淺析節(jié)能視角下高速列車輕量化新材料應(yīng)用

何九紅

（湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 鐵道運(yùn)輸學(xué)院，湖南 衡陽(yáng)421001）

隨著我國(guó)鐵路的快速發(fā)展，2019年全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)到13.9萬(wàn)km，其中高速鐵路達(dá)到3.5萬(wàn)km[1]。隨著高速列車運(yùn)營(yíng)數(shù)量的增加和運(yùn)行速度的提高，高速列車運(yùn)營(yíng)總能耗和單耗也有所增加。當(dāng)前世界各國(guó)高速列車主要采用低氣動(dòng)阻力車型、輕量化車體、高效牽引制動(dòng)系統(tǒng)、低能耗輔助設(shè)備和能量綜合管理等技術(shù)措施來(lái)降低列車能耗、提高列車單位能效，高速列車輕量化是設(shè)計(jì)制造節(jié)能型高速列車的重要手段之一[2-3]。

1 高速列車輕量化概述

高速列車輕量化是指在必須保證高速列車安全性和舒適性的前提下，降低高速列車質(zhì)量以達(dá)到提高性能、減少能源消耗的目的。高速列車輕量化主要包括車體結(jié)構(gòu)輕量化、轉(zhuǎn)向架輕量化、車內(nèi)設(shè)備和牽引制動(dòng)系統(tǒng)的輕量化等。車體和轉(zhuǎn)向架占高速列車自重的40%～70%，因而車體和轉(zhuǎn)向架是輕量化研究的重點(diǎn)，其主要、有效的途徑是采用新型輕量化材料設(shè)計(jì)制造高速列車的車體和轉(zhuǎn)向架。

由于在線路上高速運(yùn)行，高速列車對(duì)輕量化新材料的應(yīng)用有嚴(yán)格要求，不僅要求新材料輕質(zhì)，還要求材料的強(qiáng)度、模量、韌性、耐磨、耐疲勞、耐老化等性能滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)這些材料必須易加工生產(chǎn)、安全性能指標(biāo)高、便于維護(hù)保養(yǎng)。在我國(guó)下一代高速列車關(guān)鍵技術(shù)研究規(guī)劃中，列車輕量化是一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容[4]。

從國(guó)內(nèi)外鐵路高速列車發(fā)展看，列車車體所用材料經(jīng)歷了耐候鋼、不銹鋼、鋁合金等階段。目前高速列車車體主要采用大型中空擠壓鋁合金型材，如法國(guó)TVG系列、德國(guó)ICE系列、日本E系列和我國(guó)和諧號(hào)、復(fù)興號(hào)系列高速列車等[5]。國(guó)內(nèi)外高速列車的轉(zhuǎn)向架目前基本采用鋼材制造。

2 輕量化新型材料簡(jiǎn)述

隨著材料技術(shù)的發(fā)展，世界上開發(fā)制造出許多先進(jìn)的輕量化材料，如鎂合金材料、碳纖維復(fù)合材料等，這些新型材料密度低、剛度強(qiáng)、抗沖擊、耐疲勞、耐腐蝕、易加工制造，在航空航天、風(fēng)力發(fā)電、體育器材等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。部分材料基本性能對(duì)比如表1所示。

表1材料基本性能對(duì)比[6-9]

在航空領(lǐng)域，目前已經(jīng)大量采用了新型輕量化材料(復(fù)合材料/鈦合金等)，如空中客車公司的A380飛機(jī)第一個(gè)將復(fù)合材料用于中央翼盒，重新啟動(dòng)的A350XWB項(xiàng)目飛機(jī)新型材料的用量達(dá)到52%[10]；波音公司的787飛機(jī)新型材料的用量為50%[10]。

3 輕量化新型材料在高速列車的應(yīng)用前景

目前英國(guó)、意大利、德國(guó)、法國(guó)、瑞士、日本和中國(guó)等國(guó)家都在大力開發(fā)設(shè)計(jì)綠色節(jié)能高效的新一代高速列車，在保證運(yùn)營(yíng)安全的前提下，采用輕量化新型材料進(jìn)一步降低整車結(jié)構(gòu)質(zhì)量，進(jìn)而通過車體加長(zhǎng)、加寬、加高(雙層)和車輛布置優(yōu)化等技術(shù)措施，提高列車載客能力，降低人均能耗、實(shí)現(xiàn)綜合節(jié)能降耗是新一代高速列車的核心目標(biāo)之一。因此，新型材料在未來(lái)高速列車的發(fā)展中具有應(yīng)用前景。

3.1 鎂合金

鎂合金是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，是未來(lái)具有發(fā)展前途的綠色工程材料。我國(guó)是世界最大的鎂礦資源國(guó)，已經(jīng)探明的儲(chǔ)量世界第一[11]。鎂合金材料具有以下特點(diǎn)：密度是鋁合金的2/3、鋼鐵的1/4；比強(qiáng)度和比剛度優(yōu)于鋼和鋁合金；極好的減震抗噪性能，減震能力是鋁的100倍；可回收性好，符合環(huán)保要求；極好的機(jī)械加工性能，鎂壓鑄件的尺寸精度比鋁壓鑄件高50%，加工能耗降低50%；導(dǎo)熱性能好、無(wú)磁性，散熱快，屏蔽電磁干擾性能高；尺寸穩(wěn)定性高，耐印痕性好等。

法國(guó)TGV Duplex雙層高速列車和德國(guó)西門子公司ICE高速列車已經(jīng)開發(fā)應(yīng)用了鎂合金材料座椅、框架等部件，法國(guó)高速列車的鎂合金座椅總數(shù)超過了45 000個(gè)，每個(gè)雙人座椅比以前的鋁合金雙人座椅減輕了6 kg，占總質(zhì)量的1/5；韓國(guó)KTX特快列車座椅使用鎂合金板材零件后，每個(gè)座椅減輕5 kg，材料成本節(jié)省8%～10%；我國(guó)也在“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車組上成功批量安裝和使用鎂合金側(cè)墻型材及地板導(dǎo)槽型材等產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)車組車內(nèi)件輕量化升級(jí)[9]。有研究數(shù)據(jù)表明，運(yùn)用鎂合金材料來(lái)制造高速列車車體，將大大降低其重量，以京滬高速鐵路為例，如果未來(lái)高速列車采用鎂合金來(lái)制造整個(gè)車體，整體將減重約13%以上，節(jié)能平均8%[12]。鎂合金作為一種新型的金屬結(jié)構(gòu)材料，加工生產(chǎn)技術(shù)還不完全成熟，大規(guī)模應(yīng)用于高速列車還需要進(jìn)一步研究和實(shí)際驗(yàn)證，但隨著鎂合金的開發(fā)和應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，鎂合金在未來(lái)將成為高速列車關(guān)鍵的輕量化材料。

3.2 高性能碳纖維復(fù)合材料

高性能碳纖維復(fù)合材料是目前國(guó)際上最先進(jìn)的復(fù)合材料之一。它以輕質(zhì)高強(qiáng)、耐高溫、抗腐蝕、熱力學(xué)性能優(yōu)良等特點(diǎn)，被廣泛用作結(jié)構(gòu)材料及耐高溫抗燒蝕材料，與鋼、鋁材料相比，碳纖維復(fù)合材料具有以下優(yōu)異性能：密度是鋁合金的2/3；強(qiáng)度是鋼的5倍、鋁的8倍；比強(qiáng)度是鋼的25%，鋁的50%；耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞和耐損傷；隔熱好、阻抗高，阻燃性好、電磁屏蔽強(qiáng)、抗撞擊吸能強(qiáng)。因?yàn)樾阅軆?yōu)異，碳纖維復(fù)合材料已被大量應(yīng)用于高速列車中的車體及非主承力結(jié)構(gòu)件上，如日本N700系高速列車車頂采用碳纖維增強(qiáng)塑料制成，車身氣密性好、重心低、每節(jié)車廂的重量減少了300～500 kg[5]；法國(guó)TVG雙層車體采用了碳纖維復(fù)合材料車體結(jié)構(gòu)，其雙層車體標(biāo)準(zhǔn)模塊5 m/節(jié)，較鋁合金車體減重超過25%，通過線路運(yùn)行驗(yàn)證了碳纖維復(fù)合材料車體在強(qiáng)度、沖擊、防火、降噪、隔熱等性能方面的優(yōu)點(diǎn)和工業(yè)可行性[7]；日本川崎重工研發(fā)成功增強(qiáng)碳纖維復(fù)合材料(CFRP)構(gòu)架和懸掛功能的轉(zhuǎn)向架，與傳統(tǒng)的鋼制構(gòu)架相比，重量降低約40%[13]。

我國(guó)動(dòng)車組局部構(gòu)件等也采用了碳纖維復(fù)合材料，隔音性、隔熱性及安全性得到很大提高，如車體裙板、頂板、底板、受電弓導(dǎo)流罩、司機(jī)室頭罩、設(shè)備艙等，并且開始了增強(qiáng)碳纖維復(fù)合材料轉(zhuǎn)向架、車體的研發(fā)。我國(guó)復(fù)合材料在高速列車領(lǐng)域的應(yīng)用研究相對(duì)較晚，復(fù)合材料在我國(guó)高速列車的應(yīng)用目前還不足10%[6]。

綜合國(guó)內(nèi)外軌道交通領(lǐng)域碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用情況，已經(jīng)表現(xiàn)出以下特征。一是從車體內(nèi)部裝飾、車內(nèi)設(shè)備等非結(jié)構(gòu)零件向車體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架等承力構(gòu)件延伸和擴(kuò)大；二是從裙板、導(dǎo)流罩等零部件向頂蓋、司機(jī)室、整車車體等大型結(jié)構(gòu)發(fā)展；三是以金屬與復(fù)合材料混雜結(jié)構(gòu)為主，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料用量比例大幅提高[3,6-7]。我國(guó)需要提高具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基礎(chǔ)原材料和復(fù)合材料的研發(fā)生產(chǎn)能力，加大對(duì)高速列車采用高性能碳纖維復(fù)合材料的支持，提升我國(guó)下一代高速列車采用高性能碳纖維復(fù)合材料的整體先進(jìn)性。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)高速鐵路的不斷發(fā)展,節(jié)能成為關(guān)注的重點(diǎn)，采用各種新型材料如鎂合金、高性能碳纖維復(fù)合材料對(duì)高速列車進(jìn)行減重可以降低能耗。未來(lái)高速鐵路將秉承綠色交通的發(fā)展思想，更多地將新型輕量化材料應(yīng)用于高速列車的設(shè)計(jì)制造，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗和綠色交通的目的。