近年來我國軌道交通裝備行業(yè)發(fā)展迅速，軌道客車速度快、能耗低、舒適性設計、環(huán)境友好、以人為本的設計特點，具有其他交通方式無法比擬的優(yōu)勢。輕量化設計可以實現(xiàn)軌道客車多方面的優(yōu)化，是軌道客車關鍵技術之一。鎂合金是目前工程應用中密度最小、比強度最高的結構金屬材料，在軌道客車輕量化應用中具有非常好的前景。

    鎂合金的開發(fā)和應用

    現(xiàn)在廣泛應用的鎂合金主要可以分為兩種，一種是鑄造鎂合金，另一種是變形鎂合金。目前壓鑄鎂合金在工業(yè)已經(jīng)得到廣泛應用，鎂合金經(jīng)過變形之后，可以得到更加優(yōu)秀的綜合力學性能，從而滿足不同的場合需求，所以發(fā)展變形鎂合金非常有前景。

    鎂合金的特點可滿足航空航天等高科技領域對輕質材料降噪、減振、防輻射的要求，同時可大大改善飛行器的氣體動力學性能和明顯減輕結構重量。目前鎂合金在航空工業(yè)上應用很廣泛，其中包括AZ91、AZ31、ZE41、QE22、WE43等。

    節(jié)能與環(huán)保的新要求使汽車公司都設法減輕汽車的重量，從而達到降低汽油消耗和溫室氣體排放量的新標準，鎂合金的減重效果可以最大限度滿足日益嚴格的節(jié)能的溫室氣體排放的要求。鎂合金具有良好的阻尼系數(shù)，減振性能好于鋁合金和鑄鐵。在座椅、方向盤、輪轂上應用可以減少振動，在車門等殼體上應用可以降低噪聲，提高汽車的安全性和舒適性 。目前，汽車儀表、座椅架、方向操縱系統(tǒng)部件、引擎蓋、變速箱、進氣歧管、輪轂、發(fā)動機和安全部件上都有壓鑄和變形鎂合金產(chǎn)品的應用。

    軌道客車的輕量化設計

    軌道客車輕量化設計主要是通過優(yōu)化結構、采用新材料來實現(xiàn)，它主要包括列車車體、車內設備、車外吊掛安裝設備的輕量化。在考慮減輕列車重量的時候，必須在確保車體強度 、剛度、動力學和動應力等滿足要求的前提下，盡量實現(xiàn)列車的輕量化。

    按照添加合金元素的不同，目前常用的鎂合金可以大致分為Mg-Al系合金、Mg-Mn系合金 、Mg-Zn系合金；按成型方法可以大致分為鑄造鎂合金和變形鎂合金，其中應用鑄造鎂合金中絕大部分是壓鑄鎂合金。工業(yè)常用的鎂合金包括AZ31B、AZ61A、AZ91D、AM60B等。

    常用變形鎂合金和壓鑄鎂合金與鋁合金的力學性能相近，非常有潛力在軌道客車替代鋁合金，實現(xiàn)輕量化減重的目的。

    現(xiàn)代軌道客車設計必須考慮的幾個頂層指標分別是安全性設計、節(jié)能環(huán)保設計和舒適性設計。鎂合金有良好的吸收能量性質，應用在列車座椅上可以在列車出現(xiàn)碰撞事故時使座椅吸收更多的能量，從而保護乘客的安全。比如AM60合金具有突出的吸能性，同時兼有良好的強度和韌性，已經(jīng)在國外直升飛機座椅上得到應用。鎂合金在列車減重節(jié)約能源方面優(yōu)勢明顯，而同時鎂合金具有優(yōu)良的模壓加工性能，可以壓鑄成為復雜的外形，從而滿足座椅的人體工程學和外觀美學設計。使用鎂合金制作列車座椅上可以把美學、人體工程學 、 輕量化和成型性這幾種設計很好地結合在一起。

    國外軌道客車上已經(jīng)有許多鎂合金應用的報道。法國TGV高速列車已經(jīng)在TGVDuplex雙層高速列車座椅上應用了鎂合金件，采用鎂合金件的座椅總數(shù)量超過了45000個，應用鎂合金的部件包括座椅小桌面板、座椅扶手、腳踏板、座椅側面面板。采用鎂合金的座椅重量明顯減輕，和原先的鋁合金座椅相比每個雙人座椅由36kg減輕到30kg。鎂合金件所需成本不高，減重之后節(jié)約了列車運行成本。TGV列車鎂合金在座椅上的應用實現(xiàn)了減重、節(jié)約成本和應用功能的良好結合。韓國KTX特快列車在座椅基座上使用了鎂合金板材零件，鎂合金比之前采用鋁合金和玻璃鋼每個座椅減重5kg，并且可以節(jié)省8%～10%的成本。

    日本新干線列車在輕量化減重技術方面一直處于領先地位。目前日本新干線N700系列高速列車座椅骨架已經(jīng)采用鎂合金，包括座椅扶手、中央支撐架、底墊、底座、扶手座、背靠等。使用效果良好，實現(xiàn)了整車減重目的，提升了動車組的動力性能并減少了能耗。

    輕量化材料中的優(yōu)勢使鎂合金在我國軌道客車應用潛力巨大，我國某些研究機構和主機廠也對鎂合金在列車上的應用做了許多研究和試驗。比如使用AZ91D鎂合金替代動車組PA塑料制作小桌支臂減輕列車重量。動車組原始PA塑料小桌支臂強度較低，現(xiàn)車使用中有斷裂損壞的風險，使用鎂合金制作小桌支臂，不僅強度完全滿足使用需求，并且可以明顯提升承載能力、斷裂伸長率和沖擊韌性等性能。首先，經(jīng)過測試鎂合金小桌支臂的抗拉強度和彈性模量完全優(yōu)于PA塑料小桌支臂，對兩種材料的小桌支臂做20kg載荷變形量試驗，結果顯示鎂合金支臂變形量明顯小于PA塑料支臂。PA塑料支臂為實心結構，而鎂合金支臂結構設計得更薄更合理，所以每個AZ91D鎂合金支臂可以比原來實心PA塑料支臂減輕約35%的重量。疲勞強度試驗結果顯示鎂合金小桌支臂完全符合疲勞耐久設計。盡管重量有所減輕，但由于材料性能出眾，使用鎂合金材料的小桌支臂最大承載能力比以前有明顯的提升。綜合評價得出，鎂合金小桌支臂可以完全滿足國內動車組使用需求，使用AZ91D鎂合金替代PA塑料制作小桌支臂可以滿足動車組的輕量化設計。

    現(xiàn)階段軌道客車鎂合金應用的主要研究目標是在大部分非承載零部件上使用鎂合金材料替代鋁合金，在使用成熟后再發(fā)展到承載零部件的應用。根據(jù)鎂合金的性能和特點，目前鎂合金可以在列車以下結構上進行使用：

    列車內裝型材、車窗內框架、小桌板及支臂；

    行李架邊框、座椅骨架、臥鋪框架、內部儀表盤框架；

    車下裙板、車內間壁面板、車下設備艙底板。

    國內有研究機構已經(jīng)試制出了鎂合金臥鋪框架樣品和鎂合金間壁面板樣品，有相關廠家批量生產(chǎn)了在行李架、座椅骨架、小桌板支臂等部位應用的鎂合金零件，另有廠家正在試制蜂窩模塊并設計過度車鉤等。

    有研究數(shù)據(jù)表明，運用鎂相關材料來制造有軌列車車體及內裝部件，將大大降低其重量 。 以京滬高鐵的客運專線為例，如果將其車身用鎂合金來制造整個車身，整體將減重約13 % 以上，節(jié)能平均幅度則是8%。以京滬高鐵目前全線運營每天1000多班次的動車組來計算 ，全部應用鎂合金車體，一天僅直達列車即可節(jié)約用電126萬度、折合減少二氧化碳排放1146噸。由此可見，運用鎂合金及復合材料對列車進行減重以后，對于節(jié)能減排意義重大。

    隨著鎂合金開發(fā)和應用研究的發(fā)展，鎂合金的性能會得到不斷提升，未來趨勢是進一步拓展應用領域，從高速列車上的非承載零部件逐漸發(fā)展應用到承載零部件，使鎂合金成為高速列車輕量化關鍵材料。

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責任編輯：王元

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