新材料在電力機車中的應用

□楊 艷

車體是電力機車中的關鍵部分，車體材料的選擇與電力機車生產(chǎn)投資數(shù)量、安全性、機車重量等都具有著緊密關系，同時也影響著電力機車運營之后的舒適度、維修費用等。因此，做好電力機車車體材料的選擇工作，是控制電力機車生產(chǎn)成本以及提高電力機車服務水平與運用效益的重要手段。

一、電力機車材料選擇的影響因素

在選擇電力機車車體材料的過程中，不僅要對車體所具有的剛度要求和強度要求作出充分考慮，同時要對電力機車運行中乘客所具有的舒適性以及安全度作出充分考慮，并且由于材料的選擇能夠?qū)﹄娏C車的能耗、載客能力、使用壽命、檢修頻率等產(chǎn)生直接的影響，所以也會對電力機車所能夠創(chuàng)造的效益以及維護成本產(chǎn)生影響。因此，電力機車車體材料本身的采購價格、運營成本以及維護成本也是影響電力機車材料選擇的重要因素。綜上所述，電力機車材料選擇影響因素主要包括電力機車的運行要求與材料經(jīng)濟性兩個主要方面。從電力機車的運行要求方面來看，電力機車工作環(huán)境的差異會導致電力機車車體在選擇材料方面所作出的決策出現(xiàn)差異。電力機車的運用要求主要適應較為嚴重的環(huán)境污染、較大的空氣濕度、較大的坡度、較多的曲線線路、較大的啟動加速度與制動加速度、較少的維護量等，這些因素是電力機車材料選擇中需要重點考慮的因素;從經(jīng)濟性來看，以我國城市軌道車輛的材料選擇為例，當前我國城市軌道車輛在材料采購方面采用招投標的方式，其中保險費用、培訓費用、運輸費用、驗收費用等都屬于車輛采購費用中的組成內(nèi)容。從我國各大城市如北京、上海、廣州、天津、深圳的采購價格來看，采購價格從低到高為普通鋼車輛、不銹鋼車輛、鋁合金車輛，而這些電力機車的維護費用則和區(qū)域物價水平、維修量以及機車性能具有著很大關系，從使用經(jīng)驗來看，碳鋼電力機車車體具有著最高的維修費用，其次為鋁合金車體與不銹鋼車體。通過比較也可以看出:雖然碳鋼材料具有著較高的采購成本，但是維護成本卻比較低，而不銹鋼車體雖然有著較低的采購成本，但是維護成本較高。因此，在電力機車車體材料的選購中，需要對電力機車的壽命周期作出考慮，從而尋求采購成本與維護成本之間的平衡。

二、當前我國電力機車材料選擇工作中存在的問題

當前我國在電力機車材料的選擇方面存在盲目追求輕量化的問題，在這種傾向下，采購價格與維護價格居中的鋁合金成為了主要的車體材料選擇對象。電力機車所追求的輕量化是整體的輕量化，這種輕量化不僅體現(xiàn)在車體方面，同時也體現(xiàn)在其他設施與構建方面。事實上車內(nèi)設備的輕量化所需要承擔的風險要遠遠小于車體輕量化。然而從車體材料的選擇方面來看，輕量化發(fā)展并不一定要實現(xiàn)電力機車車體的鋁合金化。同時由于我國具有著多樣性的自然環(huán)境與氣候特點，所以電力機車材料的采用應當對這些問題作出綜合考慮，而不能出現(xiàn)盲目跟風的問題。

三、新材料在電力機車中的應用

隨著電力機車的發(fā)展，電力機車車體中使用的新材料呈現(xiàn)出多樣化的特點，如新型復合材料、鋁合金、不銹鋼以及碳鋼等?？傮w而言，鋁合金、不銹鋼以及碳鋼已經(jīng)在電力機車車體中得到了較多的應用。

(一)碳鋼材料在電力機車中的應用。在電力機車車體材料的選擇中，鋼材憑借自身優(yōu)秀的加工性能和明顯的價格優(yōu)勢而體現(xiàn)出了較強的實用性，由于鋼材具有好的防銹性能，所以在最早的電力機車中就使用了普通軋制鋼SS400，但是隨著輕量化要求和壽命周期要求的提高，高耐候性鋼板SPA 逐漸替代了這種被廣泛使用的鋼材。從當前的電力機車車體材料來看，碳鋼依然是電力機車車體中應用廣泛且具有成熟技術的材料，雖然鋁合金材料和不銹鋼材料在電力車體中的應用比例不斷提高，但是碳鋼憑借自身成本低、造型難度小的優(yōu)勢也依舊在電力機車車體材料選擇中占有較大比重，但同時要認識到，較差的耐腐蝕性以及較大的重量使碳鋼逐漸體現(xiàn)出了對電力機車車體材料發(fā)展趨勢不能適應的問題。

(二)鋁合金材料在電力機車中的應用。在電力機車車體的材料應用中，鋁合金無論是在比重還是彈性模量方面全部只達到鋼的三分之一。因此，在同等強度下，與鋼制電力機車車體相比，鋁合金電力機車車體的重量能夠降低50%，同時由于鋁合金在耐腐蝕方面具有著良好的表現(xiàn)，所以在電力機車車體中應用鋁合金能夠有效延長電力機車的壽命周期。由于鋁合金材料在電力機車材料選擇中具有著明顯優(yōu)勢，許多國家都對鋁合金車體電力機車作出了研發(fā)與伸長。如早在1896年，法國就將鋁合金這種材料應用到車窗設計中，英國則在1905年將鋁合金使用到外墻板中，雖然我國一直到1989年才生產(chǎn)了第一輛鋁合金材料電力機車，但是較晚的起步卻沒有影響我國在這一領域的高速發(fā)展。當前，許多軌道客車與地鐵車輛都對鋁合金材料進行了廣泛的使用。當然，在此過程中，我國鋁合金材料車體的發(fā)展也面臨著一些亟待解決的問題，如鋁合金材料在車體中的應用技術對原材料工業(yè)具有著很強的依靠性，同時機車用鋁合金材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展也滯后于國外發(fā)達國家。因此，雖然我國在鋁合金車體制造技術方面獲得了較快的發(fā)展，但無論是尺寸公差還是鋁合金本身的材料質(zhì)量都并不能夠完全滿足電力機車焊接裝配需求。

(三)不銹鋼材料在電力機車車體中的應用。在電力機車車體材料應用中，不銹鋼具有著良好的質(zhì)感、耐腐蝕性和強度，相對于碳鋼材料而言，不銹鋼材料具有著更長的生命周期、更低的殘余應力與更輕的重量，同時具有著更加環(huán)保的優(yōu)勢。在二十世紀三十年代，美國所生產(chǎn)的不銹鋼鐵路客車讓不銹鋼材料走進電力機車車體材料選擇與應用范圍。在二十世紀五十年代，各個國家也都對電力機車中的不銹鋼材料作出了研究，在不銹鋼工藝日益成熟的背景下，不銹鋼材料開始普及到各類電力機車車體設計與應用中。同鋁合金材料在電力機車車體中的應用一樣，我國在電力機車車體材料中的不銹鋼應用方面同樣起步較晚，但是在21世紀，這種材料在電力機車中的應用得到了迅猛的發(fā)展，當前奧氏體系不銹鋼中的SUS304 與SUS301L 成為了電力機車中常用的不銹鋼材料。其中SUS301L 可以通過軋制來提高抗拉強度與硬度，所以具有著更好的實用性，而SUS304 則受到強度的限制而被應用到強度要求較低的部位。從造價方面來看，不銹鋼材料在電力機車車體中的應用雖然具有著更高的造價，但卻具有著更低的維修費用;從輕量化角度來看，雖然不銹鋼材料的輕量化水平與鋁合金材料相比并不具備優(yōu)勢，但相對于碳鋼材料而言卻具有著更好的表現(xiàn)。

綜上所述，電力機車車體材料的選擇受到諸多因素的影響，在對電力機車車體材料選擇的過程中，需要充分考慮電力機車的運行環(huán)境而不能盲目追求輕量化。當前電力機車車體材料主要包括碳鋼、不銹鋼以及鋁合金，三種材料各自具有著突出的優(yōu)勢。因此，在三種材料的應用中，需要對美觀性、安全性以及經(jīng)濟性作出綜合考慮，同時有必要在同一地區(qū)使用同一種電力機車車體材料，從而推動資源的共享、生產(chǎn)和維護的標準化發(fā)展。

［1］ 肖彥君，楊潤棟．地鐵車輛車體材料的選型分析［J］．現(xiàn)代城市軌道交通，2005

［2］ 新井浩．鐵道車輛的車體材料及其特征［J］．國外機車車輛工藝，2005

［3］ 張國慶．不銹鋼車輛車體剛度研究［D］．大連交通大學，2010

［4］ 員華，鄒鵬．不銹鋼車體與鋁合金車體的現(xiàn)狀及發(fā)展［J］．機電工程，2008