現(xiàn)代化的交通運(yùn)輸是國(guó)家經(jīng)濟(jì)的命脈,對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著決定性作用。鐵路作為交通運(yùn)輸體系的骨干、國(guó)家重要的基礎(chǔ)設(shè)施,在建設(shè)發(fā)展新型國(guó)家和經(jīng)濟(jì)的提升承擔(dān)著重大責(zé)任與艱巨的任務(wù),大力加快發(fā)展具有運(yùn)量大、速度快、能耗和污染少、占地省、效益高的高速軌道交通具有非常重要的意義。 中國(guó)高鐵走出國(guó)門(mén)走向世界少不了各種新材料、新技術(shù)的加持,今天放下那些高深的技術(shù),文中簡(jiǎn)單總結(jié)一下高鐵在生產(chǎn)制造中用到了哪些新材料。金屬材料具有資源豐富、生產(chǎn)規(guī)模大、易于加工、性能多樣可靠、使用方便和便于回收等特點(diǎn),以鋼鐵為代表的黑色金屬更是國(guó)家建設(shè)和現(xiàn)代化發(fā)展必不可少的重要物資,金屬材料在高速鐵路上也因此有著極其廣泛的應(yīng)用,此外還有大量的高分子材料和復(fù)合材料為高鐵建設(shè)貢獻(xiàn)力量。 高鐵列車(chē)主要有四大部分組裝而成:車(chē)體、轉(zhuǎn)向架、車(chē)上下大部件、車(chē)內(nèi)設(shè)施;高速鐵路也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)諸如鋼軌、扣件等重要部件材料的自主研發(fā)生產(chǎn)和國(guó)產(chǎn)化,隨著高鐵技術(shù)不斷發(fā)展的需求,需要開(kāi)發(fā)適應(yīng)高鐵需求的新材料新技術(shù),同時(shí)對(duì)新材料的強(qiáng)度、疲勞性能、輕量化、工藝性等提出了更高的要求。高速軌道交通關(guān)鍵材料包含以下主要領(lǐng)域:高速列車(chē)關(guān)鍵材料(包括高速車(chē)體材料及工藝、高速轉(zhuǎn)向架材料及工藝、高速弓網(wǎng)關(guān)鍵材料及工藝、高速制動(dòng)盤(pán)/片材料、車(chē)軸材料、減震降噪材料等)、高速鐵路建設(shè)關(guān)鍵材料(包括高速鋼軌、路橋建設(shè)用材料、信號(hào)控制等)、高速軌道交通系統(tǒng)維護(hù)關(guān)鍵材料及裝備等。 車(chē)體是個(gè)什么東西?車(chē)體就像是列車(chē)這房子的框架,是高鐵列車(chē)之“骨”,是高鐵列車(chē)整車(chē)制造的核心技術(shù)之一。車(chē)體的構(gòu)成主要用到了不銹鋼、鋁合金還有一些復(fù)合材料。 不銹鋼 車(chē)體中使用到的主要是鎳鉻奧氏體不銹鋼,由于其高耐蝕性和美觀的特點(diǎn),在日本、美國(guó)、前蘇聯(lián)應(yīng)用較多,在保證強(qiáng)度和剛度前提下,如梁、柱等骨架的板厚由普通鋼的3.2一6.0mm減至1.0一1.5 mm,可減重40%左右。20世紀(jì)60年代初,日本率先研制出不銹鋼車(chē)輛,其輕量、節(jié)能、不需涂裝,產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益,目前不銹鋼車(chē)輛超過(guò)5000輛,占全部客車(chē)10%以上。 主要應(yīng)用:不銹鋼車(chē)體由于不易解決車(chē)體氣密性問(wèn)題,只用于制造200km/h速度級(jí)的車(chē)體、及車(chē)內(nèi)承載和裝飾件。 鋁合金 目前國(guó)內(nèi)高鐵列車(chē)大量使用鋁合金材料,時(shí)速300公里以上的高速列車(chē)車(chē)體必須采用輕質(zhì)鋁合金材料,時(shí)速350公里以上的列車(chē)車(chē)廂除底盤(pán)外全部采用鋁型材。鋁及鋁合金具有密度小(僅為2.7,為鋼的1/3)、強(qiáng)度高,加入某些元素形成的合金比鋼合金強(qiáng)度更高,導(dǎo)熱導(dǎo)電性僅次于銀、銅和金,再加上表面生成致密牢固的Al2O3保護(hù)膜能夠保護(hù)基體免受腐蝕,特別是車(chē)輛引擎部分特別適合使用鋁合金材料。這里幾乎完全是鋁合金的一家天下。此外,鋁合金的加工工藝多種多樣。通用性較強(qiáng)。由于鋁的融化溫度低,流動(dòng)性好,易于制造各種復(fù)雜外形的零件,在強(qiáng)度和剛度滿足高鐵車(chē)廂安全要求的同時(shí),使用鋁合金可以減輕高鐵車(chē)廂的自重。目前中國(guó)客運(yùn)專(zhuān)線有crhi、crh2、crh3和crh5這四種動(dòng)車(chē)組,其中crh2、crh3和crhi5三種動(dòng)車(chē)組均采用鋁合金材料。 主要應(yīng)用:作為受力構(gòu)件;作為門(mén)、窗、管、蓋、殼等材料;作為裝飾和絕熱材料。鋁合金容易加工和具有高度的散熱性。 復(fù)合材料 復(fù)合材料代表了未來(lái)發(fā)展趨勢(shì),已逐漸應(yīng)用于車(chē)輛。纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料(FRF)因?yàn)楦弑葟?qiáng)度(剛度)、耐疲勞、耐蝕、隔熱、阻燃、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),英國(guó)、日本、德國(guó)先后在60年代開(kāi)始應(yīng)用于非結(jié)構(gòu)件,現(xiàn)在越來(lái)越多地應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)件,例如車(chē)體和車(chē)頭前端部采用玻璃鋼、芳綸纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂等。目前在西歐,制造鐵道車(chē)輛用的復(fù)合材料中,按纖維種類(lèi)分,玻璃纖維占58%. 芳族聚酸胺纖維占20%,碳纖維占20%,其他占2%;按樹(shù)脂的種類(lèi)分,聚酯占35%,乙烯酸酯占22%,環(huán)氧樹(shù)脂占21%,酚醛樹(shù)脂占15%,改性的丙烯酸樹(shù)脂占4%,其他占3%。 轉(zhuǎn)向架是高速動(dòng)車(chē)組的走行裝置,是負(fù)責(zé)完成整個(gè)車(chē)輛走行任務(wù)的部件。它相當(dāng)于汽車(chē)的底盤(pán)和車(chē)輪,具有導(dǎo)向、承載、減震、牽引、制動(dòng)等作用。目前,國(guó)內(nèi)高鐵的轉(zhuǎn)向架都是由鋼和鐵制成的,多采用優(yōu)質(zhì)碳素鋼、低合金低碳高強(qiáng)度鋼、耐候鋼制造的構(gòu)架,但由于鋼和鐵重量大,導(dǎo)致列車(chē)阻力大、耗能增多。近年來(lái),中國(guó)高鐵開(kāi)始了輕量化研究,作為動(dòng)力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向架自然而然成為研究者突破的主要方向。 車(chē)輛內(nèi)裝及設(shè)備主要有裝飾板、廁所、盟洗室、座椅及水箱等,以鋁合金和高分子材料為主,如裝飾板采用鋁合金上疊合一層不燃性的纖維增強(qiáng)塑料,廁所、盟洗室、座椅及水箱還要考慮到衛(wèi)生和耐腐蝕性,也以不燃性的為佳。 伴隨著中國(guó)鐵路的發(fā)展,鋼軌從單重、軌頭廓形、定尺長(zhǎng)度到材質(zhì)等方面均取得長(zhǎng)足進(jìn)步,以適應(yīng)不同運(yùn)行條件對(duì)鋼軌的需求,車(chē)輪是輪軌系統(tǒng)中的核心部件之一,其安全可靠性直接影響到運(yùn)輸安全。車(chē)輪與鋼軌材料除了要有足夠的強(qiáng)度、韌性、耐磨性外,還必須具有耐擦傷、抗剝離的性能。 我國(guó)鋼軌生產(chǎn)企業(yè)主要攀鋼、 鞍鋼、包鋼、武鋼和邯鋼。這 5 家鋼廠的主要生產(chǎn)設(shè)備,包括頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐、爐外精煉、真空處理爐、大方坯連鑄機(jī)、萬(wàn)能軋制機(jī)組、復(fù)合矯直機(jī)、鋼軌在線檢測(cè)中心和聯(lián)合機(jī)床等,采用先進(jìn)的連鑄、萬(wàn)能軋制等生產(chǎn)工藝,均已具備現(xiàn)代化的鋼軌生產(chǎn)能力,可滿足生產(chǎn)高速、重載鐵路等高檔次鋼軌的需要。 現(xiàn)行鐵路上鋼軌主要有強(qiáng)度等級(jí)為 880 MPa的U71Mn 鋼軌和980 MPa 的 U75V 微合金鋼軌。高速鐵路上廣泛使用的鋼軌是 U71MnG 鋼軌和 U75VG 鋼軌。這 2 種鋼軌是在 U71Mn 鋼軌和 U75V 鋼軌的基礎(chǔ)上,對(duì)成分進(jìn)行優(yōu)化,主要減少了鋼中有害元素 P 和 S 的含量,并提高了斷后伸長(zhǎng)率(A)要求。 我國(guó)鐵路車(chē)輪用材料主要以中碳鋼為主, 普通客車(chē)和貨車(chē)車(chē)輪材料為 CL60 鋼,普通機(jī)車(chē)車(chē)輪材料略有不同,但基本與 CL60 相近。 制動(dòng)摩擦系統(tǒng)要求摩阻材料有高而穩(wěn)定的摩擦系數(shù),更好的散熱性和耐磨性,足夠高的沖擊強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度,對(duì)磨偶件不產(chǎn)生異常磨損和其他形式的損傷,制動(dòng)火花少,價(jià)格便宜,而且輕量化。制動(dòng)盤(pán)過(guò)去長(zhǎng)期使用合金鑄鐵,但高速列車(chē)要求選用高強(qiáng)度抗熱裂的合金鍛鋼,如Ni-Cr-Mo或Cr-Mo-V合金鋼,也有研制金屬基復(fù)合材料和C-C復(fù)合材料制動(dòng)盤(pán)。 目前常用的摩阻材料可分為含磷鑄鐵、粉末冶金材料和合成材料。法國(guó)TGV-A、日本新干線等高速列車(chē)都采用了粉末冶金閘片,而且普遍是銅基材料。 高速鐵路引起的噪聲源主要包括列車(chē)高速運(yùn)行時(shí)走行部的車(chē)輪與鋼軌產(chǎn)生的“輪軌噪聲”、集電弓與接觸網(wǎng)高速摩擦產(chǎn)生的“集電系統(tǒng)噪聲”、高速行車(chē)引起的“空氣動(dòng)力噪聲”、行車(chē)激勵(lì)引起的橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)而產(chǎn)生的“結(jié)構(gòu)噪聲”。一般都會(huì)在設(shè)計(jì)高鐵時(shí)采用低噪聲的結(jié)構(gòu)或構(gòu)造達(dá)到降噪的目的。在材料的選擇上許多化工新材料特別是化工高分子材料在減振、降噪、吸音等方面的性能優(yōu)勢(shì)是傳統(tǒng)的金屬、水泥、木材所無(wú)法比擬的,高鐵鐵軌所用到的高分子減振、降噪材料就多達(dá)十幾種。 聚氨酯、碳纖維復(fù)合材料、熱塑性彈性體、聚氯乙烯、硅橡膠、環(huán)氧樹(shù)脂、丁基橡膠、丁苯橡膠、三元乙丙膠等材料廣泛地應(yīng)用在高速鐵路的車(chē)輛、軌道、橋梁和接觸導(dǎo)線上,滿足了高速鐵路對(duì)材料的特殊要求。例如勃彈性能、耐疲勞、耐老化性能更優(yōu)的橡膠元件,以保證乘坐的安全舒適,橡膠元件的減振降噪作用特別顯著。 1)主管部門(mén)加強(qiáng)引導(dǎo),聯(lián)合國(guó)內(nèi)高速列車(chē)的生產(chǎn)企業(yè)和材料生產(chǎn)廠家等分析高速列車(chē)關(guān)鍵材料產(chǎn)業(yè)化中存在的問(wèn)題,建立高速列車(chē)生產(chǎn)主機(jī)廠與材料生產(chǎn)單位的直接聯(lián)系。 2)聯(lián)合科研院所、高校、企業(yè),對(duì)關(guān)鍵材料重點(diǎn)攻關(guān)。通過(guò)成分配方設(shè)計(jì)、冶金(合成)軋制、熱處理(表面處理)等控制材料的成分、組織、性能,提高材料綜合服役性能。通過(guò)過(guò)程控制提高產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性。 3)由高速、重載鐵路運(yùn)營(yíng)部門(mén)進(jìn)行高速、重載列車(chē)新材料的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行長(zhǎng)期運(yùn)行考驗(yàn)。 4)建立市場(chǎng)需求牽引的高速鐵路材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式。即國(guó)家用需求引導(dǎo)高速鐵路材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展模式。 5)建立符合中國(guó)市場(chǎng)特征自主高速、重載鐵路材料質(zhì)量評(píng)價(jià)體系,建立包括多方參與的高速、重載材料試驗(yàn)、服役行為評(píng)價(jià)平臺(tái)。 6)集中力量進(jìn)行高端高鐵關(guān)鍵材料的質(zhì)量和技術(shù)攻關(guān),解決材料在工程應(yīng)用中的工藝技術(shù)問(wèn)題,加快材料產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。 7)在參考國(guó)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的基礎(chǔ)上,結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況,盡快建立中國(guó)的高速鐵路材料產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系。 8)實(shí)現(xiàn)主要材料生產(chǎn)設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化,通過(guò)自動(dòng)過(guò)程控制穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。 參考文獻(xiàn): 【1】叢韜,付秀琴,張弘,等 . 解讀鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《碳素鋼鑄鋼車(chē)輪》[J]. 鐵道技術(shù)監(jiān)督,2014,42(2):6-10. 【2】國(guó)鐵道科學(xué)研究院 . 國(guó)內(nèi)外最新鋼軌標(biāo)準(zhǔn)匯編(上、下冊(cè))[M]. 北京 :中國(guó)鐵道科學(xué)研究院,2012. 【3】周清躍,張銀花,梁 旭等. 國(guó)內(nèi)外鐵路用金屬材料的現(xiàn)狀及進(jìn)展[J]. 鐵道技術(shù)監(jiān)督,2016,44(3):1-4.
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