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淺談高鐵結構與新材料應用

2023-01-10 14:38:50 作者：本網發布來源：網絡分享至：

現代化的交通運輸是國家經濟的命脈，對國民經濟發展起著決定性作用。鐵路作為交通運輸體系的骨干、國家重要的基礎設施，在建設發展新型國家和經濟的提升承擔著重大責任與艱巨的任務，大力加快發展具有運量大、速度快、能耗和污染少、占地省、效益高的高速軌道交通具有非常重要的意義。

中國高鐵走出國門走向世界少不了各種新材料、新技術的加持，今天放下那些高深的技術，文中簡單總結一下高鐵在生產制造中用到了哪些新材料。金屬材料具有資源豐富、生產規模大、易于加工、性能多樣可靠、使用方便和便于回收等特點，以鋼鐵為代表的黑色金屬更是國家建設和現代化發展必不可少的重要物資，金屬材料在高速鐵路上也因此有著極其廣泛的應用，此外還有大量的高分子材料和復合材料為高鐵建設貢獻力量。

高鐵列車主要有四大部分組裝而成：車體、轉向架、車上下大部件、車內設施；高速鐵路也已經實現諸如鋼軌、扣件等重要部件材料的自主研發生產和國產化，隨著高鐵技術不斷發展的需求，需要開發適應高鐵需求的新材料新技術，同時對新材料的強度、疲勞性能、輕量化、工藝性等提出了更高的要求。高速軌道交通關鍵材料包含以下主要領域：高速列車關鍵材料（包括高速車體材料及工藝、高速轉向架材料及工藝、高速弓網關鍵材料及工藝、高速制動盤/片材料、車軸材料、減震降噪材料等）、高速鐵路建設關鍵材料（包括高速鋼軌、路橋建設用材料、信號控制等）、高速軌道交通系統維護關鍵材料及裝備等。

高鐵車體

車體是個什么東西？車體就像是列車這房子的框架，是高鐵列車之“骨”，是高鐵列車整車制造的核心技術之一。車體的構成主要用到了不銹鋼、鋁合金還有一些復合材料。

不銹鋼

車體中使用到的主要是鎳鉻奧氏體不銹鋼，由于其高耐蝕性和美觀的特點，在日本、美國、前蘇聯應用較多，在保證強度和剛度前提下，如梁、柱等骨架的板厚由普通鋼的3.2一6.0mm減至1.0一1.5 mm，可減重40%左右。20世紀60年代初，日本率先研制出不銹鋼車輛，其輕量、節能、不需涂裝，產生了顯著的經濟效益，目前不銹鋼車輛超過5000輛，占全部客車10%以上。

主要應用：不銹鋼車體由于不易解決車體氣密性問題，只用于制造200km/h速度級的車體、及車內承載和裝飾件。

鋁合金

目前國內高鐵列車大量使用鋁合金材料，時速300公里以上的高速列車車體必須采用輕質鋁合金材料，時速350公里以上的列車車廂除底盤外全部采用鋁型材。鋁及鋁合金具有密度小（僅為2.7，為鋼的1/3）、強度高，加入某些元素形成的合金比鋼合金強度更高，導熱導電性僅次于銀、銅和金，再加上表面生成致密牢固的Al2O3保護膜能夠保護基體免受腐蝕，特別是車輛引擎部分特別適合使用鋁合金材料。這里幾乎完全是鋁合金的一家天下。此外，鋁合金的加工工藝多種多樣。通用性較強。由于鋁的融化溫度低，流動性好，易于制造各種復雜外形的零件，在強度和剛度滿足高鐵車廂安全要求的同時，使用鋁合金可以減輕高鐵車廂的自重。目前中國客運專線有crhi、crh2、crh3和crh5這四種動車組，其中crh2、crh3和crhi5三種動車組均采用鋁合金材料。

主要應用：作為受力構件；作為門、窗、管、蓋、殼等材料；作為裝飾和絕熱材料。鋁合金容易加工和具有高度的散熱性。

復合材料

復合材料代表了未來發展趨勢，已逐漸應用于車輛。纖維增強樹脂基復合材料（FRF)因為高比強度（剛度）、耐疲勞、耐蝕、隔熱、阻燃、可設計性強等優點，英國、日本、德國先后在60年代開始應用于非結構件，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、芳綸纖維增強環氧樹脂等。目前在西歐，制造鐵道車輛用的復合材料中，按纖維種類分，玻璃纖維占58%. 芳族聚酸胺纖維占20%，碳纖維占20%，其他占2%；按樹脂的種類分，聚酯占35%，乙烯酸酯占22%，環氧樹脂占21%，酚醛樹脂占15%，改性的丙烯酸樹脂占4%，其他占3%。

轉向架

轉向架是高速動車組的走行裝置，是負責完成整個車輛走行任務的部件。它相當于汽車的底盤和車輪，具有導向、承載、減震、牽引、制動等作用。目前，國內高鐵的轉向架都是由鋼和鐵制成的，多采用優質碳素鋼、低合金低碳高強度鋼、耐候鋼制造的構架，但由于鋼和鐵重量大，導致列車阻力大、耗能增多。近年來，中國高鐵開始了輕量化研究，作為動力系統的轉向架自然而然成為研究者突破的主要方向。

車輛內裝及設備

車輛內裝及設備主要有裝飾板、廁所、盟洗室、座椅及水箱等，以鋁合金和高分子材料為主，如裝飾板采用鋁合金上疊合一層不燃性的纖維增強塑料，廁所、盟洗室、座椅及水箱還要考慮到衛生和耐腐蝕性，也以不燃性的為佳。

輪-軌系統

伴隨著中國鐵路的發展，鋼軌從單重、軌頭廓形、定尺長度到材質等方面均取得長足進步，以適應不同運行條件對鋼軌的需求，車輪是輪軌系統中的核心部件之一，其安全可靠性直接影響到運輸安全。車輪與鋼軌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、抗剝離的性能。

鋼軌

我國鋼軌生產企業主要攀鋼、鞍鋼、包鋼、武鋼和邯鋼。這 5 家鋼廠的主要生產設備，包括頂底復吹轉爐、爐外精煉、真空處理爐、大方坯連鑄機、萬能軋制機組、復合矯直機、鋼軌在線檢測中心和聯合機床等，采用先進的連鑄、萬能軋制等生產工藝，均已具備現代化的鋼軌生產能力，可滿足生產高速、重載鐵路等高檔次鋼軌的需要。

現行鐵路上鋼軌主要有強度等級為 880 MPa的U71Mn 鋼軌和980 MPa 的 U75V 微合金鋼軌。高速鐵路上廣泛使用的鋼軌是 U71MnG 鋼軌和 U75VG 鋼軌。這 2 種鋼軌是在 U71Mn 鋼軌和 U75V 鋼軌的基礎上，對成分進行優化，主要減少了鋼中有害元素 P 和 S 的含量，并提高了斷后伸長率（A）要求。

車輪

我國鐵路車輪用材料主要以中碳鋼為主，普通客車和貨車車輪材料為 CL60 鋼，普通機車車輪材料略有不同，但基本與 CL60 相近。

受電弓滑板

受電弓滑板是機車供電系統重要集電元件，通常有碳滑板、金屬滑板、浸金屬碳滑板和粉末冶金滑板，各國多采用碳滑板。近幾年我國常采用浸金屬碳滑板，浸金屬碳滑板既有碳材料的自潤滑性，又具備了金屬材料集電、強度和抗沖擊力高的特點。浸金屬碳滑板主要是利用了碳滑板材料的多孔性質，將熔融的銅或銅合金等高導電性金屬，在高溫高壓下浸入到碳滑板基體中去，使它既有碳材料的自潤滑和抗電弧性能，又具備金屬材料的集電、強度高、抗彈撞擊力強的特點。

制動摩擦系統

制動摩擦系統要求摩阻材料有高而穩定的摩擦系數，更好的散熱性和耐磨性，足夠高的沖擊強度和剪切強度，對磨偶件不產生異常磨損和其他形式的損傷，制動火花少，價格便宜，而且輕量化。制動盤過去長期使用合金鑄鐵，但高速列車要求選用高強度抗熱裂的合金鍛鋼，如Ni-Cr-Mo或Cr-Mo-V合金鋼，也有研制金屬基復合材料和C-C復合材料制動盤。

目前常用的摩阻材料可分為含磷鑄鐵、粉末冶金材料和合成材料。法國TGV-A、日本新干線等高速列車都采用了粉末冶金閘片，而且普遍是銅基材料。

減振降噪材料

高速鐵路引起的噪聲源主要包括列車高速運行時走行部的車輪與鋼軌產生的“輪軌噪聲”、集電弓與接觸網高速摩擦產生的“集電系統噪聲”、高速行車引起的“空氣動力噪聲”、行車激勵引起的橋梁結構的振動而產生的“結構噪聲”。一般都會在設計高鐵時采用低噪聲的結構或構造達到降噪的目的。在材料的選擇上許多化工新材料特別是化工高分子材料在減振、降噪、吸音等方面的性能優勢是傳統的金屬、水泥、木材所無法比擬的，高鐵鐵軌所用到的高分子減振、降噪材料就多達十幾種。

聚氨酯、碳纖維復合材料、熱塑性彈性體、聚氯乙烯、硅橡膠、環氧樹脂、丁基橡膠、丁苯橡膠、三元乙丙膠等材料廣泛地應用在高速鐵路的車輛、軌道、橋梁和接觸導線上，滿足了高速鐵路對材料的特殊要求。例如勃彈性能、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，橡膠元件的減振降噪作用特別顯著。

高速軌道交通材料的建議

1）主管部門加強引導，聯合國內高速列車的生產企業和材料生產廠家等分析高速列車關鍵材料產業化中存在的問題，建立高速列車生產主機廠與材料生產單位的直接聯系。

2）聯合科研院所、高校、企業，對關鍵材料重點攻關。通過成分配方設計、冶金（合成）軋制、熱處理（表面處理）等控制材料的成分、組織、性能，提高材料綜合服役性能。通過過程控制提高產品質量穩定性。

3）由高速、重載鐵路運營部門進行高速、重載列車新材料的現場實際運行長期運行考驗。

4）建立市場需求牽引的高速鐵路材料產業發展模式。即國家用需求引導高速鐵路材料產業的發展模式。

5）建立符合中國市場特征自主高速、重載鐵路材料質量評價體系，建立包括多方參與的高速、重載材料試驗、服役行為評價平臺。

6）集中力量進行高端高鐵關鍵材料的質量和技術攻關，解決材料在工程應用中的工藝技術問題，加快材料產業化的進程。

7）在參考國外相關標準、規范的基礎上，結合我國的實際情況，盡快建立中國的高速鐵路材料產品標準體系。

8）實現主要材料生產設備的國產化，通過自動過程控制穩定產品質量。

參考文獻：

【1】叢韜，付秀琴，張弘，等 . 解讀鐵道行業標準《碳素鋼鑄鋼車輪》［J］. 鐵道技術監督，2014，42（2）：6-10.