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铁路车辆轻量化用材对比分析

发表时间：2020/5/28 来源：《建筑科技信息》2020年1期作者：谷俊杰李俊文韩文杰

[导读] 铁路交通是我国最重要的货运交通系统之一，铁路运输技术更是直接关系着我国“一带一路”发展战略能否实现的关键技术。

        摘要：铁路交通是我国最重要的货运交通系统之一，铁路运输技术更是直接关系着我国“一带一路”发展战略能否实现的关键技术。近年来，随着科技的进步和经济的发展，加之国家经济发展对铁路交通依赖程度的提高，国家和相关企业投入大量资金到铁路货运技术领域。随着列车速度的不断提高，对列车减轻自重的呼声越来越高。其中，铝合金车体和不锈钢车体轻量化设计被设计师所青睐。本文对这两种车体轻量化用材进行多方面的对比分析。
        关键词：轻量化；铝合金；不锈钢；对比
        正文：对于铁路车辆而言，车体是车辆结构的主体。车体的强度和刚度关系到车辆运行的安全可靠性和舒适性；车体的防腐耐腐能力、表面保护和装饰方法，关系到车辆的外观、寿命和检修制度；车体的重量关系到能耗、加减速度、载客能力乃至列车编组形式（拖动比）。所有这些都直接影响到运营质量和经济效益。由于铁路车辆车体长期处在激烈振动、外部气候条件和乘客量大且不稳定等条件下，其总体结构形式、性能和技术经济指标主要取决于车体材料。在设计铁路车辆车体时，对车体构件和内部装饰所用材料的基本要求为：应具有构件所要求的高强度和刚性，重量轻、耐老化、耐污染、耐磨耗和耐光照等特性，适合于环境的改进（隔热、隔音性能提高、较好的采光性），适合于提高舒适度（减振等）。目前，呼声最高的铁路机车车体结构使用的材料主要为车辆专用经济型不锈钢和铝合金。
        从20世纪70年代起，铝合金型材在国外轨道车辆上开始应用，铝制车辆广泛使用了当时在船舶上作为焊接结构材料的5083合金空心型材。随着车体技术的不断发展，开发出了敞开式铝型材结构，使铝合金型材向薄壁化、轻量化方向发展，此时主要采用的铝合金型材为Al-Mg-Zn（7xxx）系三元合金。主要代表性的牌号为7N01和7003合金，该合金是热处理强化型合金，不仅母材强度高，而且焊接强度也比5083和6061等合金的高。由于该合金挤压加工性能很好，可以挤压壁比较薄的大型宽幅型材。欧洲铝型材制造商研制了一种Al-Mg-Si系的6005A合金，生产了宽幅空心型材。同时，日本A1-Mg-Si系6N01合金也达到了工业标准化（等同于6005A），并且克服了7N01铝合金应力腐蚀。由于6N01合金的挤压性能与6063合金相当，因而可以生产更薄壁的宽幅型材，大量代替了原有的7N01和7003。在日本开发的第四代700系新干线车体制造过程中，除个别承重梁为高强度的7N01铝合金，其它结构则采用了6N01铝合金。在国内动车组技术引进的过程中，CRH2型动车组采用了日系的6N0l和7Nol两种铝合金母材，主要承载部位的横梁和牵引梁采用了7N01母材，地板采用了6N01母材。CRH5、CRH3型车则主要采用了欧系的6005A和6082两种铝合金母材，其中6005A占大部分。综上所述，目前适合机车车辆挤压型材的铝合金材料主要有A1-Mg-Si（6000系列）及A1-Mg-Zn（7000系列）两大系列，而板材也可以选择5000系列。这两大系列中，最具代表性是6005A（6N01）铝合金。而7N01铝合金由于应力腐蚀问题及可回收再利用困难等原因，目前只用于日本的车型中，且应用越来越少，只是用于结构中重载部位。
        铝合金材料在铁路车辆上的应用，在保证货车车体耐腐蚀的基础上，降低了车体的自重，从而加大了铁路货运的载重量。但受铝合金材料价格和物理性质的影响，铝合金材料在铁路货车上的应用仍然存在一定问题，如何更好的解决这些问题，提高铝合金材料在铁路货车制造中的应用水平，已经成为铁路货车研发单位和机构重点研究和实践的课题。
        目前常用的车体不锈钢通常有两种：奥氏体系不锈钢的SUS304和SUS301L。这两种不锈钢的两个主要优点使其适用于客车车体材料：第一，具有优良的耐蚀防锈性，使车体外板省去涂装的工序，并且可以大幅节约维修费用。

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第二，与普钢相比，无须考虑耐蚀防腐层，因此可以将板厚减薄，有利于车体轻量化，以节约能源、减少废气排放。在日本，从1958年就开始在部分客车的外板上采用 SUS304 不锈钢以防腐蚀，但未在其他部件上使用，因此轻量化效果不明显。而美国的帕德公司早在1934年就生产出不锈钢车辆，实现了轻量化，并于1962 年末实现了车辆完全不锈钢化，使车体重量比当时普通钢制车体减轻了2吨。以 1974 年石油危机为契机，节能的要求使车辆更加轻量化，最终开发出高强度下焊接性、加工性更好的不锈钢，并改进了焊接方法。到 1978 年，车体用不锈钢已实现实用化，车辆基本上全部采用了 SUS304 不锈钢，车重在此减轻1吨~1.5 吨。其后，由于日本山手线采用了这一新型车辆，使其生产飞跃发展并为社会所认知。现在运行的车辆，是在 1990 年进一步改善后的设计，实现了轻量化并减少了部件数和焊接点数。由于全不锈钢制车辆的重量比铝制车辆还轻，已经被减速、增速次数多的班车和近郊交通用节能型车辆广泛使用，现在占国营铁路线上的 60%。该车辆所用不锈钢要求具有优良的耐蚀性、高强度、适于冲压弯曲的高加工性和作为结构部件组装所需的优良焊接性，能满足上述要求的为奥氏体系不锈钢，如 SUS304 和 SUS301L 系钢种。
        通过对几种常用的不锈钢和铝合金对比可知，不锈钢车体的机械性能和防火性能强于铝合金车体，熔点高于铝合金车体，因此不锈钢车体具有更好的安全性。铝合金车体的屈服强度、抗拉强度、延伸率和弹性模量约为不锈钢车体的1/3，且比不锈钢车体的刚度要小，因此铝合金车体设计时一般采用加大板厚和尽量加大车体端面的办法来提高车体的抗弯刚度。
        不锈钢车体采用板梁组合整体承载全焊结构，为了不降低板材强度和减小变形，应尽量采用点焊，特别是强度更高的材料不允许任何形式的弧焊，采用接触焊代替弧焊，是不锈钢车体的又一特征和技术关键。
在价格方面，SUS304 不锈钢和 6000 系铝合金的原材料单价相差无几，但不锈钢车体是板梁结构，需大量工装、模具、夹具、样板和中间检查手段，生产工艺极其复杂，费工费料。铝合金车体普遍采用大型桁架式中空型材组焊式，中空铝型材是制造厂一次轧制而成的，车辆制造厂只需下料、拼装、氩弧焊接，工艺简单，省工省料。因此，成品价格还是不锈钢车体的偏高。
        不同材料车体的抗腐蚀能力对于车体的使用寿命起到重要作用。不锈钢的抗腐蚀性能相较于铝合金的优势比较明显。防火性上，不锈钢熔点在 1400℃以上，而铝合金只有 630 -650 ℃，且到300℃以上就发软变形，因此不锈钢车体的防火性能也远优于铝合金车体。从以上方面考虑，不锈钢车体的使用寿命长于铝合金车体。
        结束语：
        为适应全球节能减排的发展，铁道运轨在加速发展的同时，利用铝材的车体轻量化也很重要，应当受到重视。但同时，在车体材料选择时，还应该综合考虑安全性、车辆寿命和成形性能等多方面因素，努力做到经济、安全和优质高效。
        参考文献

[1]王庚辰.车辆和车体用材料[J].国外机车车辆工艺,1994(3).

[2]海邦君.铝合金车体设计研究[J].铁道车辆,2003(10).

[3]刘志平.刘春宁.王立夫.高速列车铝合金车体的焊缝检验[J].焊接技术,2008(37):49-52.