浅析节能视角下高速列车轻量化新材料应用

何九红

（湖南高速铁路职业技术学院 铁道运输学院，湖南 衡阳421001）

随着我国铁路的快速发展，2019年全国铁路营业里程达到13.9万km，其中高速铁路达到3.5万km[1]。随着高速列车运营数量的增加和运行速度的提高，高速列车运营总能耗和单耗也有所增加。当前世界各国高速列车主要采用低气动阻力车型、轻量化车体、高效牵引制动系统、低能耗辅助设备和能量综合管理等技术措施来降低列车能耗、提高列车单位能效，高速列车轻量化是设计制造节能型高速列车的重要手段之一[2-3]。

1 高速列车轻量化概述

高速列车轻量化是指在必须保证高速列车安全性和舒适性的前提下，降低高速列车质量以达到提高性能、减少能源消耗的目的。高速列车轻量化主要包括车体结构轻量化、转向架轻量化、车内设备和牵引制动系统的轻量化等。车体和转向架占高速列车自重的40%～70%，因而车体和转向架是轻量化研究的重点，其主要、有效的途径是采用新型轻量化材料设计制造高速列车的车体和转向架。

由于在线路上高速运行，高速列车对轻量化新材料的应用有严格要求，不仅要求新材料轻质，还要求材料的强度、模量、韧性、耐磨、耐疲劳、耐老化等性能满足相应标准，同时这些材料必须易加工生产、安全性能指标高、便于维护保养。在我国下一代高速列车关键技术研究规划中，列车轻量化是一项重要的研究内容[4]。

从国内外铁路高速列车发展看，列车车体所用材料经历了耐候钢、不锈钢、铝合金等阶段。目前高速列车车体主要采用大型中空挤压铝合金型材，如法国TVG系列、德国ICE系列、日本E系列和我国和谐号、复兴号系列高速列车等[5]。国内外高速列车的转向架目前基本采用钢材制造。

2 轻量化新型材料简述

随着材料技术的发展，世界上开发制造出许多先进的轻量化材料，如镁合金材料、碳纤维复合材料等，这些新型材料密度低、刚度强、抗冲击、耐疲劳、耐腐蚀、易加工制造，在航空航天、风力发电、体育器材等领域得到广泛应用。部分材料基本性能对比如表1所示。

表1材料基本性能对比[6-9]

在航空领域，目前已经大量采用了新型轻量化材料(复合材料/钛合金等)，如空中客车公司的A380飞机第一个将复合材料用于中央翼盒，重新启动的A350XWB项目飞机新型材料的用量达到52%[10]；波音公司的787飞机新型材料的用量为50%[10]。

3 轻量化新型材料在高速列车的应用前景

目前英国、意大利、德国、法国、瑞士、日本和中国等国家都在大力开发设计绿色节能高效的新一代高速列车，在保证运营安全的前提下，采用轻量化新型材料进一步降低整车结构质量，进而通过车体加长、加宽、加高(双层)和车辆布置优化等技术措施，提高列车载客能力，降低人均能耗、实现综合节能降耗是新一代高速列车的核心目标之一。因此，新型材料在未来高速列车的发展中具有应用前景。

3.1 镁合金

镁合金是最轻的金属结构材料，是未来具有发展前途的绿色工程材料。我国是世界最大的镁矿资源国，已经探明的储量世界第一[11]。镁合金材料具有以下特点：密度是铝合金的2/3、钢铁的1/4；比强度和比刚度优于钢和铝合金；极好的减震抗噪性能，减震能力是铝的100倍；可回收性好，符合环保要求；极好的机械加工性能，镁压铸件的尺寸精度比铝压铸件高50%，加工能耗降低50%；导热性能好、无磁性，散热快，屏蔽电磁干扰性能高；尺寸稳定性高，耐印痕性好等。

法国TGV Duplex双层高速列车和德国西门子公司ICE高速列车已经开发应用了镁合金材料座椅、框架等部件，法国高速列车的镁合金座椅总数超过了45 000个，每个双人座椅比以前的铝合金双人座椅减轻了6 kg，占总质量的1/5；韩国KTX特快列车座椅使用镁合金板材零件后，每个座椅减轻5 kg，材料成本节省8%～10%；我国也在“复兴号”动车组上成功批量安装和使用镁合金侧墙型材及地板导槽型材等产品，实现了动车组车内件轻量化升级[9]。有研究数据表明，运用镁合金材料来制造高速列车车体，将大大降低其重量，以京沪高速铁路为例，如果未来高速列车采用镁合金来制造整个车体，整体将减重约13%以上，节能平均8%[12]。镁合金作为一种新型的金属结构材料，加工生产技术还不完全成熟，大规模应用于高速列车还需要进一步研究和实际验证，但随着镁合金的开发和应用技术的发展，镁合金在未来将成为高速列车关键的轻量化材料。

3.2 高性能碳纤维复合材料

高性能碳纤维复合材料是目前国际上最先进的复合材料之一。它以轻质高强、耐高温、抗腐蚀、热力学性能优良等特点，被广泛用作结构材料及耐高温抗烧蚀材料，与钢、铝材料相比，碳纤维复合材料具有以下优异性能：密度是铝合金的2/3；强度是钢的5倍、铝的8倍；比强度是钢的25%，铝的50%；耐高温、耐腐蚀、耐疲劳和耐损伤；隔热好、阻抗高，阻燃性好、电磁屏蔽强、抗撞击吸能强。因为性能优异，碳纤维复合材料已被大量应用于高速列车中的车体及非主承力结构件上，如日本N700系高速列车车顶采用碳纤维增强塑料制成，车身气密性好、重心低、每节车厢的重量减少了300～500 kg[5]；法国TVG双层车体采用了碳纤维复合材料车体结构，其双层车体标准模块5 m/节，较铝合金车体减重超过25%，通过线路运行验证了碳纤维复合材料车体在强度、冲击、防火、降噪、隔热等性能方面的优点和工业可行性[7]；日本川崎重工研发成功增强碳纤维复合材料(CFRP)构架和悬挂功能的转向架，与传统的钢制构架相比，重量降低约40%[13]。

我国动车组局部构件等也采用了碳纤维复合材料，隔音性、隔热性及安全性得到很大提高，如车体裙板、顶板、底板、受电弓导流罩、司机室头罩、设备舱等，并且开始了增强碳纤维复合材料转向架、车体的研发。我国复合材料在高速列车领域的应用研究相对较晚，复合材料在我国高速列车的应用目前还不足10%[6]。

综合国内外轨道交通领域碳纤维增强复合材料的应用情况，已经表现出以下特征。一是从车体内部装饰、车内设备等非结构零件向车体、转向架构架等承力构件延伸和扩大；二是从裙板、导流罩等零部件向顶盖、司机室、整车车体等大型结构发展；三是以金属与复合材料混杂结构为主，碳纤维增强复合材料用量比例大幅提高[3,6-7]。我国需要提高具有自主知识产权的基础原材料和复合材料的研发生产能力，加大对高速列车采用高性能碳纤维复合材料的支持，提升我国下一代高速列车采用高性能碳纤维复合材料的整体先进性。

4 结束语

随着我国高速铁路的不断发展,节能成为关注的重点，采用各种新型材料如镁合金、高性能碳纤维复合材料对高速列车进行减重可以降低能耗。未来高速铁路将秉承绿色交通的发展思想，更多地将新型轻量化材料应用于高速列车的设计制造，实现节能降耗和绿色交通的目的。