铝合金和镁合金在轨道交通装备轻量化上的应用

铝合金和镁合金在轨道交通装备轻量化上的应用

曹军营 王勇

中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东 青岛 266000

摘要：经济的发展，城镇化进程的加快，促进交通建设项目的增多。随着我国社会主义现代化进程，城市轨道交通的到了极大的发展。作为车辆组成的重要部分，车辆内装采用轻量化的材料，有利于车辆行驶过程中更加安全和节能环保。因此，对于城市轨道车辆的设计者和生产者而言，了解轻量化新型材料在城市轨道车辆中的应用就显得十分的重要。本文就铝合金和镁合金在轨道交通装备轻量化上的应用展开探讨。

关键词：轨道交通装备；轻量化；铝合金；镁合金

引言

铝合金、镁合金均具有密度低、比强度和比刚度高、导电/导热性好、减震抗阻尼、电磁屏蔽以及在高应变速率下吸能率较高等一系列优良特性，因而被广泛应用于航空航天、轨道交通、船舶工业、3C电子产品等领域。交通装备轻量化所用的金属结构材料首推铝合金和镁合金，尤其是铝合金。

1 轨道交通用轻量化概述

我国轨道交通事业经历了几十年的发展，目前已经进入轻量化的发展阶段，其中运用比较广泛的是先进碳纤维材料，在轨道交通轻量化先进碳纤维材料的运用过程中需要首先解决技术问题，轨道交通环境复杂，在运行过程中存在被异物撞击的风险，碳纤维材料具有较强的抗冲击性能，在城市轨道交通的运用过程中能够起到良好的保温、阻燃、吸声与隔热作用。在隧道与桥梁中大量使用高速铁路这一轨道交通形式，具有比较封闭的交通运行环境，同时低速列车也面临复杂的运行环境，在运行过程中容易出现异物撞击的现象。当冲击速超过90km/h的时，前面板会出现严重的破损，且损伤容易发现，维修比较容易。在轨道交通低速运行中，一般不会出现明显的损伤现象，但是会层合板内部结构中造成大量的损伤现象，由此可知，低速冲击对轨道交通的危害性更大。

2 车辆车体结构材料轻量化的发展

减轻车身的重量能够很大的提高车的速度。减轻车身重量就是轻量化产业的核心，轻量化这一概念最先起源于赛车运动，优势很简单，质量轻了就能有更好的操控性，发动机输出也就能够产生更高的加速度。我国动车使用的材料也经历了很多阶段。最开始的时候我国制造的动车使用钢做的，钢就是最普通的碳化钢，碳化钢虽然很便宜，但是很不耐用，我们都知道铁很容易被氧化，这就决定了这种材料做的车很容易受到周围环境的影响。因此人们在其表面涂上一层漆，这虽然有一定作用，但是还是不能解决最根本的问题。后来有应用了几款钢材料，但都不能解决这个问题。钢材料不行，就换一种材料。后来人们又研制出了铝合金材料。铝合金大家都很清楚，不仅硬度大、耐腐蚀，更重要的是它很轻，一样的铝合金材料能够比钢材料轻差不多一半，这对提升列车的速度有很大帮助，更能满足人们的需求。铝合金材料的动车能够使用更长的时间，能够更好的节省资本，维修也比较方便。

3 铝合金和镁合金在轨道交通装备轻量化上的应用

3.1镁合金在轨道交通装备的应用现状

镁合金作为应用于轨道交通装备上最轻的金属结构材料，在轻量化方面的应用潜力巨大。现阶段，轨道交通装备用变形镁合金AZ31、ZK60、AZ80的力学性能已超过常用铝合金6005A和5083。国外轨道客车上已经有许多镁合金应用的报道：法国在TGVDuplex双层高速列车的座椅上采用镁合金，实现了减重、节能和功能化的结合，镁合金座椅总量超过了45000个，座椅小桌面板、座椅扶手、脚踏板、座椅侧面面板等相关零部件也大量使用镁合金。与铝合金制品相比，镁合金双人座椅总质量由36kg减为30kg，随着镁合金件生产成本的下降，减重有效降低了列车的运行成本。韩国KTX特快列车在座椅基座上也使用了镁合金板材零件，相比于原铝合金和玻璃钢座椅可减5kg，节省8%~10%的成本。日本N700系列新干线座椅骨架已经完全使用镁合金，包括中央支撑架、底座、底垫、座椅扶手、扶手座、背靠等，整车减重效果明显，动力性能提升，运行能耗降低。镁合金轻量化应用优势如此巨大，国内某些科研机构和主机厂也对其在轨道交通领域的应用进行了探索，如用AZ91D镁合金替代PA塑料制作动车组小桌支臂，有效减轻了列车重量。初始PA塑料制造的动车小桌支臂强度较低，受载后容易断裂失效，用镁合金代替后，不仅强度满足使用需求，而且明显提升其承载能力、断裂伸长率和冲击韧性等性能。每个AZ91D镁合金支臂比原PA实心塑料支臂减重约35%，完全满足动车组的轻量化设计需求。此外，1992年下线的25G型客车中AZ31已代替6005A用于车载零部件生产。

3.2NGC型铝合金类型材料的应用

首先，就目前而言，我国的城市轨道车辆的扶手还大多采用重量较大的不锈钢材质的材料。但应用铝合金类型材料作为扶手材料，比应用不锈钢材料的重量减少50%以上，这是由于铝合金类型材料的防腐性能、机械性能和成型焊接性能都远远优于不锈钢，因此，铝合金型材能够很好地代替不锈钢材料，成为城市轨道车辆的扶手基材。相信随着城市轨道交通车辆的不断向前发展创新，性能更好的铝合金型材扶手能够得到更加广泛的推广应用。其次，为了提高铝合金材料扶手表面的耐磨性和硬度，一般还需要对NGC型铝合金扶手的表面采取硬质阳极氧化处理，形成硬度达到3500MPa以上的硬质氧化膜。要在铝合金扶手表面形成硬质氧化膜需要进行机械抛光、拉泛、除油、清洗、化学抛光、水洗、中和、硬质阳极氧化、水洗、封孔、烘干这11道工序。溶液的浓度、组成、电流密度的温度多方面的条件，也会对铝合金扶手表面的硬质阳极氧化膜的形成有影响。其中，温度是最大的影响要素，如果溶液的温度越低，那么硬质阳极氧化膜的硬度便越高。

结语

现阶段轨道交通装备轻量化设计所用的金属结构材料，以铝合金为主，镁合金为辅，以镁代铝为前沿。铝合金在轨道交通行业的相关技术已比较成熟，下一步研究的重点在于开发新型高强度铝合金，降低铝合金批量化生产成本，扩大铝合金的应用范围。镁合金在轨道交通行业的相关技术有待改进，下一步研究的重点在于开发新型高强度镁合金，提高镁合金塑性和成形性，推进以镁代铝产业化，实现轨道交通装备的绿色制造。

参考文献

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