近日，由上海有色網(wǎng)（SMM）、上海有色金屬行業(yè)協(xié)會(huì)聯(lián)合舉辦的“第十二屆上海銅鋁峰會(huì)”圓滿落幕，中國南車集團(tuán)戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司主任工藝師夏少華博士在會(huì)上以“鋁合金材料在軌道交通行業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀與展望”為主題作出精彩發(fā)言。

    夏少華指出，國家制定的“十三五”鐵路規(guī)劃，展現(xiàn)了國家對軌道交通的發(fā)展異常重視，包括城市軌道建設(shè)，高速補(bǔ)貼，客運(yùn)和貨運(yùn)發(fā)展，在最近的5到10年里有一個(gè)跨越式的發(fā)展等。2015年，城市軌道交通達(dá)到87條，運(yùn)營總里程將超過2500公里，投資規(guī)模達(dá)到7000億元。在十三五期間建設(shè)鐵路新線2.3萬公里，總投資2.8萬億元。2020年，我國規(guī)劃將建成“四縱四橫”高速客運(yùn)系統(tǒng)，客運(yùn)專線1.6萬公里以上。

    列車運(yùn)能提高輕量化是關(guān)鍵

    車輛輕量化是個(gè)系統(tǒng)工程，它包括設(shè)計(jì)觀念、設(shè)計(jì)方法、新材料選用、試驗(yàn)等諸多方面并貫徹在總體設(shè)計(jì)、零部件設(shè)計(jì)、制造工藝、試驗(yàn)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(yùn)力。國內(nèi)外鐵道車輛的輕量化的發(fā)展經(jīng)歷很漫長的過程。最早在上世紀(jì)30年代，美國Budd公司將不銹鋼車輛制造技術(shù)實(shí)用化，并實(shí)現(xiàn)了車輛輕量化，日本隨后引進(jìn)了這個(gè)技術(shù)。1974年，以世界石油危機(jī)為契機(jī)，鐵路行業(yè)為了節(jié)能，要求車輛進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)輕量化。1978年，我國當(dāng)時(shí)的國營鐵道公司從Budd公司引進(jìn)材料和技術(shù)，開始投入輕量化車輛的研究。其后，獲得了廣泛認(rèn)可，制造輛數(shù)飛躍增加。2000年以來，我國輕量化技術(shù)發(fā)展迅速，在降低車輛自重系數(shù)、延長車輛使用壽命、優(yōu)化整車運(yùn)行品質(zhì)、提高車輛系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益方面取得了顯著成績。

    實(shí)現(xiàn)車輛輕量化目前有兩大方向，輕材料是實(shí)現(xiàn)輕量化最主要的途徑，同時(shí)也是列車性能提高的關(guān)鍵技術(shù)。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(zhì)，而是既輕質(zhì)，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(qiáng)度，內(nèi)飾和車體都會(huì)對輕量化有不同的要求。第二是設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)的要求，如今產(chǎn)品設(shè)計(jì)能夠通過計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化，在滿足使用功能的前提下盡量實(shí)現(xiàn)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(qiáng)度鋼制造轉(zhuǎn)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(nèi)裝構(gòu)件，采用高性能輕質(zhì)的隔熱材、送風(fēng)道以及薄壁不銹鋼管、薄壁電纜、合成材料管路等。

    2.設(shè)立列車計(jì)算機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)，取消以往數(shù)量龐大的列車通信（控制）線，設(shè)立1對或2對網(wǎng)絡(luò)線，既可大大減輕列車重量，又可提高通信品質(zhì)。

    3.改變車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用矮車體和鼓型斷面，可以減小車輛自重和氣動(dòng)阻力。

    4.采用集成化、模塊化設(shè)計(jì)，以最小的體積來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的功能。

    輕量化材料在軌道交通行業(yè)應(yīng)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(dòng)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(qiáng)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(fù)合材料車體已經(jīng)工程化，國內(nèi)也已應(yīng)用于高速列車車體頂蓋、齒輪箱箱體、風(fēng)缸等許多部件。

    其次是復(fù)合材料，復(fù)合材料是以纖維、顆粒等作為增強(qiáng)材料，以聚合物、陶瓷、金屬等作為基體復(fù)合而成的具有優(yōu)異性能的新型材料。它具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐疲勞、耐腐蝕、隔熱、耐磨、低成本、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，正在成為高速列車輕量化越來越重要的一類材料。過去復(fù)合材料主要用于列車內(nèi)部裝備和裝飾等非結(jié)構(gòu)件，如地板、墻板、門窗、座椅、車門、衛(wèi)生間等，現(xiàn)在越來越多地應(yīng)用于各種車體結(jié)構(gòu)件。例如，車體和車頭前端部采用玻璃鋼復(fù)合材料、芳綸纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料或碳纖維復(fù)合材料蜂窩夾層；轉(zhuǎn)向架構(gòu)架也采用了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；制動(dòng)盤和制動(dòng)閘片采用了金屬基復(fù)合材料、碳/碳復(fù)合材料或SiC陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料等等。國內(nèi)外的研究和應(yīng)用表明，復(fù)合材料是高速列車輕量化最有發(fā)展前景的新材料。

    鋁合金材料在軌道車輛得以廣泛應(yīng)用

    鋁合金作為輕量化代表材料在軌道車輛上廣泛應(yīng)用基于如下優(yōu)點(diǎn)：

    1.車輛自重可以大大減輕

    在強(qiáng)度、剛性滿足安全要求的同時(shí)，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(zhì)車輛輕30 %～50 %。

    2.鋁合金具有優(yōu)良的耐火與耐電弧性

    雖然鋁的熔點(diǎn)（660℃）大大低于鋼的熔點(diǎn)（1530℃），但車體的耐火耐電弧特性不僅和材料的熔點(diǎn)相關(guān)，還與材料的導(dǎo)熱性相關(guān)。鋁合金材料與鋼鐵相比具有優(yōu)良的導(dǎo)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(zhì)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(shí)鋁合金表面可以化學(xué)著色、上漆、噴涂，通過這些方法大大提高了鋁構(gòu)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(fù)雜斷面鋁型材的開發(fā)應(yīng)用 ,鋁材焊接技術(shù)在不斷進(jìn)步 ,鋁合金車輛制造技術(shù)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(hù) ,還可以回收的特點(diǎn)使制造工藝大大簡化 ,制造所需工作量也較鋼質(zhì)車體大大減少。

    5.價(jià)格適中

    鋁材價(jià)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(yùn)能的增加 ,耗能的減少，維修的費(fèi)用降低。采用鋁合金車輛是經(jīng)濟(jì)合理的 ,最終成本是適中的。

    鋁合金材料在軌道車輛應(yīng)用前景廣闊

    目前國內(nèi)高速鐵路客車發(fā)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(nèi)每年制造2000輛高速鐵路客車車輛計(jì)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(nèi)建成地鐵的城市有87條線在運(yùn)營，線路總長度2500公里。按平均每公里擁有7.5輛車輛計(jì)算，國內(nèi)城市軌道車輛已經(jīng)達(dá)到18750輛。

    在鐵路貨車上應(yīng)用上，原來很少用鋁質(zhì)，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(yùn)能可以提高，2003年開始，貨車主要生產(chǎn)企業(yè)齊齊哈爾車輛公司等四家企業(yè)制造了C80鋁合金運(yùn)煤敞車400輛，每量車平均使用鋁板2噸，鋁型材2.5噸，共計(jì)4.5噸。

    對于車輛輕量化來講，僅考慮車體顯然是不夠的。因?yàn)檐圀w的質(zhì)量僅占20%左右，大部分質(zhì)量集中在轉(zhuǎn)向架上，而轉(zhuǎn)向架的質(zhì)量又主要取決于牽引電機(jī)、輪對、構(gòu)架和制動(dòng)系統(tǒng)。在高速列車上采用了高強(qiáng)度鋁合金如齒輪箱體、枕梁、軸箱前蓋、軸箱體、制動(dòng)盤、鋁合金輪芯復(fù)合車輪、電磁制動(dòng)中的部件，磁懸浮車輛超導(dǎo)線氦液化冷凍器的熱交換器等等，都有發(fā)展前景。在車內(nèi)設(shè)備中，內(nèi)部裝飾板、門窗、座椅、水箱、各種管道等，其總質(zhì)量也相當(dāng)可觀。

    中國高鐵運(yùn)營里程15000km，2050年高速列車需求數(shù)量預(yù)計(jì)為5萬輛；俄羅斯、美國、東南亞等海外客戶也表達(dá)對鋁合金動(dòng)車組的采購意向。同時(shí)國內(nèi)上海、廣州、深圳、武漢、南京等多個(gè)城市鋁合金城軌車輛需求日益增長，2050年國內(nèi)鋁合金城軌車需求量預(yù)計(jì)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(yīng)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(shè)計(jì)到制造的技術(shù)。

    未來展望：專業(yè)化與精細(xì)化仍需加強(qiáng)

    1.產(chǎn)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(dāng)年僅忠旺集團(tuán)、叢林集團(tuán)、麥達(dá)斯鋁業(yè)和南山鋁業(yè)四家企業(yè)在軌道交通鋁型材方面的產(chǎn)能接近5萬噸/年。預(yù)計(jì)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(xiàng)目設(shè)計(jì)產(chǎn)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(jī)最多的國家，而且很多企業(yè)更大的擠壓機(jī)還在醞釀或建設(shè)中。雖然軌道交通車輛用鋁型材正朝著復(fù)雜薄壁大斷面發(fā)展，但同時(shí)也應(yīng)該看到，目前至少有70%的工業(yè)鋁型材是用45MN以下的擠壓機(jī)生產(chǎn)的。不進(jìn)行可行性研究盲目建造鋁型材項(xiàng)目，且設(shè)計(jì)產(chǎn)能非常大，這不但會(huì)增加鋁型材市場的庫存，也會(huì)降低行業(yè)的利潤。

    目前我國軌道交通用鋁型材產(chǎn)能已經(jīng)超過了國內(nèi)的實(shí)際需求量，市場已經(jīng)處于小幅過剩狀態(tài)，預(yù)計(jì)未來幾年我國軌道交通車輛用鋁型材市場將出現(xiàn)飽和。

    2.產(chǎn)品與技術(shù)的專業(yè)化與精細(xì)化

    鋁工業(yè)型材向高性能、復(fù)雜截面、大尺寸薄壁結(jié)構(gòu)產(chǎn)品發(fā)展，與主機(jī)企業(yè)密切溝通，做到設(shè)計(jì)制造聯(lián)動(dòng)，加強(qiáng)軌道車輛高端鋁鑄件的開發(fā)制造，鋁基復(fù)合材料研發(fā)應(yīng)用，提升鋁材及鋁合金產(chǎn)品附加值。

    夏少華最后指出，對于軌道交通行業(yè)，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(zhuǎn)。隨著國內(nèi)車輛研發(fā)逐漸成熟，從制造工藝與國際接軌的程度來看，產(chǎn)業(yè)內(nèi)從業(yè)同仁仍有很多工作要加強(qiáng)。一方面，原材料的制造工藝，產(chǎn)品質(zhì)量，要做到與國際接軌，縮小與國外的標(biāo)準(zhǔn)差距。另外鋁合金產(chǎn)品的生產(chǎn)設(shè)備、工藝，以及產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與國際的先進(jìn)水平還有一定的距離。

    因此，夏少華提出應(yīng)該集中精力，集中資金、人力對高檔鋁合金的鑄造產(chǎn)品，包括高檔的鋁型材產(chǎn)品開發(fā)和投入，調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，建立相關(guān)設(shè)計(jì)方法、制造工藝方法和檢驗(yàn)與驗(yàn)收的方法，形成科學(xué)、系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，通過更加精細(xì)化和專業(yè)化的生產(chǎn)加工水平，提高鋁合金在行業(yè)的附加值。

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責(zé)任編輯：劉洋

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