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铁路货车轻量化应用的探析论文
1 概述
铁路货车轻量化是指在承载结构质量有限条件下实现结构承载最大化，满足结构安全可靠性。实现轻量化的原理是在满足功能性和安全可靠性的基础上，实现轻量化设计，主要包括5方面：合理分配结构质量;充分发挥材料机械性能;消除或避免结构应力集中效应;合理的整体结构刚度;合理的材料选择。
以美国为代表的国家，主要发展重载运输，主要特点是货车轴重大、载重高、自重轻、效率高、成本低，其列车牵引总质量一般为1万～3万t，轴重普遍在29 t以上;以德国为代表的欧洲国家，主要发展快速运输，主要特点是货车高速运行、轴重低、列车编组少。
我国铁路货物运输采取“速、密、重”协调发展战略，但与世界铁路运输发达国家相比，在轴重及车辆轻量化技术方面还有一定差距。从车辆轻量化方面来讲，我国70 t级货车的自重系数为0.34，80 t级专用车自重系数为0.25;美国很多专用货车的自重系数仅为0.17;澳大利亚40 t轴重矿石车的自重系数更是达到了0.159。这些差距特别是铁路货车轻量化技术方面的差距，除运用环境、结构等原因外，材料的影响也很重要。实现车体轻量化最直接有效的办法就是减少各种组成部件板材厚度。但由于铁路货车设计受到车辆性能、结构强度和检修年限等多方面限制，板材厚度的选取也是有限度的，因此采用比重小、耐腐蚀性高的新型材料就成为解决车体轻量化问题最直接有效的途径之一。
在目前全球节能环保的大背景下，铁路货车轻量化已经成为全球铁路货车制造业的发展趋势。因此，钢质货车如何在保证安全性的前提下“瘦身”，其意义非同凡响。
2 铁路货车轻量化的途径
铁路货车轻量化的主要途径有3种：第一种是将铁路货车的具有主要承重和支撑功能的部件应用超高强度钢;第二种是应用轻型铝合金材料代替原有普通钢板;第三种是广泛应用轻型复合材料。
2.1 超高强度钢在铁路货车轻量化中的应用
2.1.1 超高强度钢定义及现状
超高强度钢是一种结构钢，其最低屈服强度超过1 380 MPa。目前，通过改变合金成分提高钢的强度和韧性已经很困难，发展超高强度钢的主要方向是通过热成形技术处理，改变钢的内部组织和细化晶粒尺寸，提高钢的强度和韧性。超高强度钢热成形的原理就是把经过特殊处理的合金钢(含硼)加热，待处于奥氏体状态，把板材送入专用模具内进行高温冲压成形，专用模具具有快速冷却系统，使其淬火处理，钢组织则变成马氏体，可以获得超高强度比的高强度钢。超高强度钢热成形技术不但可以获得高强度比，并且材料塑性和成形性好，还能冲压复杂的结构件。
2.1.2 铁路货车方面的应用
铁路货车主要有敞、平、棚、罐、漏5种车型，超高强度钢可广泛应用于货车结构件，如横带、侧柱、侧梁、端梁及角柱等。以C80B型敞车为例进行轻量化分析。C80B型敞车主要由底架、侧墙、端墙、下侧门和撑杆等组成。其中：底架(中梁、枕梁、端梁)为全钢焊接结构;侧墙、端墙与底架之间采用铆接结构连接。图1中标识出的撑杆、端墙、侧墙及下侧门均为钢材料，可以对这些材料进行轻量化。图2中的上端梁、短板、横带、角柱和支架均为钢材料;图3中的侧横带、侧柱、上门框、立柱、上侧梁、侧板和加强板均为钢材料;底架的中梁、枕梁、大横梁、小横梁、纵向梁也均为钢材料。根据C80B型敞车结构构 建超高强度钢的模型。为了设计安全，车钩缓冲装置、转向架组成、制动装置、底架、中梁、侧墙、端墙等结构大部件均采用原设计图纸材料，在不影响车辆运行安全情况下，仅将原来的横带、侧柱、上侧梁、上端梁及角柱用厚度为2 mm的超高强度钢代替，进行有限元分析。带及立柱的应力均很小(均小于100 MPa)，远小于其许用应力。
根据有限元计算结果，可得出新型80 t级通用敞车车体静强度及刚度均满足TB/T 1335—1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》及《大轴重铁路货车车辆通用技术条件(暂行)》的要求。计算可得出，侧横带、侧柱、上侧梁3部件减重1 878 kg;上端梁、横带、角柱三部件减重495 kg，合计减重2 373 kg。
再以大秦铁路货运量为例进行经济性计算和分析。
对比可知，如采用高强度钢代替C80B型敞车原有几个小部件，每年可减少列车数为800列。如果按照原有列数正常装货量，每年的运输总量将达到4.54亿t，比原有运送量多出1 400万t。按照煤炭运价基价为13.80元/t，大秦铁路每年将可增加营业额约为1.9亿元。如果大量推广使用高强钢板代替更多结构件，经济效益将远超预期。
2.2 铝合金材料在铁路货车轻量化中的应用
2.2.1 铝合金材料优点
铝合金材料具有如下优点：首先，自重轻，铝合金材料密度约是钢材的1/3。其次，耐腐蚀性能好。铝合金表面在空气中容易形成一层薄薄的氧化铝保护膜，保护膜表面硬度较高，在大气中有较强的抗腐蚀能力。此外，铝合金材料的检修费用低。由于铝合金材料具有较强的耐腐蚀能力，使铁路货车的腐蚀速度明显降低，避免了原车体钢结构部分的大量检修，从而降低检修费用。最后，铝合金型材易于制造和组装。铝合金塑性高，易于机械加工，可制成形状复杂的型材、板材，在满足车体结构性能需求的同时，也提高了车辆的工艺制造性。
2.2.2 铁路货车方面的应用
由于铝合金的优点，使用铝合金材料制作车体需求迅速增长，目前美国90%重载货车车体采用铝合金制造。在20世纪70—80年代澳大利亚就开始采用铝合金材料进行货车车辆制造，进行煤炭的运输，效果良好，目前铝合金材料在漏斗车等产品上也在广泛应用。
铝合金材料在铁路货车上的应用主要用于非主要结构件，如侧板、端板、浴盆等。自2003年开始，我国为提高西煤东运的能力，齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司研制了25 t轴重C80型铝合金运煤专用敞车，成为我国铁路重载运输的历史转折点，使得大秦铁路每年运量从1亿t跨越至4亿t。C80型敞车首次采用铝合金材料，采用铝合金的部件有下侧梁、下侧门、侧墙、端墙、撑杆及浴盆等，主要使用板材5083-H321和挤压铝形材6061-T6，车辆自重大大减轻，载重也达到了80 t，较既有运煤敞车提高运能31.1%，具有明显的经济及社会效益。以C80型铝合金运煤敞车为例，车体为双浴盆式、铝合金铆接结构。主要由底架、浴盆、侧墙、端墙、下侧门和撑杆等组成。其中：底架(中梁、枕梁、端梁)为全钢焊接结构;浴盆、侧墙和端墙均为铝合金板材与铝合金挤压型材的铆接结构;浴盆、侧墙、端墙与底架之间的连接采用铆接结构连接。车体使用的铝合金板材材质为5083-H32，下侧门板使用的铝合金板材材质为5083-O，铝合金型材材质为6061-T6，高强度耐候钢板材材质为Q450NQR1。
但铝合金材料也有缺点：首先，制造成本高。铝合金车体的制造成本比同款耐候钢车体高出5万～10万元。其次，刚度低。铝合金材料的弹性模量仅为钢材的1/3，在货车轻量化的同时刚度也随之下降，这是铝合金材料不能用作承载结构件的主要原因。初期制造成本的增加会因装载质量提高和运营费用节省所带来的经济效益而得到补偿，载重越大这种效益的增加就越明显，而且铝合金车辆较钢质车辆的使用寿命长，寿命期后回收利用价值高，因此其所带来的收益更加巨大。
综上所述，随着我国铁路货车设计、制造技术的发展，为铝合金材料的应用提供了前所未有的机遇和市场前景。铝合金车辆的结构形式将不局限于敞车，会向漏斗车延伸，特别是煤炭漏斗车、粮食漏斗车等。铝合金材料具有质量轻、耐腐蚀性的显著优势，在铁路货车轻量化实现过程中可发挥重要作用。
2.3 轻型复合材料在铁路货车轻量化中的应用
2.3.1 轻型复合材料简介
轻型复合材料的历史发展过程分为四代。第一代：1940—1960年，玻璃纤维增强塑料期，俗称“玻璃钢”; 第二代：1960—1980年，现代复合材料期，如用碳纤维、芳纶纤维等高性能纤维基复合材料;第三代：1980—1990年，是纤维增强金属基复合材料的时代，以铝基复合材料的应用最为广泛;第四代：1990年以后，主要发展多功能复合材料，如机敏(智能)复合材料和梯度功能材料等。
轻质高强复合材料属于第四代，具有耐热性、比刚度高、比强度高和耐氧化性高等优点。长纤维复合材料是轻质高强复合材料之一，是纤维增强聚合物领域的一种新型高级轻量化材料，主要成分是长玻璃纤维和聚丙烯。具有如下特点：首先，密度小、强度高。长纤维复合材料密度为1.1～1.6 g/cm3，仅为钢材的1/7～1/5。其次，可设计性自由度大。长纤维复合材料的物理、化学和力学性能都可以通过合理选择原材料的种类、配比、加工方法、纤维含量来进行设计。最后，具有导热性能高、耐化学腐蚀性强、能循环利用等优点。与金属材料相比，长纤维复合材料具有更低的生命周期成本和优良的耐腐蚀性和阻燃性能;相比传统金属部件，复合材料部件可无需连接件或紧固件，可以为结构提供更简约、集成化的设计。由于长纤维复合材料其主要原材料为玻璃纤维和聚丙烯PP两种，玻璃纤维和聚丙烯PP的市场价格较低，因此，长纤维复合材料以其成本低而著称，可替代金属零部件，大大节省成本、降低质量、减少能耗;可替代价格高的特种工程塑料，如尼龙等;可取代热固性玻璃钢复合材料，如氨基树脂等，提高成型效率、降低成本，符合循环使用的环保要求，从而使长纤维复合材料应用领域得到进一步地加强、扩展和深化。
2.3.2 铁路货车方面的应用
铁道车辆中正在越来越多地使用新型复合材料，因为这种新型原材料可降低制造成本30%，结构件可减重50%，非结构件可减重75%。
以SQ6型凹底双层运输汽车专用车的附加地板为例进行分析。附加地板是SQ6型凹底双层运输汽车专用车上特有的，为防止汽车进入凹底部位造成汽车托底，损坏车辆而设计的。闲置时悬挂于车体两侧，需要时安装固定在凹底部位两侧，使车辆进入凹底位置时提升车辆高度，防止汽车托底损伤，每车4块。
原产品存在的问题：原附加地板采用SMC复合材料，属热固性材料。热固性材料是指加热后其分子会构造结合成网状形态，一旦结合成网状聚合体，即使再加热也不会软化，因此产品不可回收，其环保性差，且价格高。
采用长纤维复合材料进行了优化设计，优化后的附加地板结构。
对优化后的附加地板进行有限元分析，在地板中间位置145 mm×100 mm的面积上施加5 000 N的载荷，固定约束地板底端。优化后的附加地板采用PP+40%长玻纤(EQ-11812A8)，材料的拉伸强度为147 MPa，取安全系数为2.5，则许用应力为58.8 MPa。采用长纤维复合材料的附加地板不但具有减轻质量、可回收等优势，成本还可降低30%。
长纤维复合材料应用在铁路货车侧墙、端墙、地板顶棚等部位，是“塑代钢”产品的典范，目前制作地板和顶棚、车辆侧端墙板已经成为铁道车辆设计中的新宠。使用长纤维复合材料制作的运输小汽车的货车车体三维视图，此设计方案在论证评审中。
长纤维复合材料未来的发展趋势是采用“三明治”结构(即夹层架构)，由2个表层和1个夹芯组成。能够有效帮助结构降低质量，提高强度，具有更好的力学性能，并且给设计者全新的灵感和应用。“三明治”结构的表层材料可以是长纤维复合材料，为主要受力部件，将承受主要的弯曲应力和拉伸应力。“三明治”结构是迄今为止所发现的结构中比强度、比刚度最高的一种。其中间全部由可循环再生的纸材制造，使用后可百分之百地回收再利用。
长纤维复合材料在铁路货车上的应用是一个系统工程，它集成了材料开发、零部件设计与生产、模具开发及产品验证标准和评价试验方法的制定。由于长纤维复合材料的制备成本较低，以及具有力学性能高，耐热性、耐蠕变性能好，生产制备与成形加工方便和低能耗的特点，在铁路货车上具有广泛的应用前景。目前，亟待组织我国技术开发力量协同攻关，加快对长纤维复合材料在铁路货车上的应用与开发。长纤维复合材料是我国铁路货车行业极具发展潜力的复合材料品种之一。
3 结束语
铁路货车轻量化是设计、材料和先进的加工成形技术的优势集成，是货车车辆性能提高、质量降低、结构优化、价格合理多方面相结合的一个系统工程，具有深远意义。
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