近日，由上海有色網（SMM）、上海有色金屬行業協會聯合舉辦的“第十二屆上海銅鋁峰會”圓滿落幕，中國南車集團戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司主任工藝師夏少華博士在會上以“鋁合金材料在軌道交通行業應用現狀與展望”為主題作出精彩發言。

    夏少華指出，國家制定的“十三五”鐵路規劃，展現了國家對軌道交通的發展異常重視，包括城市軌道建設，高速補貼，客運和貨運發展，在最近的5到10年里有一個跨越式的發展等。2015年，城市軌道交通達到87條，運營總里程將超過2500公里，投資規模達到7000億元。在十三五期間建設鐵路新線2.3萬公里，總投資2.8萬億元。2020年，我國規劃將建成“四縱四橫”高速客運系統，客運專線1.6萬公里以上。

    列車運能提高輕量化是關鍵

    車輛輕量化是個系統工程，它包括設計觀念、設計方法、新材料選用、試驗等諸多方面并貫徹在總體設計、零部件設計、制造工藝、試驗鑒定的研制全過程之中。

    無論重載鐵路，還是高速鐵路，車輛減輕既可以降低能耗，又能增加運力。國內外鐵道車輛的輕量化的發展經歷很漫長的過程。最早在上世紀30年代，美國Budd公司將不銹鋼車輛制造技術實用化，并實現了車輛輕量化，日本隨后引進了這個技術。1974年，以世界石油危機為契機，鐵路行業為了節能，要求車輛進一步實現輕量化。1978年，我國當時的國營鐵道公司從Budd公司引進材料和技術，開始投入輕量化車輛的研究。其后，獲得了廣泛認可，制造輛數飛躍增加。2000年以來，我國輕量化技術發展迅速，在降低車輛自重系數、延長車輛使用壽命、優化整車運行品質、提高車輛系統的經濟效益方面取得了顯著成績。

    實現車輛輕量化目前有兩大方向，輕材料是實現輕量化最主要的途徑，同時也是列車性能提高的關鍵技術。在列車不同的部位需要有不同材料的要求，輕量化并不只是要求輕質，而是既輕質，又能耐老化、耐疲勞、耐磨，還要更高韌性、更高模量以及更高強度，內飾和車體都會對輕量化有不同的要求。第二是設計和結構的要求，如今產品設計能夠通過計算機輔助優化，在滿足使用功能的前提下盡量實現減重。

    車輛輕量化的主要途徑

    1.采用輕量化的材料，如用高強度鋼制造轉向架，鋁合金來制造車體及其他承載部件，合成蜂窩材料制造車體內裝構件，采用高性能輕質的隔熱材、送風道以及薄壁不銹鋼管、薄壁電纜、合成材料管路等。

    2.設立列車計算機控制網絡，取消以往數量龐大的列車通信（控制）線，設立1對或2對網絡線，既可大大減輕列車重量，又可提高通信品質。

    3.改變車輛結構參數，采用矮車體和鼓型斷面，可以減小車輛自重和氣動阻力。

    4.采用集成化、模塊化設計，以最小的體積來實現規定的功能。

    輕量化材料在軌道交通行業應用情況

    高速列車使用輕量化的材料，首先是輕金屬合金材料，尤其是鋁合金的使用。我國目前高速動車組車體基本完全使用鋁合金，一些城軌車輛，重載貨車也使用高強度的鋁合金車體。鋁合金作為一種成熟的輕金屬材料。國外鋁合金及其復合材料車體已經工程化，國內也已應用于高速列車車體頂蓋、齒輪箱箱體、風缸等許多部件。

    其次是復合材料，復合材料是以纖維、顆粒等作為增強材料，以聚合物、陶瓷、金屬等作為基體復合而成的具有優異性能的新型材料。它具有高比強度、高比模量、耐疲勞、耐腐蝕、隔熱、耐磨、低成本、可設計性強等一系列優點，正在成為高速列車輕量化越來越重要的一類材料。過去復合材料主要用于列車內部裝備和裝飾等非結構件，如地板、墻板、門窗、座椅、車門、衛生間等，現在越來越多地應用于各種車體結構件。例如，車體和車頭前端部采用玻璃鋼復合材料、芳綸纖維增強環氧樹脂復合材料或碳纖維復合材料蜂窩夾層；轉向架構架也采用了碳纖維增強復合材料；制動盤和制動閘片采用了金屬基復合材料、碳/碳復合材料或SiC陶瓷增強鋁基復合材料等等。國內外的研究和應用表明，復合材料是高速列車輕量化最有發展前景的新材料。

    鋁合金材料在軌道車輛得以廣泛應用

    鋁合金作為輕量化代表材料在軌道車輛上廣泛應用基于如下優點：

    1.車輛自重可以大大減輕

    在強度、剛性滿足安全要求的同時，使用鋁合金可大大減輕軌道車輛的自重，一般來說鋁合金車輛比鋼質車輛輕30 %～50 %。

    2.鋁合金具有優良的耐火與耐電弧性

    雖然鋁的熔點（660℃）大大低于鋼的熔點（1530℃），但車體的耐火耐電弧特性不僅和材料的熔點相關，還與材料的導熱性相關。鋁合金材料與鋼鐵相比具有優良的導熱性，其散熱性比鋼更好。

    3.耐腐蝕性

    鋁合金表面易形成一層致密的氧化膜，在大氣中具有很好的抗氧化能力。因此鋁合金比鋼質車體具有更好的耐腐蝕性能，特別是在車體不易涂覆的部位，同時鋁合金表面可以化學著色、上漆、噴涂，通過這些方法大大提高了鋁構件的耐蝕性，可使車體表面美觀。

    4.便于加工、制造、維修

    隨著大型中空、復雜斷面鋁型材的開發應用 ,鋁材焊接技術在不斷進步 ,鋁合金車輛制造技術日趨成熟。鋁合金件的易于更換 ,不需除銹 ,適用于各種表面處理 ,便于維護 ,還可以回收的特點使制造工藝大大簡化 ,制造所需工作量也較鋼質車體大大減少。

    5.價格適中

    鋁材價格較高 ,使得車輛制造成本增加 ,但由于鋁合金使得車輛輕量化 ,車輛的輕量化帶來了運能的增加 ,耗能的減少，維修的費用降低。采用鋁合金車輛是經濟合理的 ,最終成本是適中的。

    鋁合金材料在軌道車輛應用前景廣闊

    目前國內高速鐵路客車發展很快，每輛高速鐵路客車車輛用鋁合金約10噸。各種型號的車輛材料使用量也不盡相同。以國內每年制造2000輛高速鐵路客車車輛計算，對大斷面型材需求量約1.6萬噸，鋁板材的需求量約0.4萬噸。城市軌道交通工具包括地鐵列車、磁懸浮列車和其它輕軌列車， 到2015年底，國內建成地鐵的城市有87條線在運營，線路總長度2500公里。按平均每公里擁有7.5輛車輛計算，國內城市軌道車輛已經達到18750輛。

    在鐵路貨車上應用上，原來很少用鋁質，貨車車體都是用鋼材焊接而成的。因鋁在同等的牽引力下運能可以提高，2003年開始，貨車主要生產企業齊齊哈爾車輛公司等四家企業制造了C80鋁合金運煤敞車400輛，每量車平均使用鋁板2噸，鋁型材2.5噸，共計4.5噸。

    對于車輛輕量化來講，僅考慮車體顯然是不夠的。因為車體的質量僅占20%左右，大部分質量集中在轉向架上，而轉向架的質量又主要取決于牽引電機、輪對、構架和制動系統。在高速列車上采用了高強度鋁合金如齒輪箱體、枕梁、軸箱前蓋、軸箱體、制動盤、鋁合金輪芯復合車輪、電磁制動中的部件，磁懸浮車輛超導線氦液化冷凍器的熱交換器等等，都有發展前景。在車內設備中，內部裝飾板、門窗、座椅、水箱、各種管道等，其總質量也相當可觀。

    中國高鐵運營里程15000km，2050年高速列車需求數量預計為5萬輛；俄羅斯、美國、東南亞等海外客戶也表達對鋁合金動車組的采購意向。同時國內上海、廣州、深圳、武漢、南京等多個城市鋁合金城軌車輛需求日益增長，2050年國內鋁合金城軌車需求量預計為4萬輛。綜上，鋁合金材料需求每年都需求超過6萬噸，軌道車輛鋁合金應用前景廣闊。目前我國已完全掌握了高速列車、地鐵、城市輕軌等軌道交通鋁合金車輛從材料設計到制造的技術。

    未來展望：專業化與精細化仍需加強

    1.產能過剩

    2009年我國軌道交通車輛用鋁合金型材需求量大約為4.5萬噸/年，而當年僅忠旺集團、叢林集團、麥達斯鋁業和南山鋁業四家企業在軌道交通鋁型材方面的產能接近5萬噸/年。預計2020年我國軌道交通車輛用鋁材的需求量約為50萬噸/年，但資料顯示2009年以來至今我國已建或在建的軌道交車輛用鋁型材項目設計產能已超過100萬噸/年。目前我國已成為世界上擁有75MN及以上大擠壓機最多的國家，而且很多企業更大的擠壓機還在醞釀或建設中。雖然軌道交通車輛用鋁型材正朝著復雜薄壁大斷面發展，但同時也應該看到，目前至少有70%的工業鋁型材是用45MN以下的擠壓機生產的。不進行可行性研究盲目建造鋁型材項目，且設計產能非常大，這不但會增加鋁型材市場的庫存，也會降低行業的利潤。

    目前我國軌道交通用鋁型材產能已經超過了國內的實際需求量，市場已經處于小幅過剩狀態，預計未來幾年我國軌道交通車輛用鋁型材市場將出現飽和。

    2.產品與技術的專業化與精細化

    鋁工業型材向高性能、復雜截面、大尺寸薄壁結構產品發展，與主機企業密切溝通，做到設計制造聯動，加強軌道車輛高端鋁鑄件的開發制造，鋁基復合材料研發應用，提升鋁材及鋁合金產品附加值。

    夏少華最后指出，對于軌道交通行業，采用鋁合金材料的歷史仍較短，但從目前來講，輕量化的趨勢不可逆轉。隨著國內車輛研發逐漸成熟，從制造工藝與國際接軌的程度來看，產業內從業同仁仍有很多工作要加強。一方面，原材料的制造工藝，產品質量，要做到與國際接軌，縮小與國外的標準差距。另外鋁合金產品的生產設備、工藝，以及產品的結構與國際的先進水平還有一定的距離。

    因此，夏少華提出應該集中精力，集中資金、人力對高檔鋁合金的鑄造產品，包括高檔的鋁型材產品開發和投入，調整產品結構，建立相關設計方法、制造工藝方法和檢驗與驗收的方法，形成科學、系統的標準及規范，通過更加精細化和專業化的生產加工水平，提高鋁合金在行業的附加值。

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責任編輯：劉洋

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