完整word版)鎂合金在高鐵上的應(yīng)用及展望

1、鎂合金在高鐵上的應(yīng)用及展望近年來我國軌道交通裝備行業(yè)發(fā)展迅速，軌道客車速度快、能耗低、舒適性設(shè)計、環(huán)境友好、以人為本的設(shè)計特點(diǎn)，具有其他交通方式無法比擬的優(yōu)勢。輕量化設(shè)計可以實(shí)現(xiàn)軌道客車多方面的優(yōu)化， 是軌道客車關(guān)鍵技術(shù)之一。 鎂合金是目前工程應(yīng)用中密度最小、比強(qiáng)度最高的結(jié)構(gòu)金屬材料，在軌道客車輕量化應(yīng)用中具有非常好的前景。鎂合金的開發(fā)和應(yīng)用現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的鎂合金主要可以分為兩種，一種是鑄造鎂合金，另一種是變形鎂合金。目前壓鑄鎂合金在工業(yè)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，鎂合金經(jīng)過變形之后，可以得到更加優(yōu)秀的綜合力學(xué)性能，從而滿足不冋的場合需求，所以發(fā)展變形鎂合金非常有前景。鎂合金的特點(diǎn)可滿足航空航天等高科技領(lǐng)

2、域?qū)p質(zhì)材料降噪、減振、防輻射的要求，冋時可大大改善飛行器的氣體動力學(xué)性能和明顯減輕結(jié)構(gòu)重量。目前鎂合金在航空工業(yè)上應(yīng)用很廣泛，其中包括 AZ91、AZ31、ZE41、QE22、WE43等。節(jié)能與環(huán)保的新要求使汽車公司都設(shè)法減輕汽車的重量，從而達(dá)到降低汽油消耗和 溫室氣體排放量的新標(biāo)準(zhǔn)， 鎂合金的減重效果可以最大限度滿足日益嚴(yán)格的節(jié)能的溫室氣體 排放的要求。鎂合金具有良好的阻尼系數(shù)，減振性能好于鋁合金和鑄鐵。在座椅、方向盤、 輪轂上應(yīng)用可以減少振動，在車門等殼體上應(yīng)用可以降低噪聲，提高汽車的安全性和舒適 性。目前，汽車儀表、座椅架、方向操縱系統(tǒng)部件、弓I擎蓋、變速箱、進(jìn)氣歧管、輪轂、 發(fā)動機(jī)和

3、安全部件上都有壓鑄和變形鎂合金產(chǎn)品的應(yīng)用。軌道客車的輕量化設(shè)計軌道客車輕量化設(shè)計主要是通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)、采用新材料來實(shí)現(xiàn)，它主要包括列車車體、車內(nèi)設(shè)備、車外吊掛安裝設(shè)備的輕量化。在考慮減輕列車重量的時候，必須在確保車體強(qiáng)度、剛度、動力學(xué)和動應(yīng)力等滿足要求的前提下，盡量實(shí)現(xiàn)列車的輕量化。按照添加合金元素的不同，目前常用的鎂合金可以大致分為Mg-AI系合金、Mg-Mn系合金、Mg-Zn系合金；按成型方法可以大致分為鑄造鎂合金和變形鎂合金，其中應(yīng)用鑄造鎂合金中絕大部分是壓鑄鎂合金。工業(yè)常用的鎂合金包括AZ31B AZ61A AZ91D AM60B等。常用變形鎂合金和壓鑄鎂合金與鋁合金的力學(xué)性能相近，非常

4、有潛力在軌道客車替 代鋁合金，實(shí)現(xiàn)輕量化減重的目的?，F(xiàn)代軌道客車設(shè)計必須考慮的幾個頂層指標(biāo)分別是安全性設(shè)計、節(jié)能環(huán)保設(shè)計和舒適性設(shè)計。鎂合金有良好的吸收能量性質(zhì)，應(yīng)用在列車座椅上可以在列車出現(xiàn)碰撞事故時使座椅吸收更多的能量，從而保護(hù)乘客的安全。比如AM60合金具有突出的吸能性，同時兼有良好的強(qiáng)度和韌性，已經(jīng)在國外直升飛機(jī)座椅上得到應(yīng)用。鎂合金在列車減重節(jié)約能源方面優(yōu)勢明顯，而同時鎂合金具有優(yōu)良的模壓加工性能，可以壓鑄成為復(fù)雜的外形，從而滿足座椅的人體工程學(xué)和外觀美學(xué)設(shè)計。使用鎂合金制作列車座椅上可以把美學(xué)、人體工程學(xué)、輕 量化和成型性這幾種設(shè)計很好地結(jié)合在一起。國外軌道客車上已經(jīng)有許多鎂合金應(yīng)

5、用的報道。法國TGV高速列車已經(jīng)在 TGVDuplex雙層高速列車座椅上應(yīng)用了鎂合金件，采用鎂合金件的座椅總數(shù)量超過了45000個，應(yīng)用鎂合金的部件包括座椅小桌面板、座椅扶手、腳踏板、座椅側(cè)面面板。采用鎂合金的座椅重量明顯減輕，和原先的鋁合金座椅相比每個雙人座椅由36kg減輕到30kg。鎂合金件所需成本不高，減重之后節(jié)約了列車運(yùn)行成本。TGV列車鎂合金在座椅上的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了減重、節(jié)約成本和應(yīng)用功能的良好結(jié)合。韓國KTX特快列車在座椅基座上使用了鎂合金板材零件，鎂合金比之前采用鋁合金和玻璃鋼每個座椅減重5kg，并且可以節(jié)省8%- 10%勺成本。日本新干線列車在輕量化減重技術(shù)方面一直處于領(lǐng)先地位。目

6、前日本新干線 N700 系列高速列車座椅骨架已經(jīng)采用鎂合金， 包括座椅扶手、中央支撐架、底墊、底座、扶手座、 背靠等。使用效果良好，實(shí)現(xiàn)了整車減重目的，提升了動車組的動力性能并減少了能耗。輕量化材料中的優(yōu)勢使鎂合金在我國軌道客車應(yīng)用潛力巨大，我國某些研究機(jī)構(gòu)和主機(jī)廠也對鎂合金在列車上的應(yīng)用做了許多研究和試驗(yàn)。比如使用AZ91D鎂合金替代動車組PA塑料制作小桌支臂減輕列車重量。動車組原始PA塑料小桌支臂強(qiáng)度較低，現(xiàn)車使用中有斷裂損壞的風(fēng)險，使用鎂合金制作小桌支臂，不僅強(qiáng)度完全滿足使用需求，并且可以明顯提升承載能力、斷裂伸長率和沖擊韌性等性能。首先，經(jīng)過測試鎂合金小桌支臂的抗拉強(qiáng)度和 彈性模量完全

7、優(yōu)于 PA塑料小桌支臂，對兩種材料的小桌支臂做 20kg載荷變形量試驗(yàn)，結(jié)果 顯示鎂合金支臂變形量明顯小于PA塑料支臂。PA塑料支臂為實(shí)心結(jié)構(gòu)，而鎂合金支臂結(jié)構(gòu)設(shè)計得更薄更合理，所以每個AZ91D鎂合金支臂可以比原來實(shí)心 PA塑料支臂減輕約35%勺重量。疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果顯示鎂合金小桌支臂完全符合疲勞耐久設(shè)計。盡管重量有所減輕，但由于材料性能出眾， 使用鎂合金材料的小桌支臂最大承載能力比以前有明顯的提升。綜合評價得出，鎂合金小桌支臂可以完全滿足國內(nèi)動車組使用需求，使用AZ91D鎂合金替代PA塑料制作小桌支臂可以滿足動車組的輕量化設(shè)計。現(xiàn)階段軌道客車鎂合金應(yīng)用的主要研究目標(biāo)是在大部分非承載零部件上

8、使用鎂合金材料替代鋁合金，在使用成熟后再發(fā)展到承載零部件的應(yīng)用。根據(jù)鎂合金的性能和特點(diǎn)， 目前鎂合金可以在列車以下結(jié)構(gòu)上進(jìn)行使用：列車內(nèi)裝型材、車窗內(nèi)框架、小桌板及支臂；行李架邊框、座椅骨架、臥鋪框架、內(nèi)部儀表盤框架;車下裙板、車內(nèi)間壁面板、車下設(shè)備艙底板。國內(nèi)有研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)試制出了鎂合金臥鋪框架樣品和鎂合金間壁面板樣品，有相關(guān) 試制蜂窩模塊并設(shè)計過度車鉤等。有研究數(shù)據(jù)表明，運(yùn)用鎂相關(guān)材料來制造有軌列車車體及內(nèi)裝部件，將大大降低其重量。以京滬高鐵的客運(yùn)專線為例，如果將其車身用鎂合金來制造整個車身，整體將減重約13 %以上，節(jié)能平均幅度則是 8%以京滬高鐵目前全線運(yùn)營每天1000多班次的動車組來計算，全部應(yīng)用鎂合金車體，一天僅直達(dá)列車即可節(jié)約用電126萬度、折合減少二氧化碳排放1146