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浅谈高铁结构与新材料应用

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浅谈高铁结构与新材料应用

车辆内装及设备主要有装饰板、厕所、盟洗室、座椅及水箱等,以铝合金和高分子材料为主,如装饰板采用铝合金上叠合一层不燃性的纤维增强塑料,厕所、盟洗室、座椅及水箱还要考虑到卫生和耐腐蚀性,也以不燃性的为佳。

轮-轨系统

伴随着中国铁路的发展,钢轨从单重、轨头廓形、定尺长度到材质等方面均取得长足进步,以适应不同运行条件对钢轨的需求,车轮是轮轨系统中的核心部件之一,其安全可靠性直接影响到运输安全。车轮与钢轨材料除了要有足够的强度、韧性、耐磨性外,还必须具有耐擦伤、抗剥离的性能。

钢轨

我国钢轨生产企业主要攀钢、 鞍钢、包钢、武钢和邯钢。这 5 家钢厂的主要生产设备,包括顶底复吹转炉、炉外精炼、真空处理炉、大方坯连铸机、万能轧制机组、复合矫直机、钢轨在线检测中心和联合机床等,采用先进的连铸、万能轧制等生产工艺,均已具备现代化的钢轨生产能力,可满足生产高速、重载铁路等高档次钢轨的需要。

现行铁路上钢轨主要有强度等级为 880 MPa的U71Mn 钢轨和980 MPa 的 U75V 微合金钢轨。高速铁路上广泛使用的钢轨是 U71MnG 钢轨和 U75VG 钢轨。这 2 种钢轨是在 U71Mn 钢轨和 U75V 钢轨的基础上,对成分进行优化,主要减少了钢中有害元素 P 和 S 的含量,并提高了断后伸长率(A)要求。

车轮

我国铁路车轮用材料主要以中碳钢为主, 普通客车和货车车轮材料为 CL60 钢,普通机车车轮材料略有不同,但基本与 CL60 相近。

受电弓滑板

受电弓滑板是机车供电系统重要集电元件,通常有碳滑板、金属滑板、浸金属碳滑板和粉末冶金滑板,各国多采用碳滑板。近几年我国常采用浸金属碳滑板,浸金属碳滑板既有碳材料的自润滑性,又具备了金属材料集电、强度和抗冲击力高的特点。浸金属碳滑板主要是利用了碳滑板材料的多孔性质,将熔融的铜或铜合金等高导电性金属,在高温高压下浸入到碳滑板基体中去,使它既有碳材料的自润滑和抗电弧性能,又具备金属材料的集电、强度高、抗弹撞击力强的特点。

制动摩擦系统

制动摩擦系统要求摩阻材料有高而稳定的摩擦系数,更好的散热性和耐磨性,足够高的冲击强度和剪切强度,对磨偶件不产生异常磨损和其他形式的损伤,制动火花少,价格便宜,而且轻量化。制动盘过去长期使用合金铸铁,但高速列车要求选用高强度抗热裂的合金锻钢,如Ni-Cr-Mo或Cr-Mo-V合金钢,也有研制金属基复合材料和C-C复合材料制动盘。

目前常用的摩阻材料可分为含磷铸铁、粉末冶金材料和合成材料。法国TGV-A、日本新干线等高速列车都采用了粉末冶金闸片,而且普遍是铜基材料。

减振降噪材料

高速铁路引起的噪声源主要包括列车高速运行时走行部的车轮与钢轨产生的“轮轨噪声”、集电弓与接触网高速摩擦产生的“集电系统噪声”、高速行车引起的“空气动力噪声”、行车激励引起的桥梁结构的振动而产生的“结构噪声”。一般都会在设计高铁时采用低噪声的结构或构造达到降噪的目的。在材料的选择上许多化工新材料特别是化工高分子材料在减振、降噪、吸音等方面的性能优势是传统的金属、水泥、木材所无法比拟的,高铁铁轨所用到的高分子减振、降噪材料就多达十几种。

聚氨酯、碳纤维复合材料、热塑性弹性体、聚氯乙烯、硅橡胶、环氧树脂、丁基橡胶、丁苯橡胶、三元乙丙胶等材料广泛地应用在高速铁路的车辆、轨道、桥梁和接触导线上,满足了高速铁路对材料的特殊要求。例如勃弹性能、耐疲劳、耐老化性能更优的橡胶元件,以保证乘坐的安全舒适,橡胶元件的减振降噪作用特别显著。

高速轨道交通材料的建议

1)主管部门加强引导,联合国内高速列车的生产企业和材料生产厂家等分析高速列车关键材料产业化中存在的问题,建立高速列车生产主机厂与材料生产单位的直接联系。

2)联合科研院所、高校、企业,对关键材料重点攻关。通过成分配方设计、冶金(合成)轧制、热处理(表面处理)等控制材料的成分、组织、性能,提高材料综合服役性能。通过过程控制提高产品质量稳定性。

3)由高速、重载铁路运营部门进行高速、重载列车新材料的现场实际运行长期运行考验。

4)建立市场需求牵引的高速铁路材料产业发展模式。即国家用需求引导高速铁路材料产业的发展模式。

5)建立符合中国市场特征自主高速、重载铁路材料质量评价体系,建立包括多方参与的高速、重载材料试验、服役行为评价平台。

6)集中力量进行高端高铁关键材料的质量和技术攻关,解决材料在工程应用中的工艺技术问题,加快材料产业化的进程。

7)在参考国外相关标准、规范的基础上,结合我国的实际情况,尽快建立中国的高速铁路材料产品标准体系。

8)实现主要材料生产设备的国产化,通过自动过程控制稳定产品质量。