的10-30倍。
    高速列車的巨大動能在制動停車的短時間內如何消散也是一個困難的問題。一般高速列車采用再生制動(能量回饋電網)和盤型制動(機械摩擦發熱制動)結合的方式,這樣對盤型制動的盤和閘片的能力(熱容量、溫升等)的要求十分苛刻。
    通過上面三個方面所述,新材料的研發,在減輕高速列車對于軌道的傷害,節能減排,具有重大的意義。因為高速列車對于材料的要求嚴格,本身相比常規列車還要承擔大功率,滿足高要求,這樣又會增加高速列車的重量,所以現在輕量化列車的技術是關鍵,也是推動高速列車發展的重中之重。
    一、怎么實現列車輕量化
    列車的高速化,一方面要求提高機車的牽引功率,另一方面要求實現列車的輕量化和采用阻力更小的列車外型設計。新材料的應用是輕量化的最主要和最有效的途徑,是發展高速列車最重要的關鍵技術之一。
    高速列車的輕量化,從一般意義上理解,似乎只需要采用輕質高強的材料即可解決。但是,實際上問題要復雜得多,絕非一個“輕”字就可解決。高速列車的輕量化,與飛機、航天器乃至汽車的輕量化有很大的不同。相對上述交通工具而言,火車是一種在鐵軌上行駛的龐然大物,隨著速度的提高,輪軌沖擊的加劇和壽命期營運里程的延長,對走行部和車體材料提出的要求更高,需采用比原有材料性能更優異的新材料及更優化的結構。
    對材料而言,一般來說,除了要求輕質之外,還必須具有更高的強度、模量、韌性、耐磨、耐疲勞、耐老化等性能。對于在列車不同部位使用的材料,還有許多特殊的要求。例如,車輪材料除了要有足夠的強度、韌性、耐磨性外,還必須具有耐擦傷剝離的性能;隨著列車速度和動能的增大,高速列車的制動盤和閘片除了必須滿足制動所需的摩擦特性外,還必須有更好的耐溫和耐磨性能;高速帶來的沖擊、振動和噪聲的加劇,要求采用更好的減振降噪元件,其中包括粘彈性能、耐疲勞、耐老化性能更優的橡膠元件,以保證乘坐的安全舒適;而有機高分子材料及其復合材料的使用,還必須考慮其阻燃、無污染、耐老化等問題。凡此等等,高速列車輕量化對材料提出了更為嚴格更為復雜的要求,開辟了一個新材料研究和應用的新領域。
    高速列車對輕量化的要求也反映到車體和結構件的設計上。優化結構設計是輕量化的另外一個途徑。要求在滿足強度和其他使用要求的前提下,通過采用新材料和優化結構來盡可能降低重量。其中包括采用有限元法分析結構件的受力狀態和計算應力分布,應用計算機輔助設計優化部件結構,以盡可能減輕結構件的質量。
    列車輕量化是個系統工程,它包括設計觀念、設計方法、新材料選用、試驗等諸多方面并貫徹在總體設計、零部件設計、制造工藝、試驗鑒定的研制全過程之中。
    二、列車的輕量化主要從哪幾方面入手
    (1)改變車輛結構參數。采用矮車體(3590~4000mm)并采用鼓型斷面,可以減小車輛自重并可減小氣動阻力。為加大車內凈高,保證旅客有較高的舒適度,宜采取分體式空調或誘導式空調系統。
    (2)設立列車計算機控制網絡。取消以往數量龐大的列車通信(控制)線,設立1對或2對網絡線,既可大大減輕列車重量,又可提高通信品質。
    (3)采用高性能材料。如用高強鋼制造轉向架,采用鋁合金來制造車體及其他承載部件,采用合成蜂窩材料制造車體內裝構件,采用高性能輕質的隔熱材、送風道以及薄壁不銹鋼管、薄壁電纜、合成材料管路等。
     (4)采用有限元分析等現代方法對車輛及其零部件進行結構設計優化,以最輕的重量取得最大的強度和剛度;采用現代湍流理論對車體外形進行優化,以期取得最小的氣動阻力和良好的側風穩定性等。
    (5)采用集成化、模塊化設計。以最小的體積來實現規定的功能。
    三、列車上可采用的輕量化材料有哪些?各有什么特點?
    1、高速列車使用的輕量化材料主要有:
    (1)高強度鋼(屈服限300MPa級、400MPa級、500MPa級或更高)。主要用于制造轉向架部件。我國現在只采用300MPa級的Q345鋼和16Mn。
    (2)鋁、鎂合金。由于鋁合金強度/質量比高(超過3倍),特別是現代大型空心薄壁鋁材軋制技術的完善,鋁合金成為制造高速列車車體最理想的材料。由大型空心型材組成的車體較鋼車體可減少1/2質量。此外,鋁、鎂合金也在車內結構件、管線、風道、壓力容器、裝飾件等方面得到廣泛的應用。近年來,國外有用鎂合金、鈦合金等航空材料代替鋁合金來制造車體骨架的嘗試,其質量只有鋁合金的66%,減重效果更加明顯。
    (3)不銹鋼。不銹鋼的強度范圍廣(有200MPa級、300MPa級、400MPa級或更高的600MPa級)、裝飾性好且不銹蝕。由于不易解決車體氣密性問題,故不銹鋼只用于制造200km/h速度級列車的車體,比普通碳素鋼車體可減重1/3。在高速列車上主要用于制造車內承載件和裝飾件。
    (4)蜂窩材料。蜂窩板材通常由上下面板和蜂窩芯材組成。由于蜂窩芯材密度極小(約只有同厚度材料的1/10),重量輕、剛度大,而且具有優良的隔音、隔熱性能,故在高速列車的內裝結構上得到廣泛的應用,如用于地板、頂板、間壁、設備艙底板、艙門等。由于用不同材料制造,蜂窩分鋁蜂窩、芳淪蜂窩、玻璃鋼蜂窩、碳纖維防外窩等。有時面材和芯材也用不同材料,為復合蜂窩,例如,飛機地板就采用單向碳纖維面板、芳淪蜂窩芯的復合蜂窩板,其強度、剛度和抗沖擊能力極好。在蜂窩的裝飾面可用粘貼、真空吸附等方法覆裝飾膜,裝飾效果很好。
    (5)玻璃鋼。玻璃鋼有不腐蝕、易成型、重量輕的特點。在高速列車上主要用于制造復雜曲面裝飾板。由于高速列車有輕量化要求,通常不采用手糊方式制造,而是通過模壓制造,以保證尺寸精度和重量輕。在玻璃鋼的裝飾面可噴涂或用真空吸附等方法覆裝飾膜,裝飾效果也很好。高速列車的頭錐通常用帶骨架玻璃鋼,重量輕、易成型、易修復。
    (6)碳纖維。由于碳纖維織物重量輕,有極高的強度、硬度和特耐高溫,是極其重要的航空、航天材料。國外已有用碳纖維制造車體、轉向架構架及制動盤和閘片的報道。目前國內也有開始將碳纖維用于列車設備艙底板的嘗試。可以預見,碳纖維是一種理想的材料,它必將在高速列車上得到廣泛的應用。
    (7)其他。高速列車輕量化是一個系統工程,除上述外,還要在防寒、油漆、減振、內裝等諸多方面選擇更為輕型的材料。
    2、高速列車輕量化新材料的類型主要包括:
    (1)輕金屬合金材料。如鋁合金、鎂合金等。鋁合金由于密度小、比強度高,耐蝕性好,在汽車、列車、船舶、航空、航天等領域得到了廣泛的應用。就輕量化而言,鋁合金是一種成熟的輕金屬材料。國外鋁合金車體已經工程化,國內也已應用于高速列車車體頂蓋、齒輪箱箱體等許多部件。鋁合金的進一步加工材料如泡沫鋁、鋁蜂窩等在高速列車上也有應用前景。
    (2)高分子材料。如塑料、橡膠、涂料等。塑料、涂料等高分子材料已廣泛應用于車廂內部的各種用品和裝飾材料,其輕量化效果十分明顯。最新研究進展表明,各種工程塑料也能用來制造車體和許多結構件。特別值得一提的是橡膠彈性元件在高速列車上的應用。橡膠元件對高速列車的減振降噪作用特別顯著,對高速列車的舒適平穩具有無可取代的作用。國外已有在列車上采用彈性車輪的報道。橡膠元件在用于彈簧裝置、定位裝置時,由于其良好的三維特性和質量小的特點在提高轉向架整車性能上體現出越來越明顯的優勢。我國已越來越重視橡膠元件的生產和運用。株洲時代新材料股份有限公司生產的V型彈簧、天然橡膠球絞、空氣彈簧等系列彈性元件,已廣泛應用于列車特別是高速列車上,減振降噪效果顯著。
    (3)復合材料。復合材料是以纖維、顆粒等作為增強材料,以聚合物、陶瓷、金屬等作為基體復合而成的具有優異性能的新型材料。它具有高比強度、高比模量、耐疲勞、耐腐蝕、隔熱、耐磨、低成本、可設計性強等一系列優點,正在成為高速列車輕量化越來越重要的一類材料。過去復合材料主要用于列車內部裝備和裝飾等非結構件,如地板、墻板、門窗、座椅、車門、衛生間等。現在越來越多地應用于各種結構件,例如,車體和車頭前端部采用玻璃鋼復合材料、芳綸纖維增強環氧樹脂復合材料或碳纖維復合材料蜂窩夾層。轉向架構架也采用了碳纖維增強復合材料。除了聚合物基復合材料外,制動盤采用了金屬基復合材料、碳/碳復合材料或SiC陶瓷增強鋁基復合材料,碳滑板采用碳—金屬纖維及碳—銅復合材料,等等。
    根據現在國際上的的數據統計,復合材料是高速列車輕量化最有發展前景的新材料,也是高速類車必備的材料。如需了解更多膠粘劑知識,請關注回天新材http://www.h68m.com/官網!
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