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机车车辆轻量化材料铝合金车体的发展现状与选择分析
发布时间:2018-09-20 14:24:00
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轻量化材料铝合金车体的发展与选择


张九高 主任工程师(上海申通轨道交通研究咨询有限公司)


摘 要


简述了机车车辆采用铝合金轻量化材料的特点及用于车体的优越性,铝合金车体的发展现状和铝合金车体结构的设计及材料选择,车体材质机械性能及其常用铝合金化学成分等。


关键词


轻量化材料;铝合金;车体;机械性能;化学成分


在铁道交通行业,随着机车速度的不断提高,轻量、重载已成为现代化机车车辆运输的重要标志。要做到轻量、高速、重载,就必须减轻车体自重,采用不锈钢、铝合金材料是减轻车体自重的有效措施。不锈钢因其密封性较差,一般适用于制造160~200 km/h的准高速机车,而铝合金材料用于制造200 km/h 以上的动车组较为优越。


对机车减轻自重的呼声越来越高,同时又要保证焊接接头强度及结构安全性,铝合金因其密度小、可回收性好,在保证车体同等强度下,车体自重最大可减轻5 0 % ,而且铝合金的耐腐烛性好,可以延长车辆使用寿命〔1〕。同时由于铝合金车体的密封性好的特点,铝合金继不锈钢车体之后,近年来得到越来越广泛的应用。因此,生产制造铝合金车体是动车组和城市轨道车辆发展的必然趋势〔2〕。


1、 铝合金的特点及用于车体的优越性


1.1 铝合金的特点


铝是地球上储量丰富的金属之一。以铝为基,加入不同形式的强化金属,再通过时效强化的方式,可以获得不同用途的铝合金。在铝合金车辆上,根据不同部位的使用要求、综合强度、制造工艺、耐腐蚀等方面的要求,选择不同的铝合金材料。在城市轨道车辆上, 一般选用6005A 、6082 、6060 、5083 、7020 、7005 和5754 铝合金作为车辆结构用材,其它铝合金由于强度、焊接性等原因很少采用。


1.2 铝合金车体的优越性


(1)高安全性。车体材料的重要指标就是车体的安全性,铝合金材料的密度约为钢材的1/3,具有较高的强度质量比(屈服强度/密度),由于车体由于采用了型材结构,刚度比普通碳钢车好很多,可大大降低车辆自重,增加载重能力。在动车组牵引动能有限的前提下,车体自重的降低,显得十分重要。动车组的铝合金车体曾做过一项试验,在铝合金车体前方,用机械外力使车体前部产生1 m 的变形,对车内乘客不会产生致命伤害,而普通碳钢车是不可能做到的。


(2)具有良好的耐腐蚀性。铝合金表面易形成一层致密的氧化膜,有很好的抗氧化能力,因此,铝合金车体比碳钢车体具有更好的耐腐蚀性,特别是车体不易涂覆的部位。同时,铝合金表面可以化学着色、上漆、喷涂,使车体表面更加美观。


(3)便于加工、制造和维护。制造铝合金车体较制造碳钢车体所需的工作量减少,铝合金车体在底架上采用了吊挂槽生根,可以在车下任何部位吊挂,而碳钢结构车体,必须加横梁生根,既繁琐, 又不易实现。因此,铝合金车体更适于有自带动力的分散型动车组。由于铝合金车体大量使用型材结构,易实现自动化焊接, 提高了车体质量。同时,铝合金件不需要除锈,维护成本低于碳钢车。铝合金车体达到使用寿命后,材料一般可以回收使用, 损耗较低,且无环境污染。


(4)成本适中,运行平稳性好。虽然铝合金材料价格较高,但实现了车辆轻量化,使运能增加、耗能减少,也降低了维修费用,还可重复使用,具有较高的残值利用率和回收利用价值。车体大量使用型材结构,型材内封闭隔音材料,使车体运行过程中的噪音和平稳性比碳钢车有了明显改善。


2、铁道车辆用铝合金的发展现状


从20世纪70年代起, 铝合金型材在国外铁道车辆上开始应用, 铝制车辆广泛使用了当时在船舶上作为焊接结构材料的5083合金空心型材,主要用作横梁和侧板等。这种材料由于含镁量高,挤压性差,要使其薄壁化非常困难。当时还主要用于板梁结构的车体结构。


随着车体技术的不断发展,开发出了敞开式铝型材结构,使铝合金型材向薄壁化、轻量化方向发展,此时主要采用的铝合金型材为AI-Mg-Zn(7xxx)系三元合金。主要代表性的牌号为7N01 和7003合金,该合金是热处理强化型合金,不仅母材强度高,而且焊接强度也比5083 和6061等合金的高。由于该合金挤压加工性能很好,可以挤压壁比较薄的大型宽幅型材。


早期应用较广的是铝合金7003,与7N01合金相比,降低了一些镁的含量,但没有降低焊接性能和强度,而且还能进一步提高了挤压性能。铝型材挤压技术的进步,以及车辆进一步轻量化的需求,发展的闭式铝型材结构,实现了型材的进一步薄壁化,也同时要求研制挤压性、材料强度、焊接性以及耐腐蚀性均好的材料。


欧洲铝型材制造商研制了一种AI-Mg-Si系的6005A合金,生产了宽幅空心型材。同时,日本AI-Mg-Si系6N01 合金也达了工业标准化( 等同于6005A),并且克服了7N01铝合金应力腐蚀。由于6N01合金的挤压性能与6063合金相当,因而替代了原有的7N01和7003 。在日本开发的第四代700系新干线车体制造过程中,除个别承重梁为高强度的7N01铝合金,其它结构则采用了6N01铝合金。


在国内动车组技术引进的过程中,CRH2型动车组采用了日系的6N01和7N01两种铝合金母材,主要承载部位的横梁和牵引梁采用了7N01母材,地板采用了6N01母材。CRH5、CRH3型车则主要采用了欧系的6005A和6082两种铝合金母材,其中6005A占大部分。


综上所述,目前适合机车车辆挤压型材的铝合金材料主要有AI-Mg-Si(6000 系列)及AI-Mg-Zn(7000 系列)两大系列,而板材也可以选择5000系列。这两大系列中,最具代表性是6005A(6N01)铝合金。而7N01铝合金由于应力腐蚀问题及可回收再利用困难等原因,目前只用在日本的车型中,且应用越来越少,承重的结构中重载部位。


3、车体结构轻量化的意义


车辆能耗涉及到许多因素,其中相当比例能耗与车辆质量有关,具体数值随车辆型式和运营速度不同而不同,运营速度越低,该比例值则越大。国内铁道机车的研究表明,CRH1、CRH2动车组约25%的能耗与车辆质量有关。而我国大量运营的城市轨道车辆最高运营速度均不超过160Km/h,较CRH2动车组慢,因此,与车辆质量有关的能耗比例要比CRH2动车组大。车体结构是车辆体系中的一个重大部件,因此,减小车体结构质量可有效降低车辆整车质量。


此外,减小车体结构质量,还可以减小对相应设备的能力需求,使得这些设备也可以轻量化,从而可以进一步减小车辆质量和降低车辆能耗。车体结构轻量化可减小车辆轴重,从而减小轮铁作用力,降低轮轨磨耗,减小车辆辐射噪声以及减小地面振动。


车体结构轻量化还可以降低车辆寿命周期成本。以全寿命周期车辆的检修工时对比为例,若碳钢车体为100%,铝合金车体则为52%。对于报废车辆的回收价值,若碳钢车体为100%,铝合金车体则为480%。而从综合经济效益上来看,采用铝合金车体经济合理、成本适中。


4、铝合金车体结构的设计及材料选择


伴随铝合金加工制造技术的不断发展,铝合金车体结构经历了板梁焊接结构、大型中空挤压型材与开口型材混合焊接结构和大型中空挤压型材焊接结构3个阶段。由于近年来引入了大型挤压机,现在动车组和城市轨道车辆车体结构均采用大型中空挤压型材焊接结构。车辆铝合金车体结构可采用如下2种方案:


方案一:牵引梁、枕梁和缓冲梁采用碳钢、耐候钢、低合金高强度钢材料,地板、车顶和侧墙采用大型中空挤压型材纵向焊接而成,端墙采用中空挤压型材和骨架组焊结构。此方案的优点是牵引梁、枕梁和缓冲梁具有良好的抗疲劳性。


方案二:全铝合金结构。牵引梁、枕梁和缓冲梁由铝合金型材和铝板焊接而成,地板、车顶和侧墙采用大型中空挤压型材纵向焊接而成,端墙采用中空挤压型材和骨架组焊结构。采用此方案牵引梁、枕梁和缓冲梁应避免使用7xxx系材料,这主要是因为7xxx系材料可焊性差,容易产生裂纹。


车辆铝合金车体结构材料选择见表1〔3〕。从表1可以看出,铝合金车体结构所用材料的强度质量比较不锈钢车体结构大,并且由于地板、侧墙和车顶采用大型中空挤压型材纵向焊接而成,这种结构为内部具有小间隔连续支撑的双层蒙皮结构,能保持稳定,刚度好,且还可以做得很薄,如CRH2型车侧墙型材最小壁厚为1.5mm。基于以上原因,铝合金车体结构比不锈钢车体结构还要轻。



动车组铝合金车体主结构是在引进的CRH3型动车组车体结构的基础上设计的,车体材料选择6xxx 系铝合金材料,车体材料满足DIN5513 标准;车体结构满足EN1999 标准,车体强度设计满足《200 km/h 及以上速度级铁道车辆-强度设计及试验鉴定暂行规定》及EN 12663标准。由于动车组铝合金车体焊缝强度评价标准EN1999 的升级,如:厚度t≤5 mm 的6005A-T6 型材,1998 版的EN1999 标准中的焊缝热影响区的许用应力为140 MPa,2007 版的焊缝热影响区的许用应力仅为115 MPa。


因此,采用2007 版的EN1999 标准,评价动车组车体底架前端及门口局部结构时,存在强度不足现象。此外,在运营过程中动车组车体端墙和扶手出现强烈振动现象,这是由于铝合金焊缝热影响区强度大幅下降,6005 -T6和6082-T6焊缝热影响区屈服强度分别为115 MPa和125 MPa,可以符合城市轨道车辆车体结构特点,因此,铝合金车体结构设计时应尽量将焊缝布置在低应力区。


5、车体材质机械性能及其化学成分


250 km/h动车组采用铝合金车体,由与车体等长的铝合金挤压型材纵向焊接而成,铝型材共有74 种,材质主要为6005A 和6008,车体结构的设计使用寿命为30年。与城市轨道车辆铝合金车体相比,它在材料选用上比较单一,除司机室铝结构蒙皮型材采用6008 外,其他部位都采用合金6005A,即使是受力比较大的部位,如牵枕部位也采用合金6005A。350 km/h 车体对于不同的受力部位选用的材料是不一样的,对于受力大的牵枕部位,采用了屈强比和抗拉强度更高的6082 铝合金外,在车体板材主要采用5083-H111,而250km/h车体板材主要采用5754-H22 和6082-T6。


选材上的不同,体现了国内吸收西门子和阿尔斯通在车体结构设计技术上的不同理念,国内设计强调车体用料的一致性,对于车体的不同受力状况,通过结构优化设计来满足车体的受力要求,而城市轨道车辆车体根据车体各个部位的受力情况,合理选用不同的材料来满足车体的受力要求。350 km/h 动车组车体结构设计中一个很大的特点就是大量采用型材,这样在简化结构、减少焊缝数量、提高焊缝接头的装配精度、提高焊接接头质量的同时,还降低了工人的劳动强度,提高了生产效率。


车体铝合金材料的化学成分执行EN 573-3-2009 的有关规定,机械性能执行EN 755-2-2008、EN 485-2-2013 的有关规定。表2为铝合金6xxx系列型材化学成分。




6、结语


随着动车组在我国的高速发展及成功运行,铝合金车体将逐步取代碳钢而应用于城市轨道车辆中。通过对动车组铝合金车体的消化、吸收,使我们对于动车组车辆铝合金车体的结构特点、铝合金型材和板材选用方法的关键技术参数、以及机械性能试验方法有了一个初步的了解和认识。铝合金车体作为城市轨道车辆的载体,车体结构强度、力学性能、抗疲劳性对车辆的运营稳定性和使用寿命都有重要影响,这将是我们今后科技不断创新的课题。


参考文献


⑴肖彦君,杨润栋.地铁车辆车体材料的选型分析[J].现代城市轨道交通,2005(1):12-14.


⑵牛得田.铝合金车体在轨道车辆上的应用及展望[J].机车车辆工艺,2003(3):1-2.


⑶阎锋.铁路客车车体结构轻量化研究[J].国外铁道车辆,2016(1):1-5.


作者简介


张九高,1981年生,上海申通轨道交通研究咨询有限公司,主任工程师,项目经理。


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