机车车辆材料应用现状和发展趋势

机车车辆材料应用现状和发展趋势

李沛文

身份证号：320322199206104033

摘要：机车车辆的轻量化涉及到新型轻质材料、工艺及结构的不断创新和突破，就材料而言，目前仅铝合金材料在高速列车上应用较广，而镁合金、钛合金、碳纤维和复合材料尚未在高速列车中得以广泛使用，受限于材料自身成本以及部分关键技术暂未突破，我国高铁的轻量化应持续的以轻质金属，如铝、镁合金为主，在保证车辆安全稳定的同时，利用高性能的镁、铝合金取代越来越多的钢制部件；同时对轻质金属强化工艺的突破以及列车结构的整合将使得列车进一步减重。

关键词：机车车辆；材料

1 机车车辆车体应用材料发展现状

1.1 国外机车车辆车体材料的应用和发展状况

日本于1964年正式运营了世界第一条高速铁路—东海道新干线。该线路使用0系电力动车组，采用普通碳素钢作为主要车体材料，最高时速达210 km/h，但由于车体腐蚀严重，该车组已于1976年提前退役。随后研发的100系最高时速达230 km/h，其所用车体材料沿用0系所采用的碳素钢，仅在车顶部分采用波形不锈钢，以提高其稳定性，但却仍因车身老化现象严重而退役。1992年300系电力动车组“希望号”车体采用材料为6N01-T5铝合金挤压型材，其运行速度为270 km/h。之后1997年500系电力动车组车身材料采用蜂窝状铝合金，最高时速达300 km/h，其在保证车体强度和轻量化的同时也降低了车体内部噪音。

1.2 国内机车车辆车体材料的应用和发展状况

从2012年的9356公里到2021年的突破4万公里，全国高铁营业里程增长3倍多，稳居世界第一位，高铁的飞速发展离不开车体材料的不断进步。1958年到2000年之间，我国主力机车主要为“东风”和“韶山”系列，其车体大部分采用Q235A,Q235B,16Mn,16MnL和16MnDR等材料，在车体与外界大气接触的部位通常使用耐候钢。其中，东风11型机车在车窗、地板和底架电线管路采用铝合金结构。2000年设计速度为180 km/h的“神州”系列机车车体，采用鱼腹型整体承载全钢焊接无中梁薄壁筒形结构，钢板和型钢采用高强度低合金耐候钢、普通碳素钢和部分不锈钢，在车体内电热器部分采用通长铝型材外罩。2001年浦镇厂设计速度为250 km/h的“先锋号”电动机车沿用了全钢焊接薄壁筒形整体承载结构，机车前端车钩处采用复合材料做盖板，但其大部分材料仍使用高强度耐候钢和不锈钢。2002年的设计速度为270 km/h的“中华之星”电动车组是我国首次采用铝合金车体结构的客运机车，其车体为大型铝合金型材纵向焊接结构，气密性远好于不锈钢车体的点焊结构，并且提高了车体的整车刚度，减轻了车体重量。2003年开始，我国先后与加拿大庞巴迪公司（CRH1）、日本川崎重工公司（CRH2）、德国西门子公司（CRH3）、法国阿尔斯通公司（CRH5）合作生产了CRH系列动车组，其中除CRH1型动车组以不锈钢为主要车体材料外，CRH2,CRH3和CRH5型动车组车体均采用铝合金型材焊接结构，主要包括5000,6000和7000系铝合金。如CRH2型动车组司机室、端墙主要为5083铝合金型材焊接结构，侧墙、车顶主要为6N01铝合金型材焊接结构，底架主要为6N01和7N01铝合金型材焊接结构。CRH3和CRH5型动车组车体结构主要采用6005A和6082铝合金。由长客和唐车研制的CR400BF于2015年正式上线，在高强、轻量化铝合金车体的基础上，“复兴号”还在车体部分结构件中使用了更轻的碳纤维复合材料。随后，在2022年4月，复兴号CR450在濮阳至郑州段成功实现了时速435 km/h、相对交会时速870 km/h，创造了高铁动车组列车速度世界纪录。

2 机车车辆转向架结构材料发展现状

2.1 国外机车车辆转向架材料的应用和发展状况

转向架作为轨道列车高速稳定运行、减振降噪的重要部件，其主要包括架构、轮对轴箱装置、悬挂装置、制动装置、驱动装置和枕梁等。20世纪60年代，日本已在新干线0系和100系上应用摇枕转向架DT200，其架构材料也从SS41P转变为SM41B，整体架构采用9 mm厚压型钢板焊接而成，转向架整体自重约10 t，但由于转向架过重导致了线路磨损严重且难以满足列车的提速要求。由此日本研发了新一代DT9010系转向架，但其簧下质量仍较重。经改良的DT9011系转向架部分零部件使用铝合金材料以实现减重，同时DT9012系转向架为降低簧下质量而采用中空轴传动结构。转向架的轻量化为列车提速创造了有利条件，后续研发的DT9013系转向架在DT9012的基础上，以铝合金材料替换了钢制的摇枕、轴箱前盖和空气弹簧上盖等零部件，使列车时速突破至319 km/h。随后用于新干线300系机车上的DT203转向架使用锻造铝合金轴箱体，整体减重至6.6 t。2002年，应用于N700系机车上的TDT205转向架使用铝合金代替了钢制的抗蛇形减振器安装座，使其试验时速达360 km/h。

2.2 国内机车车辆转向架材料的应用和发展状况

转向架是机车车辆的重要运行部件，集承载、转向、牵引、制动等功能于一身，对机车车辆的安全运行起着决定性的作用。我国早期研发的101和102型转向架，由于碳素钢质量过大且不耐腐蚀，导致转向架的服役性能较差。之后相继研发了202,206,207,209和211系转向架，但其构造速度均不超过200 km/h。为实现列车的速度提升，相继推出了多种高速转向架，例如长客厂的CW-200、四方的SW-200、浦镇厂的PW-200等转向架，制造转向架所使用的耐候钢进一步提高了转向架的低温韧性和耐蚀性能。随着技术的进步，我国相继研制了如16Mn,14MnNbq和Q345E等转向架用的钢材牌号。同时我国和谐号动车组所采用的转向架材料也不断的优化。例如CRH1动车组转向架所使用的S355J2G3钢板至CRH2动车组所使用的SMA490BW钢板，再至CRH3动车组转向架所使用的S355J2W钢板，最后至CRH5动车组转向架所使用的S355JG3钢板。随后，研究人员在CRH380型动车组转向架的基础上设计了中国标准动车组，其线路最高试验速度达到487 km/h，其架构采用高强度耐候钢制成的H型结构，达到了转向架在时速550 km临界失稳的要求。此外，在面向“十四五”时期，中国国家铁路集团有限公司制定了“CR450科技创新工程”计划，要求除发展传统的外置式转向架外，同时也要开展轻量化内置式转向架技术研究。有研究表明，对于启停频繁的地铁机车，将碳纤维复合材料应用于转向架，能进一步降低机车运营能耗。2016年，中车四方股份公司与上海晋飞合作，成功研制出高速列车碳纤维/玻璃纤维复合材料设备舱，较原铝合金结构减重30%。

3 机车车辆车体及转向架结构轻量化发展趋势

轻量化已是轨道列车减少能源消耗、实现高速运营从而降低营运成本的最有利手段之一。为实现机车车辆整体的轻量化，一般从新材料、新技术、新设计三个方面来共同实现。近年来，我国轨道车辆车体材料实现了由碳钢到不锈钢、高强铝合金的转变，车体结构材料的主要性能。在轻量化材料的选择上，车体用材料的密度、强度、耐腐蚀性、散热性和焊接性能是衡量车辆轻量化能否在实际生产中得以实现的重要指标。通过应用轻质高强材料，在保证车辆舒适性、稳定性的同时实现列车高速运行，这也是车辆轻量化材料发展的方向。

机车车辆对轻量化、高速化、智能化、安全可靠、节能环保等方面的高标准和高要求已成为现今高铁建设的发展趋势，随着新型材料的设计、研发和更为先进的加工技术，可以确信的是在材料方面，类似于铝、镁合金等轻质高强金属的开发与应用将会是机车车辆发展的重要基石。

4总结和展望

可以预见的是，随着新兴技术的不断发展与完善，未来高铁在新材料方面的突破将使其在高速化、智能化、轻量化、安全稳定等方面进一步提升。

参考文献

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[4] Yasutomo S，周冬妍.铁路用材料研发的最新动向[J].国外铁道车辆，2019, 56(5):14-17.