新材料在电力机车中的应用

□杨 艳

车体是电力机车中的关键部分，车体材料的选择与电力机车生产投资数量、安全性、机车重量等都具有着紧密关系，同时也影响着电力机车运营之后的舒适度、维修费用等。因此，做好电力机车车体材料的选择工作，是控制电力机车生产成本以及提高电力机车服务水平与运用效益的重要手段。

一、电力机车材料选择的影响因素

在选择电力机车车体材料的过程中，不仅要对车体所具有的刚度要求和强度要求作出充分考虑，同时要对电力机车运行中乘客所具有的舒适性以及安全度作出充分考虑，并且由于材料的选择能够对电力机车的能耗、载客能力、使用寿命、检修频率等产生直接的影响，所以也会对电力机车所能够创造的效益以及维护成本产生影响。因此，电力机车车体材料本身的采购价格、运营成本以及维护成本也是影响电力机车材料选择的重要因素。综上所述，电力机车材料选择影响因素主要包括电力机车的运行要求与材料经济性两个主要方面。从电力机车的运行要求方面来看，电力机车工作环境的差异会导致电力机车车体在选择材料方面所作出的决策出现差异。电力机车的运用要求主要适应较为严重的环境污染、较大的空气湿度、较大的坡度、较多的曲线线路、较大的启动加速度与制动加速度、较少的维护量等，这些因素是电力机车材料选择中需要重点考虑的因素;从经济性来看，以我国城市轨道车辆的材料选择为例，当前我国城市轨道车辆在材料采购方面采用招投标的方式，其中保险费用、培训费用、运输费用、验收费用等都属于车辆采购费用中的组成内容。从我国各大城市如北京、上海、广州、天津、深圳的采购价格来看，采购价格从低到高为普通钢车辆、不锈钢车辆、铝合金车辆，而这些电力机车的维护费用则和区域物价水平、维修量以及机车性能具有着很大关系，从使用经验来看，碳钢电力机车车体具有着最高的维修费用，其次为铝合金车体与不锈钢车体。通过比较也可以看出:虽然碳钢材料具有着较高的采购成本，但是维护成本却比较低，而不锈钢车体虽然有着较低的采购成本，但是维护成本较高。因此，在电力机车车体材料的选购中，需要对电力机车的寿命周期作出考虑，从而寻求采购成本与维护成本之间的平衡。

二、当前我国电力机车材料选择工作中存在的问题

当前我国在电力机车材料的选择方面存在盲目追求轻量化的问题，在这种倾向下，采购价格与维护价格居中的铝合金成为了主要的车体材料选择对象。电力机车所追求的轻量化是整体的轻量化，这种轻量化不仅体现在车体方面，同时也体现在其他设施与构建方面。事实上车内设备的轻量化所需要承担的风险要远远小于车体轻量化。然而从车体材料的选择方面来看，轻量化发展并不一定要实现电力机车车体的铝合金化。同时由于我国具有着多样性的自然环境与气候特点，所以电力机车材料的采用应当对这些问题作出综合考虑，而不能出现盲目跟风的问题。

三、新材料在电力机车中的应用

随着电力机车的发展，电力机车车体中使用的新材料呈现出多样化的特点，如新型复合材料、铝合金、不锈钢以及碳钢等。总体而言，铝合金、不锈钢以及碳钢已经在电力机车车体中得到了较多的应用。

(一)碳钢材料在电力机车中的应用。在电力机车车体材料的选择中，钢材凭借自身优秀的加工性能和明显的价格优势而体现出了较强的实用性，由于钢材具有好的防锈性能，所以在最早的电力机车中就使用了普通轧制钢SS400，但是随着轻量化要求和寿命周期要求的提高，高耐候性钢板SPA 逐渐替代了这种被广泛使用的钢材。从当前的电力机车车体材料来看，碳钢依然是电力机车车体中应用广泛且具有成熟技术的材料，虽然铝合金材料和不锈钢材料在电力车体中的应用比例不断提高，但是碳钢凭借自身成本低、造型难度小的优势也依旧在电力机车车体材料选择中占有较大比重，但同时要认识到，较差的耐腐蚀性以及较大的重量使碳钢逐渐体现出了对电力机车车体材料发展趋势不能适应的问题。

(二)铝合金材料在电力机车中的应用。在电力机车车体的材料应用中，铝合金无论是在比重还是弹性模量方面全部只达到钢的三分之一。因此，在同等强度下，与钢制电力机车车体相比，铝合金电力机车车体的重量能够降低50%，同时由于铝合金在耐腐蚀方面具有着良好的表现，所以在电力机车车体中应用铝合金能够有效延长电力机车的寿命周期。由于铝合金材料在电力机车材料选择中具有着明显优势，许多国家都对铝合金车体电力机车作出了研发与伸长。如早在1896年，法国就将铝合金这种材料应用到车窗设计中，英国则在1905年将铝合金使用到外墙板中，虽然我国一直到1989年才生产了第一辆铝合金材料电力机车，但是较晚的起步却没有影响我国在这一领域的高速发展。当前，许多轨道客车与地铁车辆都对铝合金材料进行了广泛的使用。当然，在此过程中，我国铝合金材料车体的发展也面临着一些亟待解决的问题，如铝合金材料在车体中的应用技术对原材料工业具有着很强的依靠性，同时机车用铝合金材料产业发展也滞后于国外发达国家。因此，虽然我国在铝合金车体制造技术方面获得了较快的发展，但无论是尺寸公差还是铝合金本身的材料质量都并不能够完全满足电力机车焊接装配需求。

(三)不锈钢材料在电力机车车体中的应用。在电力机车车体材料应用中，不锈钢具有着良好的质感、耐腐蚀性和强度，相对于碳钢材料而言，不锈钢材料具有着更长的生命周期、更低的残余应力与更轻的重量，同时具有着更加环保的优势。在二十世纪三十年代，美国所生产的不锈钢铁路客车让不锈钢材料走进电力机车车体材料选择与应用范围。在二十世纪五十年代，各个国家也都对电力机车中的不锈钢材料作出了研究，在不锈钢工艺日益成熟的背景下，不锈钢材料开始普及到各类电力机车车体设计与应用中。同铝合金材料在电力机车车体中的应用一样，我国在电力机车车体材料中的不锈钢应用方面同样起步较晚，但是在21世纪，这种材料在电力机车中的应用得到了迅猛的发展，当前奥氏体系不锈钢中的SUS304 与SUS301L 成为了电力机车中常用的不锈钢材料。其中SUS301L 可以通过轧制来提高抗拉强度与硬度，所以具有着更好的实用性，而SUS304 则受到强度的限制而被应用到强度要求较低的部位。从造价方面来看，不锈钢材料在电力机车车体中的应用虽然具有着更高的造价，但却具有着更低的维修费用;从轻量化角度来看，虽然不锈钢材料的轻量化水平与铝合金材料相比并不具备优势，但相对于碳钢材料而言却具有着更好的表现。

综上所述，电力机车车体材料的选择受到诸多因素的影响，在对电力机车车体材料选择的过程中，需要充分考虑电力机车的运行环境而不能盲目追求轻量化。当前电力机车车体材料主要包括碳钢、不锈钢以及铝合金，三种材料各自具有着突出的优势。因此，在三种材料的应用中，需要对美观性、安全性以及经济性作出综合考虑，同时有必要在同一地区使用同一种电力机车车体材料，从而推动资源的共享、生产和维护的标准化发展。

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