镁合金在轨道客车上的应用及展望

2017-03-20 12:32:26 作者：本网整理来源：材料十分享至：

    近年来我国轨道交通装备行业发展迅速，轨道客车速度快、能耗低、舒适性设计、环境友好、以人为本的设计特点，具有其他交通方式无法比拟的优势。轻量化设计可以实现轨道客车多方面的优化，是轨道客车关键技术之一。镁合金是目前工程应用中密度最小、比强度最高的结构金属材料，在轨道客车轻量化应用中具有非常好的前景。

    镁合金的开发和应用

    现在广泛应用的镁合金主要可以分为两种，一种是铸造镁合金，另一种是变形镁合金。目前压铸镁合金在工业已经得到广泛应用，镁合金经过变形之后，可以得到更加优秀的综合力学性能，从而满足不同的场合需求，所以发展变形镁合金非常有前景。

    镁合金的特点可满足航空航天等高科技领域对轻质材料降噪、减振、防辐射的要求，同时可大大改善飞行器的气体动力学性能和明显减轻结构重量。目前镁合金在航空工业上应用很广泛，其中包括AZ91、AZ31、ZE41、QE22、WE43等。

    节能与环保的新要求使汽车公司都设法减轻汽车的重量，从而达到降低汽油消耗和温室气体排放量的新标准，镁合金的减重效果可以最大限度满足日益严格的节能的温室气体排放的要求。镁合金具有良好的阻尼系数，减振性能好于铝合金和铸铁。在座椅、方向盘、轮毂上应用可以减少振动，在车门等壳体上应用可以降低噪声，提高汽车的安全性和舒适性。目前，汽车仪表、座椅架、方向操纵系统部件、引擎盖、变速箱、进气歧管、轮毂、发动机和安全部件上都有压铸和变形镁合金产品的应用。

    轨道客车的轻量化设计

    轨道客车轻量化设计主要是通过优化结构、采用新材料来实现，它主要包括列车车体、车内设备、车外吊挂安装设备的轻量化。在考虑减轻列车重量的时候，必须在确保车体强度、刚度、动力学和动应力等满足要求的前提下，尽量实现列车的轻量化。

    按照添加合金元素的不同，目前常用的镁合金可以大致分为Mg-Al系合金、Mg-Mn系合金、Mg-Zn系合金；按成型方法可以大致分为铸造镁合金和变形镁合金，其中应用铸造镁合金中绝大部分是压铸镁合金。工业常用的镁合金包括AZ31B、AZ61A、AZ91D、AM60B等。

    常用变形镁合金和压铸镁合金与铝合金的力学性能相近，非常有潜力在轨道客车替代铝合金，实现轻量化减重的目的。

    现代轨道客车设计必须考虑的几个顶层指标分别是安全性设计、节能环保设计和舒适性设计。镁合金有良好的吸收能量性质，应用在列车座椅上可以在列车出现碰撞事故时使座椅吸收更多的能量，从而保护乘客的安全。比如AM60合金具有突出的吸能性，同时兼有良好的强度和韧性，已经在国外直升飞机座椅上得到应用。镁合金在列车减重节约能源方面优势明显，而同时镁合金具有优良的模压加工性能，可以压铸成为复杂的外形，从而满足座椅的人体工程学和外观美学设计。使用镁合金制作列车座椅上可以把美学、人体工程学、轻量化和成型性这几种设计很好地结合在一起。

    国外轨道客车上已经有许多镁合金应用的报道。法国TGV高速列车已经在TGVDuplex双层高速列车座椅上应用了镁合金件，采用镁合金件的座椅总数量超过了45000个，应用镁合金的部件包括座椅小桌面板、座椅扶手、脚踏板、座椅侧面面板。采用镁合金的座椅重量明显减轻，和原先的铝合金座椅相比每个双人座椅由36kg减轻到30kg。镁合金件所需成本不高，减重之后节约了列车运行成本。TGV列车镁合金在座椅上的应用实现了减重、节约成本和应用功能的良好结合。韩国KTX特快列车在座椅基座上使用了镁合金板材零件，镁合金比之前采用铝合金和玻璃钢每个座椅减重5kg，并且可以节省8%～10%的成本。

    日本新干线列车在轻量化减重技术方面一直处于领先地位。目前日本新干线N700系列高速列车座椅骨架已经采用镁合金，包括座椅扶手、中央支撑架、底垫、底座、扶手座、背靠等。使用效果良好，实现了整车减重目的，提升了动车组的动力性能并减少了能耗。

    轻量化材料中的优势使镁合金在我国轨道客车应用潜力巨大，我国某些研究机构和主机厂也对镁合金在列车上的应用做了许多研究和试验。比如使用AZ91D镁合金替代动车组PA塑料制作小桌支臂减轻列车重量。动车组原始PA塑料小桌支臂强度较低，现车使用中有断裂损坏的风险，使用镁合金制作小桌支臂，不仅强度完全满足使用需求，并且可以明显提升承载能力、断裂伸长率和冲击韧性等性能。首先，经过测试镁合金小桌支臂的抗拉强度和弹性模量完全优于PA塑料小桌支臂，对两种材料的小桌支臂做20kg载荷变形量试验，结果显示镁合金支臂变形量明显小于PA塑料支臂。PA塑料支臂为实心结构，而镁合金支臂结构设计得更薄更合理，所以每个AZ91D镁合金支臂可以比原来实心PA塑料支臂减轻约35%的重量。疲劳强度试验结果显示镁合金小桌支臂完全符合疲劳耐久设计。尽管重量有所减轻，但由于材料性能出众，使用镁合金材料的小桌支臂最大承载能力比以前有明显的提升。综合评价得出，镁合金小桌支臂可以完全满足国内动车组使用需求，使用AZ91D镁合金替代PA塑料制作小桌支臂可以满足动车组的轻量化设计。

    现阶段轨道客车镁合金应用的主要研究目标是在大部分非承载零部件上使用镁合金材料替代铝合金，在使用成熟后再发展到承载零部件的应用。根据镁合金的性能和特点，目前镁合金可以在列车以下结构上进行使用：

    列车内装型材、车窗内框架、小桌板及支臂；

    行李架边框、座椅骨架、卧铺框架、内部仪表盘框架；

    车下裙板、车内间壁面板、车下设备舱底板。

    国内有研究机构已经试制出了镁合金卧铺框架样品和镁合金间壁面板样品，有相关厂家批量生产了在行李架、座椅骨架、小桌板支臂等部位应用的镁合金零件，另有厂家正在试制蜂窝模块并设计过度车钩等。

    有研究数据表明，运用镁相关材料来制造有轨列车车体及内装部件，将大大降低其重量。以京沪高铁的客运专线为例，如果将其车身用镁合金来制造整个车身，整体将减重约13 % 以上，节能平均幅度则是8%。以京沪高铁目前全线运营每天1000多班次的动车组来计算，全部应用镁合金车体，一天仅直达列车即可节约用电126万度、折合减少二氧化碳排放1146吨。由此可见，运用镁合金及复合材料对列车进行减重以后，对于节能减排意义重大。

    随着镁合金开发和应用研究的发展，镁合金的性能会得到不断提升，未来趋势是进一步拓展应用领域，从高速列车上的非承载零部件逐渐发展应用到承载零部件，使镁合金成为高速列车轻量化关键材料。