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鎂合金在軌道客車上的應(yīng)用及展望

2017-03-20 12:32:26 作者：本網(wǎng)整理來(lái)源：材料十分享至：

    近年來(lái)我國(guó)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(shè)計(jì)、環(huán)境友好、以人為本的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，具有其他交通方式無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。輕量化設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)軌道客車多方面的優(yōu)化，是軌道客車關(guān)鍵技術(shù)之一。鎂合金是目前工程應(yīng)用中密度最小、比強(qiáng)度最高的結(jié)構(gòu)金屬材料，在軌道客車輕量化應(yīng)用中具有非常好的前景。

    鎂合金的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用

    現(xiàn)在廣泛應(yīng)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(yīng)用，鎂合金經(jīng)過(guò)變形之后，可以得到更加優(yōu)秀的綜合力學(xué)性能，從而滿足不同的場(chǎng)合需求，所以發(fā)展變形鎂合金非常有前景。

    鎂合金的特點(diǎn)可滿足航空航天等高科技領(lǐng)域?qū)p質(zhì)材料降噪、減振、防輻射的要求，同時(shí)可大大改善飛行器的氣體動(dòng)力學(xué)性能和明顯減輕結(jié)構(gòu)重量。目前鎂合金在航空工業(yè)上應(yīng)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(shè)法減輕汽車的重量，從而達(dá)到降低汽油消耗和溫室氣體排放量的新標(biāo)準(zhǔn)，鎂合金的減重效果可以最大限度滿足日益嚴(yán)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(pán)、輪轂上應(yīng)用可以減少振動(dòng)，在車門等殼體上應(yīng)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(jìn)氣歧管、輪轂、發(fā)動(dòng)機(jī)和安全部件上都有壓鑄和變形鎂合金產(chǎn)品的應(yīng)用。

    軌道客車的輕量化設(shè)計(jì)

    軌道客車輕量化設(shè)計(jì)主要是通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)、采用新材料來(lái)實(shí)現(xiàn)，它主要包括列車車體、車內(nèi)設(shè)備、車外吊掛安裝設(shè)備的輕量化。在考慮減輕列車重量的時(shí)候，必須在確保車體強(qiáng)度、剛度、動(dòng)力學(xué)和動(dòng)應(yīng)力等滿足要求的前提下，盡量實(shí)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(yīng)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(xué)性能相近，非常有潛力在軌道客車替代鋁合金，實(shí)現(xiàn)輕量化減重的目的。

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

    國(guó)外軌道客車上已經(jīng)有許多鎂合金應(yīng)用的報(bào)道。法國(guó)TGV高速列車已經(jīng)在TGVDuplex雙層高速列車座椅上應(yīng)用了鎂合金件，采用鎂合金件的座椅總數(shù)量超過(guò)了45000個(gè)，應(yīng)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(cè)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(gè)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(yùn)行成本。TGV列車鎂合金在座椅上的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了減重、節(jié)約成本和應(yīng)用功能的良好結(jié)合。韓國(guó)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(gè)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(shù)方面一直處于領(lǐng)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(shí)現(xiàn)了整車減重目的，提升了動(dòng)車組的動(dòng)力性能并減少了能耗。

    輕量化材料中的優(yōu)勢(shì)使鎂合金在我國(guó)軌道客車應(yīng)用潛力巨大，我國(guó)某些研究機(jī)構(gòu)和主機(jī)廠也對(duì)鎂合金在列車上的應(yīng)用做了許多研究和試驗(yàn)。比如使用AZ91D鎂合金替代動(dòng)車組PA塑料制作小桌支臂減輕列車重量。動(dòng)車組原始PA塑料小桌支臂強(qiáng)度較低，現(xiàn)車使用中有斷裂損壞的風(fēng)險(xiǎn)，使用鎂合金制作小桌支臂，不僅強(qiáng)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(zhǎng)率和沖擊韌性等性能。首先，經(jīng)過(guò)測(cè)試鎂合金小桌支臂的抗拉強(qiáng)度和彈性模量完全優(yōu)于PA塑料小桌支臂，對(duì)兩種材料的小桌支臂做20kg載荷變形量試驗(yàn)，結(jié)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(shí)心結(jié)構(gòu)，而鎂合金支臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得更薄更合理，所以每個(gè)AZ91D鎂合金支臂可以比原來(lái)實(shí)心PA塑料支臂減輕約35%的重量。疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果顯示鎂合金小桌支臂完全符合疲勞耐久設(shè)計(jì)。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(píng)價(jià)得出，鎂合金小桌支臂可以完全滿足國(guó)內(nèi)動(dòng)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(dòng)車組的輕量化設(shè)計(jì)。

    現(xiàn)階段軌道客車鎂合金應(yīng)用的主要研究目標(biāo)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(yīng)用。根據(jù)鎂合金的性能和特點(diǎn)，目前鎂合金可以在列車以下結(jié)構(gòu)上進(jìn)行使用：

    列車內(nèi)裝型材、車窗內(nèi)框架、小桌板及支臂；

    行李架邊框、座椅骨架、臥鋪框架、內(nèi)部?jī)x表盤(pán)框架；

    車下裙板、車內(nèi)間壁面板、車下設(shè)備艙底板。

    國(guó)內(nèi)有研究機(jī)構(gòu)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(guān)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(yīng)用的鎂合金零件，另有廠家正在試制蜂窩模塊并設(shè)計(jì)過(guò)度車鉤等。

    有研究數(shù)據(jù)表明，運(yùn)用鎂相關(guān)材料來(lái)制造有軌列車車體及內(nèi)裝部件，將大大降低其重量。以京滬高鐵的客運(yùn)專線為例，如果將其車身用鎂合金來(lái)制造整個(gè)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(yùn)營(yíng)每天1000多班次的動(dòng)車組來(lái)計(jì)算，全部應(yīng)用鎂合金車體，一天僅直達(dá)列車即可節(jié)約用電126萬(wàn)度、折合減少二氧化碳排放1146噸。由此可見(jiàn)，運(yùn)用鎂合金及復(fù)合材料對(duì)列車進(jìn)行減重以后，對(duì)于節(jié)能減排意義重大。

    隨著鎂合金開(kāi)發(fā)和應(yīng)用研究的發(fā)展，鎂合金的性能會(huì)得到不斷提升，未來(lái)趨勢(shì)是進(jìn)一步拓展應(yīng)用領(lǐng)域，從高速列車上的非承載零部件逐漸發(fā)展應(yīng)用到承載零部件，使鎂合金成為高速列車輕量化關(guān)鍵材料。