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盘点高铁上所用的机械材料有哪些
时间:2019-05-27  点击:136次   来源:材料科学与工程、机械制造圈

 对于高速铁路,对新材料的强度、疲劳性能、轻量化、工艺性等提出了更高的要求,新材料的应用主要在以下几个方面。

                      
     
车体     
不锈钢      
 
不锈钢主要用镍铬奥氏体不锈钢,由于其高耐蚀性和美观的特点,在日本、美国、前苏联应用较多,在保证强度和刚度前提下,如梁、柱等骨架的板厚由普通钢的3.2一6.0mm减至1.0一1.5 mm,可减重40%左右。20世纪60年代初,日本率先研制出不锈钢车辆,其轻量、节能、不需涂装,产生了显著的经济效益,目前不锈钢车辆超过5000辆,占全部客车10%以上。
 
主要应用:不锈钢车体由于不易解决车体气密性问题,只用于制造20km/h速度级的车体、及车内承载和装饰件。
 
 
铝合金
 
铝的密度小,仅为2.7(属轻金属),约为钢的1/3。由于铝的表面易氧化形成致密而稳定的氧化膜,所以耐蚀性好。铝有较好的铸造性,由于铝的融化温度低,流动性好,易于制造各种复杂外形的零件。铝合金仍然保持了质轻的特点,但机械性能明显提高。
 
主要应用:一是作为受力构件;二是作为门、窗、管、盖、壳等材料;三是作为装饰和绝热材料。铝合金容易加工和具有高度的散热性。特别是车辆引擎部分特别适合使用铝合金材料。这里几乎完全是铝合金的一家天下。此外,铝合金的加工工艺多种多样。通用性较强。
 
从长期来看,铝合金价格适中。铝材价格较高,使得车辆制造成本增加,但由于铝合金使得车辆轻量化,车辆的轻量化带来了运能的增加,耗能的减少,维修的费用降低。有资料显示,交通工具的重量每减少10%,燃料可节约8%。在报废回收时,铝型材产品可以实现100%回收,回收铝型材循环再用可以减少95%的能源消耗。
 
早在20世纪50年代,世界上较发达的一些国家就开始采用铝型材来制造铁路车辆,包括美国、加拿大、日本、俄罗斯、德国和法国等国,目前国内高铁列车车厢已大量使用铝合金材料。业内专家指出,时速300公里以上的高速列车车体必须采用轻量化的铝合金材料,350公里以上的列车车厢除底盘外全部使用铝型材。目前中国铁路客运专线动车组采用的CRHI、CRH2、CRH3、CRH5四种类型中,除CRHI型车体采用的是不锈钢材外,其余3种动车组车体均为铝合金材质。
 
近年来国外有用镁合金、钦合金等航空材料制造车体骨架的尝试,其重量只有铝合金的66%,减重效果明显。但还在考察试验中。
 
复合材料
                                                          
复合材料己开始应用于车辆,且用量不断增加,代表了未来发展趋势。纤维增强树脂基复合材料(FRF)因为高比强度(刚度)、耐疲劳、耐蚀、隔热、阻燃、可设计性强等优点,英国、日本、德国先后在60年代开始应用于非结构件,现在越来越多地应用于各种结构件,例如车休和车头前端部采用玻璃钢、芳纶纤维增强环氧树脂等。目前在西欧,制造铁道车辆用的复合材料中,按纤维种类分,玻璃纤维占58%. 芳族聚酸胺纤维占20%,碳纤维占20%,其他占2%;按树脂的种类分,聚酯占35%,乙烯酸酯占22%,环氧树脂占21%,酚醛树脂占15%,改性的丙烯酸树脂占4%,其他占3%。      
            
转向架              
 
转向架的构架是特别重要的高强度部件,关系到整个车辆安全性。转架必须满足安全、运行舒适度以及耐磨损、易检修等要求。
 
多采用优质碳素钢、低合金低碳高强度钢、耐候钢制造的构架。近来研究热点为高分子复合材料和铝合金制造的构架。
                           
车辆内装及设备     
 
车辆内装及设备主要有装饰板、厕所、盟洗室、座椅及水箱等,以铝合金和高分子材料为主,如装饰板采用铝合金上叠合一层不燃性的纤维增强塑料,厕所、盟洗室、座椅及水箱还要考虑到卫生和耐腐蚀性,也以不燃性的为佳。
                                                                                         
轮一轨系统       
 
车轮与钢轨材料除了要有足够的强度、韧性、耐磨性外,还必须具有耐擦伤、抗剥离的性能。就线路而言,高速铁路区别于一般铁路最主要的特点是曲率半径大、应变速率高、轴重轻和牵引力大,钢轨的磨耗较小,疲劳损伤相对突出,因此对钢轨材料的选择要求较高。
 
对于钢轨材料而言,欧洲铁路一直在合金钢轨上进行研究,如非热处理的Cr-Mo,合金钢轨除了有较高的循环软化抗力外,也有较好的抵杭短波磨损的能力,是今后钢轨材料的重点选择对象之一。 此外,还应从钢轨钢的强韧化和纯净化方面进行努力,大力发展全长热处理钢轨、稀土钢轨和降噪降振新钢轨。
目前,国外正在研究的贝氏体钢抗剥离性能优于珠光体钢,不过尚处于试验阶段。为了减重,德国正研究组合车轮,即轮心采用FRP,再**钢质轮和轮箍。
 
无砟轨道                          
 
无砟轨道是当前和今后世界铁路建设发展的趋势和方向。无砟轨道的轨枕本身是混凝土浇灌而成,而路基也不用碎石,可减少维护、降低粉尘、美化环境。铁轨、轨枕直接铺在混凝土路上,水泥枕与铁轨间采取了许多连接稳固的措施。列车时速可达200km以上。
 
高铁轨道水泥枕、铁轨和地基间的连接处均以聚氨酯弹性体填隙、密封,一则使连接稳固,不因受气候变化而位移;二则可起防震和消除噪音作用,增添旅客乘车舒适感。
                          
聚氨酯枕木              
 
为适应高速列车的提速要求,开发聚氨酯枕木以取代或部分取代混凝土枕木必将是未来的发展趋势。在西欧,该技术已有较成熟的研制和应用经验;在日本,聚氨酯枕木已在高速列车新干线轨道上得到应用。与其他材料相比,聚氨酯枕木具有卓越的耐久性并可降低周期成本。
 
                   
聚氨酯胶黏剂
                                   
高速列车的生产对聚氨酯胶黏剂的使用需求也大幅增加,聚氨酯在车辆上承担着玻璃粘接、地板粘接、嵌缝填充、密封防水等各种必不可少的作用。按照动车组CRH3为基础,单节车厢用聚氨酯胶约84。07L,折算约合109。3kg。主要应用于车窗玻璃的粘接密封及部分填充部位的密封。
 
                  
聚脲弹性体涂层                                           
 
由于高铁采用无碴轨道,要求防护层不仅具有防水、防渗和抗裂等基本性能,还要能经受火车高速行驶带来的高速、重载、交变冲击等作用。聚脲涂层无接缝,粘结力强,真正做到了整体防水,同时还具有优异的耐磨性、抗冲击、抗开裂、耐紫外光和耐高低温性能,可满足高铁的特殊要求。
 
受电弓滑板       
 
 
目前高速铁路使用的导线主要有铜银(0.15%一0.18% Ag),铜镉(0. 7%-1. 3%Cd)或铜锡合金(0. 3%Sn)等。随列车的高速化.研制高线张力和重量轻的新型复合导线(即外表为铜,芯部为钢)是发展趋势。
 
受电弓滑板是机车供电系统重要集电元件,通常有碳滑板、金属滑板、浸金属碳滑板和粉末冶金滑板,各国多采用碳滑板。如德国ICE和法国TGV。浸金属碳滑板既有碳材料的自润滑性,又具备了金属材料集电、强度和抗冲击力高的特点,成为最理想的滑板材料,近年来已步人产业化阶段。国外目前正在加强碳纤维金属基复合材料滑板的研究,该材料在集电、自润滑、抗撞击性能方而都会超过现有的滑板。
 
目前,国内外研究的浸金属碳滑板已步入了实用化的阶段,它主要是利用了碳滑板材料的多孔性质,将熔融的铜或铜合金等高导电性金属,在高温高压下浸入到碳滑板基体中去,使它既有碳材料的自润滑和抗电弧性能,又具备金属材料的集电、强度高、杭弹撞击力强的特点,成为最理想的滑板材料。
 
与此同时,还应加强碳纤维一金属复合材料滑板的研究,这种滑板在集电、润滑、杭撞击性能方面都会超过现有的金属滑板、碳滑板、浸金属碳滑板和粉末冶金滑板,其应用前景十分广阔。
 
 
制动摩擦系统  
 
 
制动摩擦系统要求摩阻材料有高而稳定的摩擦系数,更好的散热性和耐磨性,足够高的冲击强度和剪切强度,对磨偶件不产生异常磨损和其他形式的损伤,制动火花少,价格便宜,而且轻量化。
 
制动盘过去长期使用合金铸铁,但高速列车要求选用高强度抗热裂的合金锻钢,如Ni-Cr-Mo或Cr-Mo-V合金钢,也有研制金属基复合材料和C-C复合材料制动盘。日本1997年开发的耐热裂制动盘。可以有20年以上的寿命;德国的碳纤维复合材料盘,在高速250 km/h下质量好,并通过了400km/h的台架实验。
 
目前常用的摩阻材料可分为含磷铸铁、粉末冶金材料和合成材料。法国TGV-A、日本新干线等高速列车都采用了粉末冶金闸片,而且普遍是铜基材料。针对铁基、铝基材料,日本、欧美等近来在开发新材料时加人品须、陶瓷颗粒或短纤维等制成复合材料。在合成摩阻材料方面,德国ICE列车上安装了铝合金盘/合成闸片,获得了较好的效果。目前纤维增强复合材料在摩阻制动材料方面的成功开发和运用备受瞩目,成为研究热点,例如1997年口本开发的闸片是以酚醛树脂、石墨、合成橡胶与碳纤维复合。
 
 
减振、降噪材料      
 
 
高速带来的冲击、振动和噪声的加剧,采用减振降噪元件,例如勃弹性能、耐疲劳、耐老化性能更优的橡胶元件,以保证乘坐的安全舒适。
 
橡胶元件已在高速列车上广泛应用于防振、缓冲、隔音、密封、绝缘,以及弹性偶合件和空气橡胶簧等方面,尤其是减振降噪作用特别显著,对高速列车的舒适平稳具有无可取代的作用。
 
橡胶元件最引人瞩目的应用是转向架上的六连杆橡胶关节。20世纪50年代初,国外就开始采用橡胶材料作为钢轨垫件;70 年代随列车速度的提高,在轨道结构中采用了天然橡胶、氯丁橡胶、聚氨酯橡胶等弹性体作为钢轨夹垫、撑垫和轨枕的垫件;80年代,低发泡聚氨酯弹性材料已广泛应用于轨道结构材料。日本对百余种弹性材料的筛选认为,用反应注射成形法生产的低发泡聚氨酯材料最适合用作高速轨道材料。
 
高铁产业代表一个国家高端制造业的水平。中国高铁走出国门,意味着全球市场对于中国制造的肯定。中国忠旺等国内铝型材龙头企业,凭借强大的技术研发和产品生产实力,或将迎来更多的发展机遇和市场空间。
 
 
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