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1、摘 要：下个世纪铁路将蓬勃发展，高速铁路和重载运输是发展的特征。表文论述 1与高速铁路及重载运输有关的材料I程技术问题，并探讨 7 21世纪铁路应用高新材料技术的前蒂。关键词：材料I程 高速铁路 重载运输，?： 一一1，c、的进展铁道科学研究院郑中岳冯小慧许国英f、 一一一、高速铁路与材料工程技术在本世纪即将结束之际，以高速铁路周为按心的一场铁路革命正在世界各地兴起。目前，欧洲、日本、北美洲的铁路界已点燃了高速化竞争之火，我国铁路也正在迎接这场挑战。修建时建 250kin的高速铁路是缓和我国铁路运输紧张的必然选择也是我国高新技术发展的必然。高速铁路集中了铁路所用的高新技术，包括先进的材料及其工
2、程技术的新成就。1高速列车结构轻量化材料仅从节约能源和缓和对线路的青害作用考虑必须降低轴重和减少簧下重量以实现结构轻量化。降低袖重，牵涉到车辆的整体，包括降低车体、转向架和车内设备等部件的重量；减少簧下重量主要取决于转向架本身的材剿、工艺选择和结构的优化。我国正在研制的高速动力车， 大轴重为 20t(3)，每轴簧下质量不大于 2t，而高速客车轮对的计算轴重约为 l4t，显然在给定的轴重限制条件从材料工程技术方面支持结构轻量化是必要的。(1)车体轻量化材料。高速列车大量采用轻质的铝合金如 5t383、6N01、7N01等。我国能否试制出全焊接大型挤压铝合金整体结构的车体其关键是能否生产供应同车体
3、一样长的大型、薄壁、宽幅、中空的铝合金型材。加锂的铝合宝，与一般铝合金耜H：，当强度相同时，密度降低10弹性模量提高 10，可超塑性成型，很有发展前途 车体采用镍铬奥氏体不锈钢，其抗冲击性能好，耐热性能好，蜥裂前能吸收大量能量能满足重量轻、使用寿命长、成本较低的要求。不锈钢由于采用先进的冶炼工艺已将 c含量降到很低，在 002一003以下，同时加人01的N，提高了强韧性、抗蚀性等因此，也很有发展前途。(2)转向架轻量化技术。高速动力车选用驱动与制动综合为一体的半体悬式能减少簧下重量和降低转动惯量，这种优化的结构设计必须采用先进的材料工程技术予以保证。驱动制动单元中的双空心轴驱动装置的材科工艺技
4、术问题，主要有以下三个：第一六连杆橡胶关节问题。德国ICE车轮出现过四角、六角、八角形状的多角磨耗。由于橡驶关节在使用中温度的升高和材质的老化，最终导致径向刚度的下降，因而改变结构的固有频率当其与激扰频率接近时出现共振，弓I趣了车轮多角磨耗等严重后果。为此应重视耐温耐老化的橡胶关节元件的研制开发工作 第二，铝合金铸造齿轮箱问题。它是承载式齿轮箱，今后应结合薄壁铸造工艺特点，选用高强度铝合金。34缺谴物责科学管理 1996第 3搠 息 日2期 第 14卷这样，既减轻了重量，又保证了性能的要求。第三，空心荆、防老荆等)结合零部件的需要进行优选，以保证达到设轴与传动盘的焊接问题。它是焊接受剪的环形焊
5、缝，须保计使用要求。证焊接质量以保证空心轴的安全使用。转向架构架轻量(2)制动材料。目前国际上仍公认摩擦制动中的盘形化材料。使用 60kg级高强度钢试制 6ram的薄壁化构架，制动是高速列车的基本铷动方式。重量为 08t。我国正试制的高速动力车构架拟选用目前制动盘一般选用高强度抗热裂的合金锻钢如16Mnq，构架重量不大于 15t，多数梁的板厚 8-10mm。NicrMo合金锻钢或 crM。一v合垒锻钢。近年来，高速机车车辆构架通常采用高强度封闭式箱形焊接结构，高速列车为了提高车速及提高紧急制动时的耐高温极限，为了保证焊接质量主要措施有：采用机器人技术；对悍除研制金属基复合材料外正在研究采用cc
6、复合材料。缝进行重熔处理以提高疲劳强度；加强焊缝探伤检验工它具有高热容量、高比强度、高耐热性和重量轻等优点作。构架选用复合材料可降低自重其中在独立旋转车轮但其摩擦磨损性能有待研究论证。转向架上应用最有前途。当时速300km时，动作用力比钢与合金锻钢制动盘匹配的闸片材料一般选用铜基粉构架减少40。这对减少轮轨磨损和运动噪音等都将产生末冶金材料，其成分配地范围大可选用的范围大，但要非常良好的作用。为了减轻重量，轴箱将采用优质铝合提高耐热性、耐磨性，还得要保证高速时具有高而稳定的金；车轴将采用空心轴，其轴座处将采用表面处理，如喷摩擦系数。钼，以防止微动腐蚀磨损。(3)受流材料。目前，高速铁路研究中开
7、发了铜合金导(3)复合材料。采用玻璃纤维增强的酚醛树脂基复合材线，主要品种有铜银合金导线(015-018Ag)、铜镉料是满足高速列车防火规定的理想材料它遇到火焰只合金导线(0713Cd及铜锡合金导线(03so)等。焦化不燃烧，不仅发烟少而且有毒烟雾达到鼎低限度。它随着车速的提高为了避免行车速度大于导线的波动不仅适合于为了减重而用作车内装饰设备等，而且可在较传播速度而造成离线不能受电的后果，已研制了提高导线高温度下连续使用如适用于餐车等场所。张力和减轻导线重量以提高导线的波动传播速度的新型接夹层结构复合材料即轻质的呈蜂窝状的芯部材料夹触导线即外表为铜，芯部为钢的复合导线。在两张外皮之间，彤成一个
8、轻质高剐度的材料，已广泛应与导线对磨的滑板各国颤向于采用碳滑板。但是高用于高速列车的门板、地板、天花板等。速列车使用的碳滑板，其质量要求更高。既要保持它有良高速列车的流线型车头也有采用夹层结构复合材料好的带电摩擦磨损特性，叉要改善其导电性和增加其强韧的。其外皮和内皮均采用纤维增强的树脂基复合材料芯性。部材料为特制的泡沫塑料。3高速铁路用的钢轨2高速列车功能性材料要重视高速轻载条件下的钢轨表面损伤，由于它的形(1)橡胶材料。橡胶元件已在高速列车上广泛应用于防成原因与发展过程在本质上不同于重载低速条件下这些损振、缓冲、隔音、密封、绝缘及用于弹性偶合件和空气橡伤因而宜采用不同的防止对策。胶簧等方面。
9、目前最引人注目的是在转向架上的应用，除长期以来，欧洲铁路一直开展合金钢轨研究。非热处了上述六连杆橡胶关节外，还有以下两方面的重要应用：理的 crMo合金钢轨除了有较高的循环软化抗力外也第一，为了提高横向运动稳定性和保证良好的曲线通过能有较好的抵抗短波波磨的能力。看来，尺寸精度要求非常力，选用易于控制定位刚度的转臂式轴箱定位是各国发展高的合金钢轨在高速铁路上应用值得研究重视。的方向。因此要根据定位的需要设计转臂的橡胶关节轮轨的接触性能包括抗表面损伤性能和轮轨粘着性其材质的选用值得研究重视 第二，采用牵弓J扦传递牵弓J能，考虑到在高速条件下的粘着力的下降，研究高摩系数力比采用中心销的方式为好但牵弓
10、J扦两端带有两个灵活的固体润滑棒作用于车轮踏面，将高摩擦系数的固体润滑的橡胶弹性万向关节，车体上的销座处采用了大体积的能剂转移到钢轨顶部以改善牯着性能和减轻短波波磨是一个实现球铰功能和承受纵向冲击的橡胶元件，而这个大体积值得重视的研究方向。橡胶元件是具有高度赭后的非线性的部件，其制造难度相为了减少摩擦磨损节约能量高速铁路都采用适合当大，应重视。高速条件下的轮轨润滑技术。由于车速高，车轮转速快橡胶在使用过程中，由于热量的积累和循环负荷的作离心力大，油脂难于附着在轮缘上宜使用装在动力车上用等原因而出现的老化现象仍是当前的突出问题。因此的给油器向钢轨侧面喷油腊。必须针对胶种(天然胶、氧丁胶、丁苯胶、
11、丁腈胶、丙烯酸二、重载运输与材料工程技术酯橡胶、硅橡胶、氟橡胶等)及各种助荆(如硫化剂、增强我国于 1985年在华北地区开行组合式重载列车(重量蛱道铀赍科学管理 1996第 3期 总 82期 第 14卷35为 740Ot，由两列 3700t列车组合)，随后于 1990年在大秦线开始开行万吨级的单元式重载列车，当前正迈向我国铁路重载运输的第三个发展时期在京广、京哈、京沪三大干线开行 5O00t级的整列式重载列车。多年来的重载运输实践表明，与开行重载列车相关的轮轨材料和机车车辆重大部件的寿命及可靠性已成为众所关心的薄弱环节。1重载线路需要优质热处理重型高强度钢轨及先进的轮轨澜滑技术重载运输带来巨大
12、效益，但如仍用强度低的钢轨，其表面损伤严重，将使效益大为减少。重载线路上的钢轨损伤中，轨头表面损伤的比重大，它包括：侧磨：鳞裂剥离掉块：波浪磨耗；压溃。所有这些表面损伤都与塑性变形及其积累有关。既要重视表面损伤但也不能忽视危及安垒的钢轨断裂现象。要重视提高对钢轨的后处理，如焊接和维修保养质量，还要提高冶金质量。它主要包括：减少夹杂物：减少氢含量：表面无脱碳层：钢轨矫直后的残余应力分布合理等等。为了适应重载运输的需要，我国碳素钢轨进行了感应加热的全长淬火1983年以后铁路相继建立了 10条淬火轨生产线，年生产能力选到 10万 t， 已取得了技术经济效益。但为了赶上国际淬火轨的先进水平，应加紧开发
13、控制轧制的余热淬火钢轨，它不仅使钢材纯净，可实现垒断面强韧化残余应力分布合理，而且经济合理，提高了生产率，大大节约了能源。此外，美国与日本联合开发的 DRR 抗损伤钢轨，采用了差别冷却导致硬度的差别(如，轨头踏面中心硬度低于轨距角处的硬度)，有利于轮轨外形合理匹配，延长寿命，值得研究重视。此外还应特别重视钢轨打磨表面技术的研究开发。在重载线路上，轮轨润滑技术的最大经济效益是大量节约能源，同时也能减少轮轨磨损。随着轴重的提高，目前大量采用的机车轮轨润滑器结构，虽已发展到采用计算机辅助的电子控制的润滑系统，仍应继续提高润滑剂的耐久性和严格控制润滑剂不转移到轨顶面。应该特别指出，不论在曲线线路还是在
14、直线线路 在现有的标准的货车转向集条件下，如果有良好的润滑钢轨内侧面，则在线路的任何地点都可 节约能耗和减少钢轨磨损。预计下个世纪轮轨润滑技术的发展方向是控制钢轨内侧面的摩擦，在节约能源和减少磨损的同时，又避免了污染轨顶，并保持了轨顶特定的哮擦系数，使列车运行安垒有效。研究的前景是在钢轨内侧面采用先进的表面涂层技术，例如采用减磨、耐磨的粘贴聚合物薄膜或采用等离子喷涂薄膜技术等。2提高机车车辆主要零部件的可靠性与寿命(1)随着轴重增加，轮轨力也增大，但簧下质量对轮轨力特别是 低频力的影响大。为了显著降低B 低频力，由于材料工艺水平提高，大幅度降低簧下质量是可行的其中包括：采用空心车轴，E型空心轴
15、与实心轴强度相同时可减轻 2025：采用铝合金轴箱，可减轻50以上；采用异型辐板车轮既可增由弹性又减轻了重量。但要显著降低P1高频力还是一个难题因为PI高频力来不及向轨下和车上传递，易导致轮轨损伤。因此，要对重载运输的轮轨材质提出更高要求，以抵抗日益增长的PI高频力的作用。以上是从轮轨垂向作用力方面考虑，但还应从轮轨横向作用力方面考虑，即要把降低轮轨摩擦功作为设计低动力作用的转向架的重要目标。在这里要特别提到有发展前途的径向转向架。如果采用利用轮对之问内剪切莲接的自导向转向架或利用轮对和车体之间剪切联结的迫导向转向架，由于曲线上能使轮对保持在曲线径向甜近，其轮轨摩擦功最小，可显著减步曲线轮轨磨
16、损并能提高横向运动稳定性。加装导向机构其关键技术之一，颓按设计条件制备出高分子聚合物弹性材料。(2)重载列车的纵向冲动大，要研究改进钩缓装置及有关材料工艺，解决转向架各部件容易出现的磨损和裂纹问题，如转向架的座入式下心盘根部裂纹及常孽擦减振器的斜楔与磨耗板这一对干摩擦副的耐磨性。我国开行5O00t级的重载列车，目前以现有结构的车辆为主，如何从材料工艺方面提高合成闸瓦质量及车铸强度和改善缓冲器性能还要做许多工作以便有效抑制重载列车的过大纵向冲动，确保重载列车安垒正点开行。(3)目前我国机车的主要问题是，主要零部件的可靠性低、寿命短，以内燃机车最为突出。但电力机车与内燃机车一样，与国际水平相比都有
17、一定差距。关于零部件的寿命估算，除了继续开展以失效机理为基础的寿命估算(如疲劳失效机理的寿命估算)和以失效模式为基础的寿命估算(如应力一强度失效模式的寿命估算)外，当前要积极开展以可靠性为基础的寿命估算。提高零部件的可靠性，要有合理的设计(包括结构设计和材料工艺设计)是至关重要的。要以与传统设计不同的可靠性理论对薄弱环节的零部件进行可靠性再设计。倒如：内燃机车曲轴采用垒纤维锻合金钢曲轴；连杆宜在结构上选用G型连杆代替 B型连杆，并进行有关选材及工艺改进：活塞宜将曲轴铝活塞改为钢顶铝裙(铁裙)活塞：活塞环、气环采用球墨铸铁油环采用合金铸铁；缸套可采用激光淬火，个别工厂也可用软氮化设备进行化学热处
18、理；增压器由于涡轮进口温度由 650E提高到7【)(】，需选用更好的高温耐热材料；电力机车滑板宜增36蚨童物贵科学蕾理 1996第 3期 总 B2期 第 14卷大采用强韧性好的碳滑板的比重。提高零部件的固有可靠性是必要的，但还应重视提高零部件的使用可靠性。例如：采用第四代润滑油和优质齿轮润滑脂；安装车载及道旁轮轨润滑器；通过润滑油分析进行柴油机故障诊断：加强无损探伤工作，由无损检测技术(NDT)发展到无损评价技术(NDE)。三、新材料新工艺的应用1高速智能列车与智能材料目前，人工智能列车的基础研究工作正在进行。不少专家已认识到高速列车采用的许多先进技术，如采用 GTO 元件或 IGBT元件的变
19、频变压的三相交流驱动技术和为提高曲线通过能力采用的可倾式车体，以及为了解决曲线轮轨磨损与直线高速运行稳定性矛盾而采用的电子轮对可控转向架技术等，这些都必须与大容量、功能齐全的计算机微型化，大功率电子器件的集成化及控制技术的程序化相结合，相应地必须研制采用先进的传感材料计算机内部的信息处理材料和存储材料，以及包括声、光、电、热、摩擦、密封等各种功能材料等。不少专家已注意到可倾式车体系统涉及到复杂而精确的自动控制技术，它所控制的对象是一个庞大的车体，要求没有时滞地响应曲线起点信号和驱动车体倾斜执行过程仅允许 l2s，其采用的电子技术难度大，相应的电子材料技术将过渡到采用第五代电子材料即纳米电子材料
20、，以适应带有智能性的可倾式车体自动控制系统的应用。高速智能列车将促使各方面采用智能材料。这种材料的特点是它的性能和功能可以随空间和环境而变化，它的研究和开发试图将软件功能(传感处理及执行功能)弓入材料不同层次的结构中。这意味着信息科学与材料科学的融合，使材料的发展进入一个新时代，体现了工业材料的真正革命。在电子材料中如何发展智能材料，已开始弓人注意。计算机和通讯系统的故障将产生恶劣后果。其故障的内容往往是系统中一部分元件失效或半导体器件与印刷电路板之间的焊接不良。如使用智能材料，则在失效之前，即使电阻仅有很微小的变化也能事先察觉，进行自我修复或形成补偿电路，从而得到补救。金属材料至今仍被应用在
21、几乎所有领域，包括铁路领域的大部分结构物，今后如果金属结掏材料本身是有自我诊断功能(如埋入一种断裂时能产生声波的物质来检知裂纹)和自我修复功能(如埋入另一种物质，在受裂纹部位应力作用下所产生的相变来抑制和自己修复裂纹或者利用材料中所含的成分自动析出填充间隙来实现自己修复)，即金属材料实现智能化那么在确保结构物的可靠性和使用安全性方面是极其有益的。此外，智能混凝土构件及智能建筑物采用智能水泥、智能玻璃、智能陶瓷、智能壁纸等智能材料也正在开发研究。尽管各种材料智能化的研究工作剐开始，但它们的研制成功将会产生极大的、能左右许多产业发展的波及效果。2超导磁悬浮列车与超导材料超导磁悬浮列车是以磁性排斥力
22、为出发点，采用超导磁体，称为电动力系，它的突出优点是悬浮间隙大，可达到 l00150mm。而以磁性吸弓力为出发点，采用电磁铁的，称为电磁系的常导磁悬浮列车间隙小至 l015ram。悬浮间隙大，不仅使用方便些，而且零部件制造公差可以大一些。但要求更高的磁场强度和轻重量。这只有采用超导磁体才能满足要求。日本超导磁悬浮列车采用了低温超导材料铌钛台金线的超导线圈，其临界温度 R 为 93K，在液氮温度 42K下工作。日本商业运营用的磁悬浮列车的设计参数：时遵 500km，由14节车辆组成，长315m，重270t950个座位悬浮高度 100ram，超导线圈长 22m，宽25m。磁极纵向距离27m，磁动力
23、700kA。每辆车有2个转向架，每个转向架上有4个超导线圈。正当超导磁悬浮技术发展时，1991年 10月 3日发生了 日本 MLU002N 超导磁悬浮车辆在试验时着火烧毁，弓起了各方面对这项新技术的疑虑。现查明，不涉及总体设计和原则性方面的问题，是由于着陆地面的橡胶轮胎质量出现了问题，现已研究改进。今后，如能采用高温超导材料肯定会更进一步促进超导磁悬浮列车的发展。在高温超导材料的研制方面，目前已发现的临界温度超过液氮温X(77K)的物质有铋系(以 BiSrCaCuO为代表)、钇系(以YBaCuO为代表)和铊系(以 T1BaCaCuO为代表)。短期内突破室温区(298 300K)还十分困难，目前
24、公认的高温超导材料还必须解决两个问题：第一，上述的高温超导物质是由氧化物组成的脆性陶瓷，将它制成柔软的可缠绕的线材十分困难。据报导，在生产工艺技术上倾向采用 “混合”技术，例如：用机械台金化方法制备金属芯线，在金属芯线上采用表面成膜技术(如 MOCVD)生产出高 R 的超导薄膜，最后得到具有金属柔环的高临界电流密度 Jc的超导线材。第二，在许多应用领域，包括磁悬浮列车领域不仅要求高的临界温度 Tc，而且要求高的临界电流密度 Jc和高的磁场强度 K 。具体的说，要求在渡氮温区(77K)，在 10T的磁场强度下高温超导体的临界电流密度Jc达到 l驴10Ac 以上。而目前铋系(Bi2Sr2CazCu3OSr)的 100m长线在 77K、零磁场下，J 达到 10000Acm2，这与上述要求仍有差距。人们期待着实用化的高温超导材料的出现，它将是科技领域的极为重大的事件。(收稿日期：19960405)蛱 t 物贺科学- 理 1g日8第 3期 总 82期 第 14馨37