淺議新材料在鐵道車輛上的應(yīng)用

張凱函

摘要：鐵道行業(yè)與航天、船舶以及汽車工業(yè)相比，對材料的開發(fā)應(yīng)用較少。隨著第六次火車提速和高速動車組的應(yīng)用普及，車體結(jié)構(gòu)的輕量化技術(shù)是目前研究的重要課題之一。文章對鐵道使用的相關(guān)材料進行了概述。

關(guān)鍵詞：鐵道車輛；復(fù)合新材料；高速動車組

中圖分類號：U292文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-2374（2009）09-0009-02

一、新材料概述

隨著鐵道工業(yè)對自重問題重要性的認(rèn)識提高，材料的開發(fā)和應(yīng)用將有大大增加的趨勢。主要新材料類型如下：

（一）復(fù)合材料

復(fù)合材料（如玻璃纖維/聚酯復(fù)合材料）在鐵路其他零部件中的應(yīng)用已被用于制造支承鐵道電器系統(tǒng)的跨軌信號架。用復(fù)合材料制造跨越四根鋼軌的信號架技術(shù)已經(jīng)論證可行，而且與相當(dāng)?shù)匿摻Y(jié)構(gòu)相比，除耐蝕性好外，還能大大減輕自重。

（二）高分子材料

高分子材料是分子量高達(dá)1萬至數(shù)十萬的巨大“高分子”聚合而成的材料，塑料、FRP（纖維增強塑料）、彈性體、橡膠、纖維等都屬于高分子材料。高分子材料具有質(zhì)量輕、強度高、減振、絕緣等特性，故在鐵道行業(yè)獲得廣泛應(yīng)用：塑料、FRP具有質(zhì)量輕、強度高、絕緣等特性；橡膠具有防振、減振、絕緣等特性。

（三）合成材料

合成材料的主要優(yōu)越性有：減輕重量、減少車內(nèi)噪音、提高旅客舒適性、安裝費用低、防火性能好。特別是使用合成材料后，車輛的加速和減速都加快，減少了轉(zhuǎn)向架和軌道的磨損，降低了能耗，降低了每旅客公里的運營費用。

二、新材料在鐵路客運車輛上的應(yīng)用

現(xiàn)在鐵路運輸業(yè)新材料應(yīng)用較多，而且正在不斷地擴展其應(yīng)用范圍，下面列舉幾個應(yīng)用實例：

（一）復(fù)合材料在客車中的使用

車輛質(zhì)量輕和加工方便的優(yōu)點，也促進了復(fù)合材料在車輛內(nèi)部的廣泛應(yīng)用。實際上，F(xiàn)RP在Inter City旅客列車上占壘車總重量的8%（3t左右）。一般車輛內(nèi)部配件最常用的復(fù)合材料，是由玻璃纖維和阻燃聚酯樹脂構(gòu)成。窗框、衛(wèi)生窗、通過臺墻板以及通過臺開敞車頂端，都成功地用玻璃鋼制造過，其加工方法有冷壓、噴射和手糊，有采用無規(guī)則玻璃氈，也有采用半連續(xù)玻璃氈。模壓成型工藝所需設(shè)備費用較高，適用于大規(guī)模生產(chǎn)。座椅骨架常常采用片狀模塑材料（SMC）模壓加工制造。復(fù)合材料還被用于制造鐵道車輛用的高比強度的夾層結(jié)構(gòu)板中。這種墻板已在航空工業(yè)應(yīng)用多年，其典型結(jié)構(gòu)是由兩層FRP板包覆著泡沫或蜂窩芯構(gòu)成。隨著設(shè)計師對輕質(zhì)車輛的優(yōu)越性認(rèn)識的不斷提高，這種結(jié)構(gòu)在客車上應(yīng)用得越來越廣泛。意大利的ETR500型列車，再次為這種復(fù)合材料在現(xiàn)代高速列車上的應(yīng)用提供了一個極好的范例。該車所有的內(nèi)墻板、頂板及行李間全部由夾層板制造。這種夾層板結(jié)構(gòu)包括一個由Airex公司提供的Nomex蜂貨車用復(fù)合材料。

（二）高分子材料在客車中的使用

高分子自潤滑材料除用作機車車輛的承載件、車內(nèi)裝飾件等外，還作為減摩耐磨材料用作磨損件。高分子自潤滑材料在機車車輛上的應(yīng)用實例。高分子自潤滑材料本身具備的或通過改性獲得的良好耐磨性和自潤滑性，使它能夠在少油或無油的條件下安全運行，因此，高分子自潤滑材料在許多場合下完全能取代金屬。高分子自潤滑材料在機車車輛上取代金屬制作磨耗件取得了較好的效果。

心盤墊。美國用超高分子量聚乙烯制作車輛的搖枕心盤墊。德國規(guī)定，貨車的心盤墊用尼龍6制作。用塑料制作的整體碗形心盤墊已裝用在美國鐵路的內(nèi)燃機車和貨車的轉(zhuǎn)向架上。

磨耗板。美國鐵路在60年代將尼龍用于導(dǎo)框襯板后，又?jǐn)U大應(yīng)用到搖枕磨耗板。美國應(yīng)用超高分子量聚乙烯制作的車鉤鉤身托板磨耗板已在貨車上運行80萬公里，未發(fā)生損壞，也不需潤滑、維護。

軸承保持架。瑞典SKF公司在客車車輛軸承和機車牽引電機軸承上，采用25%玻璃纖維增強尼龍66制作軸承保持架。德國市郊運輸車輛和干線車輛的圓柱滾柱軸承采用尼龍保持架已經(jīng)過數(shù)百萬次運用考核，效果令人滿意。俄羅斯自1986年在貨車軸承上開始裝用尼龍保持架，在溫升、磨損、可靠性及耐久性等方面進行了長期考驗。試驗結(jié)果表明，這種尼龍保持架在溫升、磨損和油脂親和等方面有優(yōu)良特性，對提高軸承負(fù)荷能力和壽命，特別是潤滑作用對延緩軸承事故、保證行車安全具有顯著特點。

其他磨耗件。美國芝加哥和西北鐵路公司用熱塑性塑料制作拉桿村套。這種襯套可用八年。德國規(guī)定，各類車輛的車鉤導(dǎo)框用尼龍66制作，客車的搖枕橫向擋塊用尼龍66制作，且使用量都已超過1萬件。

（三）合成材料在客車中的使用

利用合成材料來代替?zhèn)鹘y(tǒng)用材，以求實現(xiàn)機車車輛的輕量化，滿足高速列車要求輕、快、穩(wěn)和安全可靠的要求。

裙板、頂板、墻板和車內(nèi)隔板。法國雙層高速列車TGV2N 采用三聚氰胺樹脂代替玻璃鋼墻板，重量比玻璃鋼更輕而隔熱隔聲性能和玻璃鋼相似。TGV2N 的天花板頂塊采用自承式酚醛三聚氟胺制造，每輛車可減輕重量200kg。大西洋TGV的車內(nèi)與電話間隔板采用聚碳酸醇材料。車體為鋁板加玻璃棉。Keller公司為TGV2N 研制的車頂板采用了重量輕、致密、具有優(yōu)良絕熱性能和聲學(xué)特性的合成材料。這種車頂板集自承載聲學(xué)特性、熱特性、可拆卸性和裝飾性于一身，厚度只有大西洋TGV的一半。

裙板要求重量輕、耐腐蝕。德國新型城市間客車和漢堡城市的新型動車、魯爾工業(yè)區(qū)的二等大開敞式客車兩側(cè)均采用塑料裙板，裙板材料為：聚氯乙烯硬質(zhì)泡沫塑料芯層和玻璃鋼面層。

車窗和車窗玻璃。采用聚碳酸酯板做車窗玻璃材料，熱塑性塑料（如ABS樹脂）壓鑄窗框，可收減輕重量、減少維修費用之效。

車門。車門要求重量輕、耐腐蝕、穩(wěn)定和保養(yǎng)方便。采用玻璃鋼能滿足這些要求。法國大西洋高速列車TGV～A的內(nèi)門、行李車車門和廁所門均采用氯磺化聚乙烯制成。

廁所、盥洗室。要求采用尺寸穩(wěn)定性好、耐腐蝕、易清洗的材料。玻璃鋼能滿足這些要求。德國聯(lián)邦鐵路新研制的客車衛(wèi)生間的特點是：易于安裝和拆卸，適應(yīng)不同客車布局需要，節(jié)水且便于機械清洗。該衛(wèi)生間由四部分組成：玻璃纖維增強聚酯壁板，玻璃纖維增強聚酯馬桶覆蓋層，玻璃纖維增強聚酯盆形地板，塑料貼面壁板。德國聯(lián)邦鐵路的新乘務(wù)員車的盥洗室設(shè)有玻璃鋼馬桶。

茶桌、行李柜(架)。法國新的大西洋TGV—A裝用一種堅實、輕便的折疊式茶桌。該荼桌由法國Trio—plast公司研制，采用美國杜邦公司的Kevlar復(fù)合纖維和浸滲了聚酯樹脂的玻璃纖維作增強材料。蜂窩狀的聚丙烯為阻燃泡沫填充料。Keviar具有高強度重量比。茶桌厚僅20ram，重量只有鋁茶桌的二分之一，但能承受350kg的集中壓力。

地板。地板除要求重量輕、阻燃外，還要求耐磨、防滑、耐腐蝕、電絕緣、隔熱、隔聲。日本在通勤型103、105、201、301系，市郊日本新型地鐵車輛的多層地板為鋁板夾以聚氨酯泡沫塑料和玻璃纖維。

三、新材料在鐵路貨運車輛上的應(yīng)用

（一）復(fù)合材料的應(yīng)用

現(xiàn)在鐵道車輛上復(fù)合材料的應(yīng)用，主要局限于機車頭部的三維模制外殼及客車內(nèi)部的一些輕質(zhì)配件。復(fù)合材料之所以在車輛司機室前端外殼上得到了廣泛的應(yīng)用，是因為現(xiàn)代列車外形既要適應(yīng)空氣動力學(xué)的要求，又要滿足人們的審美需要，這使得車頭的三維外形結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，用金屬制造起來難度較大，而且費用很高。由于復(fù)合材料質(zhì)量輕、耐沖擊等優(yōu)點越來越突出，復(fù)合材料的制造能力也逐漸提高，這些都使得FRP在鐵道車輛的自支承結(jié)構(gòu)上得到了廣泛的應(yīng)用。

（二）高分子材料的應(yīng)用

我國的大連內(nèi)燃機車研究所和大連塑料研究所進行了玻璃纖維增強尼龍塑料保持架的研究，并在軸承試驗臺上順利地進行了20余萬公里的模擬高速試驗。試驗結(jié)果表明，各項指標(biāo)均符合設(shè)計要求，溫升值及其規(guī)律均屬正常。由于尼龍保持架的成本約為銅保持架的20%，一旦此種保持架獲得推廣，其經(jīng)濟效益是非?？捎^的。僅以1000臺東風(fēng)機車的牽引電機小端軸承為倒，其購置費每年可節(jié)約50萬元。

（三）合成材料的應(yīng)用

1．走行機構(gòu)、連續(xù)裝置磨耗件。搖枕心盤采用超高分子量的聚烯烴塑料，其耐磨性比其他塑料高15倍。比不銹鋼高4倍，價格則與鋼相當(dāng)，聚烯烴心盤墊和車鉤托板磨耗板已在貨車上運行了80萬公里，不需潤滑、維護，未發(fā)生損壞。

2．車頭、司機室。機車頭部和司機室若采用金屬件。曲面加工比較困難。采用易于造型的玻璃纖維增強塑料制造比較合適。日本著名的東北、上越新干線“光號”車前頭部分采用FRP制成，其直徑由1400mm逐漸縮小到1300mm。

3．軸承保持架。德國E12O型機車牽引電動機的ECP滾柱軸承采用聚酰胺滾柱隔離圈與金屬隔離圈相比。因其外形精密度高，彈性、滑動性能好、重量輕，摩擦力小，所以能顯著減少滾柱運動的阻力，降低工作溫度和潤滑材料的消耗。

4．絕緣材料。日本新干線車輛主電動機采用聚酰亞胺作絕緣材料。主電動機在轉(zhuǎn)向架內(nèi)的安裝位置因車輛種類和輪徑不同而在尺寸和重量方面均受到嚴(yán)格限制。隨著機車車輛的高速化，高調(diào)速運轉(zhuǎn)和動力集中化，迫切要求主電動機大功率化和小型輕量化。 采用聚酰亞胺作絕緣材料及該材料系統(tǒng)的絕緣技術(shù)，對主電動機的小型輕量化作用極大。東海道新干線MT200型主電動機采用聚酰亞胺作絕緣材料，在相同尺寸和相同重量條件下，功率從185kw 提高到205kw，提高11%。

四、結(jié)語

車體結(jié)構(gòu)的輕量化技術(shù)是目前研究的重要課題之一，隨著高速鐵路的迅速發(fā)展，材料問題得到越來越多的重視。為了使鐵路這項傳統(tǒng)運輸方式具有更強的競爭力，高速性、舒適性、安全性、方便性、經(jīng)濟性等應(yīng)當(dāng)考慮的問題還有很多，在解決這些問題方面材料所起的作用是很大的。因此，對各項高性能，優(yōu)越性材料的開發(fā)研制以及應(yīng)用有很大的期望。