浅谈高铁结构与新材料应用

2023-01-10 14:38:50 作者：本网发布来源：网络分享至：

现代化的交通运输是国家经济的命脉，对国民经济发展起着决定性作用。铁路作为交通运输体系的骨干、国家重要的基础设施，在建设发展新型国家和经济的提升承担着重大责任与艰巨的任务，大力加快发展具有运量大、速度快、能耗和污染少、占地省、效益高的高速轨道交通具有非常重要的意义。

中国高铁走出国门走向世界少不了各种新材料、新技术的加持，今天放下那些高深的技术，文中简单总结一下高铁在生产制造中用到了哪些新材料。金属材料具有资源丰富、生产规模大、易于加工、性能多样可靠、使用方便和便于回收等特点，以钢铁为代表的黑色金属更是国家建设和现代化发展必不可少的重要物资，金属材料在高速铁路上也因此有着极其广泛的应用，此外还有大量的高分子材料和复合材料为高铁建设贡献力量。

高铁列车主要有四大部分组装而成：车体、转向架、车上下大部件、车内设施；高速铁路也已经实现诸如钢轨、扣件等重要部件材料的自主研发生产和国产化，随着高铁技术不断发展的需求，需要开发适应高铁需求的新材料新技术，同时对新材料的强度、疲劳性能、轻量化、工艺性等提出了更高的要求。高速轨道交通关键材料包含以下主要领域：高速列车关键材料（包括高速车体材料及工艺、高速转向架材料及工艺、高速弓网关键材料及工艺、高速制动盘/片材料、车轴材料、减震降噪材料等）、高速铁路建设关键材料（包括高速钢轨、路桥建设用材料、信号控制等）、高速轨道交通系统维护关键材料及装备等。

高铁车体

车体是个什么东西？车体就像是列车这房子的框架，是高铁列车之“骨”，是高铁列车整车制造的核心技术之一。车体的构成主要用到了不锈钢、铝合金还有一些复合材料。

不锈钢

车体中使用到的主要是镍铬奥氏体不锈钢，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200km/h速度级的车体、及车内承载和装饰件。

铝合金

目前国内高铁列车大量使用铝合金材料，时速300公里以上的高速列车车体必须采用轻质铝合金材料，时速350公里以上的列车车厢除底盘外全部采用铝型材。铝及铝合金具有密度小（仅为2.7，为钢的1/3）、强度高，加入某些元素形成的合金比钢合金强度更高，导热导电性仅次于银、铜和金，再加上表面生成致密牢固的Al2O3保护膜能够保护基体免受腐蚀，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。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，在强度和刚度满足高铁车厢安全要求的同时，使用铝合金可以减轻高铁车厢的自重。目前中国客运专线有crhi、crh2、crh3和crh5这四种动车组，其中crh2、crh3和crhi5三种动车组均采用铝合金材料。

主要应用：作为受力构件；作为门、窗、管、盖、壳等材料；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。

复合材料

复合材料代表了未来发展趋势，已逐渐应用于车辆。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，例如车体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

转向架是高速动车组的走行装置，是负责完成整个车辆走行任务的部件。它相当于汽车的底盘和车轮，具有导向、承载、减震、牵引、制动等作用。目前，国内高铁的转向架都是由钢和铁制成的，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，但由于钢和铁重量大，导致列车阻力大、耗能增多。近年来，中国高铁开始了轻量化研究，作为动力系统的转向架自然而然成为研究者突破的主要方向。

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-轨系统

伴随着中国铁路的发展，钢轨从单重、轨头廓形、定尺长度到材质等方面均取得长足进步，以适应不同运行条件对钢轨的需求，车轮是轮轨系统中的核心部件之一，其安全可靠性直接影响到运输安全。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。

钢轨

我国钢轨生产企业主要攀钢、鞍钢、包钢、武钢和邯钢。这 5 家钢厂的主要生产设备，包括顶底复吹转炉、炉外精炼、真空处理炉、大方坯连铸机、万能轧制机组、复合矫直机、钢轨在线检测中心和联合机床等，采用先进的连铸、万能轧制等生产工艺，均已具备现代化的钢轨生产能力，可满足生产高速、重载铁路等高档次钢轨的需要。

现行铁路上钢轨主要有强度等级为 880 MPa的U71Mn 钢轨和980 MPa 的 U75V 微合金钢轨。高速铁路上广泛使用的钢轨是 U71MnG 钢轨和 U75VG 钢轨。这 2 种钢轨是在 U71Mn 钢轨和 U75V 钢轨的基础上，对成分进行优化，主要减少了钢中有害元素 P 和 S 的含量，并提高了断后伸长率（A）要求。

车轮

我国铁路车轮用材料主要以中碳钢为主，普通客车和货车车轮材料为 CL60 钢，普通机车车轮材料略有不同，但基本与 CL60 相近。

受电弓滑板

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。近几年我国常采用浸金属碳滑板，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。浸金属碳滑板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、抗弹撞击力强的特点。

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。

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。

减振降噪材料

高速铁路引起的噪声源主要包括列车高速运行时走行部的车轮与钢轨产生的“轮轨噪声”、集电弓与接触网高速摩擦产生的“集电系统噪声”、高速行车引起的“空气动力噪声”、行车激励引起的桥梁结构的振动而产生的“结构噪声”。一般都会在设计高铁时采用低噪声的结构或构造达到降噪的目的。在材料的选择上许多化工新材料特别是化工高分子材料在减振、降噪、吸音等方面的性能优势是传统的金属、水泥、木材所无法比拟的，高铁铁轨所用到的高分子减振、降噪材料就多达十几种。

聚氨酯、碳纤维复合材料、热塑性弹性体、聚氯乙烯、硅橡胶、环氧树脂、丁基橡胶、丁苯橡胶、三元乙丙胶等材料广泛地应用在高速铁路的车辆、轨道、桥梁和接触导线上，满足了高速铁路对材料的特殊要求。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，橡胶元件的减振降噪作用特别显著。

高速轨道交通材料的建议

1）主管部门加强引导，联合国内高速列车的生产企业和材料生产厂家等分析高速列车关键材料产业化中存在的问题，建立高速列车生产主机厂与材料生产单位的直接联系。

2）联合科研院所、高校、企业，对关键材料重点攻关。通过成分配方设计、冶金（合成）轧制、热处理（表面处理）等控制材料的成分、组织、性能，提高材料综合服役性能。通过过程控制提高产品质量稳定性。

3）由高速、重载铁路运营部门进行高速、重载列车新材料的现场实际运行长期运行考验。

4）建立市场需求牵引的高速铁路材料产业发展模式。即国家用需求引导高速铁路材料产业的发展模式。

5）建立符合中国市场特征自主高速、重载铁路材料质量评价体系，建立包括多方参与的高速、重载材料试验、服役行为评价平台。

6）集中力量进行高端高铁关键材料的质量和技术攻关，解决材料在工程应用中的工艺技术问题，加快材料产业化的进程。

7）在参考国外相关标准、规范的基础上，结合我国的实际情况，尽快建立中国的高速铁路材料产品标准体系。

8）实现主要材料生产设备的国产化，通过自动过程控制稳定产品质量。

参考文献：

【1】丛韬，付秀琴，张弘，等 . 解读铁道行业标准《碳素钢铸钢车轮》［J］. 铁道技术监督，2014，42（2）：6-10.