由上海有色網(wǎng)（SMM）、上海有色金屬行業(yè)協(xié)會聯(lián)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(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)，高速補貼，客運和貨運發(fā)展，在最近的5到10年里有一個跨越式的發(fā)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(guī)模達到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”高速客運系統(tǒng)，客運專線1.6萬公里以上。

　　列車運能提高輕量化是關(guān)鍵

　　車輛輕量化是個系統(tǒng)工程，它包括設(shè)計觀念、設(shè)計方法、新材料選用、試驗等諸多方面并貫徹在總體設(shè)計、零部件設(shè)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(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30年代，美國Budd公司將不銹鋼車輛制造技術(shù)實用化，并實現(xiàn)了車輛輕量化，日本隨后引進了這個技術(shù)。1974年，以世界石油危機為契機，鐵路行業(yè)為了節(jié)能，要求車輛進一步實現(xiàn)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(shù)，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(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)化整車運行品質(zhì)、提高車輛系統(tǒng)的經(jīng)濟效益方面取得了顯著成績。

　　實現(xiàn)車輛輕量化目前有兩大方向，輕材料是實現(xiàn)輕量化最主要的途徑，同時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度，內(nèi)飾和車體都會對輕量化有不同的要求。第二是設(shè)計和結(jié)構(gòu)的要求，如今產(chǎn)品設(shè)計能夠通過計算機輔助優(yōu)化，在滿足使用功能的前提下盡量實現(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)立列車計算機控制網(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阻力。

　　4.采用集成化、模塊化設(shè)計，以最小的體積來實現(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(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。它具有高比強度、高比模量、耐疲勞、耐腐蝕、隔熱、耐磨、低成本、可設(shè)計性強等一系列優(yōu)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(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復(fù)合材料；制動盤和制動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：

　　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(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(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(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,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(zhì)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(jīng)濟合理的,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(nèi)城市軌道車輛已經(jīng)達到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(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、輪對、構(gòu)架和制動系統(tǒng)。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(fù)合車輪、電磁制動中的部件，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)量也相當可觀。

　　中國高鐵運營里程15000km，2050年高速列車需求數(shù)量預(yù)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(nèi)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(nèi)鋁合金城軌車需求量預(yù)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(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)計到制造的技術(shù)。

　　未來展望：專業(yè)化與精細化仍需加強

　　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，而當年僅忠旺集團、叢林集團、麥達斯鋁業(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(shè)計產(chǎn)能已超過100萬噸/年。目前我國已成為世界上擁有75MN及以上大擠壓機最多的國家，而且很多企業(yè)更大的擠壓機還在醞釀或建設(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以下的擠壓機生產(chǎn)的。不進行可行性研究盲目建造鋁型材項目，且設(shè)計產(chǎn)能非常大，這不但會增加鋁型材市場的庫存，也會降低行業(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)的實際需求量，市場已經(jīng)處于小幅過剩狀態(tài)，預(yù)計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，與主機企業(yè)密切溝通，做到設(shè)計制造聯(lián)動，加強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。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，縮小與國外的標準差距。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)計方法、制造工藝方法和檢驗與驗收的方法，形成科學(xué)、系統(tǒng)的標準及規(guī)范，通過更加精細化和專業(yè)化的生產(chǎn)加工水平，提高鋁合金在行業(yè)的附加值。