浅议新材料在铁道车辆上的应用
时间：2020-03-30 05:16:24 来源：千叶帆 本文已影响人
摘要：铁道行业与航天、船舶以及汽车工业相比，对材料的开发应用较少。随着第六次火车提速和高速动车组的应用普及，车体结构的轻量化技术是目前研究的重要课题之一。文章对铁道使用的相关材料进行了概述。
关键词：铁道车辆；复合新材料；高速动车组
中图分类号：U292文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）09-0009-02
一、新材料概述
随着铁道工业对自重问题重要性的认识提高，材料的开发和应用将有大大增加的趋势。主要新材料类型如下：
（一）复合材料
复合材料（如玻璃纤维/聚酯复合材料）在铁路其他零部件中的应用已被用于制造支承铁道电器系统的跨轨信号架。用复合材料制造跨越四根钢轨的信号架技术已经论证可行，而且与相当的钢结构相比，除耐蚀性好外，还能大大减轻自重。
（二）高分子材料
高分子材料是分子量高达1万至数十万的巨大“高分子”聚合而成的材料，塑料、FRP（纤维增强塑料）、弹性体、橡胶、纤维等都属于高分子材料。高分子材料具有质量轻、强度高、减振、绝缘等特性，故在铁道行业获得广泛应用：塑料、FRP具有质量轻、强度高、绝缘等特性；橡胶具有防振、减振、绝缘等特性。
（三）合成材料
合成材料的主要优越性有：减轻重量、减少车内噪音、提高旅客舒适性、安装费用低、防火性能好。特别是使用合成材料后，车辆的加速和减速都加快，减少了转向架和轨道的磨损，降低了能耗，降低了每旅客公里的运营费用。
二、新材料在铁路客运车辆上的应用
现在铁路运输业新材料应用较多，而且正在不断地扩展其应用范围，下面列举几个应用实例：
（一）复合材料在客车中的使用
车辆质量轻和加工方便的优点，也促进了复合材料在车辆内部的广泛应用。实际上，FRP在Inter City旅客列车上占垒车总重量的8%（3t左右）。一般车辆内部配件最常用的复合材料，是由玻璃纤维和阻燃聚酯树脂构成。窗框、卫生窗、通过台墙板以及通过台开敞车顶端，都成功地用玻璃钢制造过，其加工方法有冷压、喷射和手糊，有采用无规则玻璃毡，也有采用半连续玻璃毡。模压成型工艺所需设备费用较高，适用于大规模生产。座椅骨架常常采用片状模塑材料（SMC）模压加工制造。复合材料还被用于制造铁道车辆用的高比强度的夹层结构板中。这种墙板已在航空工业应用多年，其典型结构是由两层FRP板包覆着泡沫或蜂窝芯构成。随着设计师对轻质车辆的优越性认识的不断提高，这种结构在客车上应用得越来越广泛。意大利的ETR500型列车，再次为这种复合材料在现代高速列车上的应用提供了一个极好的范例。该车所有的内墙板、顶板及行李间全部由夹层板制造。这种夹层板结构包括一个由Airex公司提供的Nomex蜂货车用复合材料。
（二）高分子材料在客车中的使用
高分子自润滑材料除用作机车车辆的承载件、车内装饰件等外，还作为减摩耐磨材料用作磨损件。高分子自润滑材料在机车车辆上的应用实例。高分子自润滑材料本身具备的或通过改性获得的良好耐磨性和自润滑性，使它能够在少油或无油的条件下安全运行，因此，高分子自润滑材料在许多场合下完全能取代金属。高分子自润滑材料在机车车辆上取代金属制作磨耗件取得了较好的效果。
心盘垫。美国用超高分子量聚乙烯制作车辆的摇枕心盘垫。德国规定，货车的心盘垫用尼龙6制作。用塑料制作的整体碗形心盘垫已装用在美国铁路的内燃机车和货车的转向架上。
磨耗板。美国铁路在60年代将尼龙用于导框衬板后，又扩大应用到摇枕磨耗板。美国应用超高分子量聚乙烯制作的车钩钩身托板磨耗板已在货车上运行80万公里，未发生损坏，也不需润滑、维护。
轴承保持架。瑞典SKF公司在客车车辆轴承和机车牵引电机轴承上，采用25%玻璃纤维增强尼龙66制作轴承保持架。德国市郊运输车辆和干线车辆的圆柱滚柱轴承采用尼龙保持架已经过数百万次运用考核，效果令人满意。俄罗斯自1986年在货车轴承上开始装用尼龙保持架，在温升、磨损、可靠性及耐久性等方面进行了长期考验。试验结果表明，这种尼龙保持架在温升、磨损和油脂亲和等方面有优良特性，对提高轴承负荷能力和寿命，特别是润滑作用对延缓轴承事故、保证行车安全具有显著特点。
其他磨耗件。美国芝加哥和西北铁路公司用热塑性塑料制作拉杆村套。这种衬套可用八年。德国规定，各类车辆的车钩导框用尼龙66制作，客车的摇枕横向挡块用尼龙66制作，且使用量都已超过1万件。
（三）合成材料在客车中的使用
利用合成材料来代替传统用材，以求实现机车车辆的轻量化，满足高速列车要求轻、快、稳和安全可靠的要求。
裙板、顶板、墙板和车内隔板。法国双层高速列车TGV2N 采用三聚氰胺树脂代替玻璃钢墙板，重量比玻璃钢更轻而隔热隔声性能和玻璃钢相似。TGV2N 的天花板顶块采用自承式酚醛三聚氟胺制造，每辆车可减轻重量200kg。大西洋TGV的车内与电话间隔板采用聚碳酸醇材料。车体为铝板加玻璃棉。Keller公司为TGV2N 研制的车顶板采用了重量轻、致密、具有优良绝热性能和声学特性的合成材料。这种车顶板集自承载声学特性、热特性、可拆卸性和装饰性于一身，厚度只有大西洋TGV的一半。
裙板要求重量轻、耐腐蚀。德国新型城市间客车和汉堡城市的新型动车、鲁尔工业区的二等大开敞式客车两侧均采用塑料裙板，裙板材料为：聚氯乙烯硬质泡沫塑料芯层和玻璃钢面层。
车窗和车窗玻璃。采用聚碳酸酯板做车窗玻璃材料，热塑性塑料（如ABS树脂）压铸窗框，可收减轻重量、减少维修费用之效。
车门。车门要求重量轻、耐腐蚀、稳定和保养方便。采用玻璃钢能满足这些要求。法国大西洋高速列车TGV～A的内门、行李车车门和厕所门均采用氯磺化聚乙烯制成。
厕所、盥洗室。要求采用尺寸稳定性好、耐腐蚀、易清洗的材料。玻璃钢能满足这些要求。德国联邦铁路新研制的客车卫生间的特点是：易于安装和拆卸，适应不同客车布局需要，节水且便于机械清洗。该卫生间由四部分组成：玻璃纤维增强聚酯壁板，玻璃纤维增强聚酯马桶覆盖层，玻璃纤维增强聚酯盆形地板，塑料贴面壁板。德国联邦铁路的新乘务员车的盥洗室设有玻璃钢马桶。
茶桌、行李柜(架)。法国新的大西洋TGV—A装用一种坚实、轻便的折叠式茶桌。该荼桌由法国Trio—plast公司研制，采用美国杜邦公司的Kevlar复合纤维和浸渗了聚酯树脂的玻璃纤维作增强材料。蜂窝状的聚丙烯为阻燃泡沫填充料。Keviar具有高强度重量比。茶桌厚仅20ram，重量只有铝茶桌的二分之一，但能承受350kg的集中压力。
地板。地板除要求重量轻、阻燃外，还要求耐磨、防滑、耐腐蚀、电绝缘、隔热、隔声。日本在通勤型103、105、201、301系，市郊日本新型地铁车辆的多层地板为铝板夹以聚氨酯泡沫塑料和玻璃纤维。
三、新材料在铁路货运车辆上的应用
（一）复合材料的应用
现在铁道车辆上复合材料的应用，主要局限于机车头部的三维模制外壳及客车内部的一些轻质配件。复合材料之所以在车辆司机室前端外壳上得到了广泛的应用，是因为现代列车外形既要适应空气动力学的要求，又要满足人们的审美需要，这使得车头的三维外形结构非常复杂，用金属制造起来难度较大，而且费用很高。由于复合材料质量轻、耐冲击等优点越来越突出，复合材料的制造能力也逐渐提高，这些都使得FRP在铁道车辆的自支承结构上得到了广泛的应用。
（二）高分子材料的应用
我国的大连内燃机车研究所和大连塑料研究所进行了玻璃纤维增强尼龙塑料保持架的研究，并在轴承试验台上顺利地进行了20余万公里的模拟高速试验。试验结果表明，各项指标均符合设计要求，温升值及其规律均属正常。由于尼龙保持架的成本约为铜保持架的20%，一旦此种保持架获得推广，其经济效益是非常可观的。仅以1000台东风机车的牵引电机小端轴承为倒，其购置费每年可节约50万元。
（三）合成材料的应用
1．走行机构、连续装置磨耗件。摇枕心盘采用超高分子量的聚烯烃塑料，其耐磨性比其他塑料高15倍。比不锈钢高4倍，价格则与钢相当，聚烯烃心盘垫和车钩托板磨耗板已在货车上运行了80万公里，不需润滑、维护，未发生损坏。
2．车头、司机室。机车头部和司机室若采用金属件。曲面加工比较困难。采用易于造型的玻璃纤维增强塑料制造比较合适。日本著名的东北、上越新干线“光号”车前头部分采用FRP制成，其直径由1400mm逐渐缩小到1300mm。
3．轴承保持架。德国E12O型机车牵引电动机的ECP滚柱轴承采用聚酰胺滚柱隔离圈与金属隔离圈相比。因其外形精密度高，弹性、滑动性能好、重量轻，摩擦力小，所以能显著减少滚柱运动的阻力，降低工作温度和润滑材料的消耗。
4．绝缘材料。日本新干线车辆主电动机采用聚酰亚胺作绝缘材料。主电动机在转向架内的安装位置因车辆种类和轮径不同而在尺寸和重量方面均受到严格限制。随着机车车辆的高速化，高调速运转和动力集中化，迫切要求主电动机大功率化和小型轻量化。 采用聚酰亚胺作绝缘材料及该材料系统的绝缘技术，对主电动机的小型轻量化作用极大。东海道新干线MT200型主电动机采用聚酰亚胺作绝缘材料，在相同尺寸和相同重量条件下，功率从185kw 提高到205kw，提高11%。
四、结语
车体结构的轻量化技术是目前研究的重要课题之一，随着高速铁路的迅速发展，材料问题得到越来越多的重视。为了使铁路这项传统运输方式具有更强的竞争力，高速性、舒适性、安全性、方便性、经济性等应当考虑的问题还有很多，在解决这些问题方面材料所起的作用是很大的。因此，对各项高性能，优越性材料的开发研制以及应用有很大的期望。
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