高速列车轻量化技术--毕业论文设计.doc

西安铁路职业技术学院毕业论文高速列车轻量化技术学生姓名： 学 号： 1331874 专业班级： 铁道车辆 1304 指导教师： 摘 要本篇论文着重讨论了高速列车轻量化技术实现意义、价值与可发展方式，对于现在正在处于发展中的中国具有现实意义。在保证高速列车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低高速列车的整体质量，可以提高高速列车的动力，完善、提高性能，减少燃料消耗，降低污染，节省能源。同时，中国虽然地大物博，但能源的使用和产生方式是不够合理的，节省能源对于工业的经济可持续发展具有现实意义。在目前全球节能环保的大背景下，高速列车轻量化已经成为全球铁路制造业的发展趋势。，因此研究这个议题很有意义，跟踪当前高速铁路产品的研发，总结自己的实践经验写了本篇论文，本篇论文努力做到理论性和实用性相结合，根据设计规范要求，计算出数值，然后在实施的过程中逐步实践，经测量结果是满足要求的。轻量化的优势是重量轻了，可以带来更好的操控性，发动机输出的动力能够产生更高的加速度。由于车辆轻，起步时加速性能更好。轻量化是高速列车的技术关键，从某种意义上说，高速列车的轻量化关系着高速列车的研制与发展的成败。目前，多用于高速列车轻量化技术的方式有优化列车存在重量限制的部件、车体材料的轻量化选择以及内装设计的轻量化等关键词：轻量化；性能；节能；材料；内装设计 I目 录摘 要I引 言11 高速列车轻量化技术基本理论21.1 轻量化的意义21.1.1 高速列车轻量化的含义21.1.2 高速列车为什么考虑轻量化技术31.2 高速列车轻量化技术的现状42 高速列车轻量化的必要性与实现后价值52.1 轻量化与非轻量化对比52.1.1 重量过高产生的各种负面影响52.1.2 轻量化对于性能的影响62.2 高速列车车体轻量化原则63 实现高速列车轻量化的方式方法73.1 轻量化车体制造的入手方面73.2 材料与重量限制73.2.1 可采用的轻量化材料和其特点73.2.2 内装设计的优化84 高速列车轻量化技术在我国目前的推行实施情况124.1 铝合金和不锈钢材料使用的情况与收效124.2 轻量化过度的危害135 国内对于高速列车轻量化有哪些设想与发展空间145.1 国外高速列车的轻量化145.1.1 日本高速列车轻量化概况145.1.2 法国高速列车轻量化概况155.2 未来有可能可以投入到高速列车轻量化应用的技术材料15结 论17致 谢18参 考 文 献19I引 言铁路是我国的主要交通干线，规划近期将建成80000km，其中电气化铁路占有20000km，占全国铁路营业总里程的24%，但承担我国铁路运输总量却达到三分之一以上。在四大交通中，飞机造价，运输成本相对铁路较高，运输额度较小，汽车运力不足，轮船还受着天气等自然条件的限制，所以，作为铁道前沿技术的高速列车，也必将是国民经济发展的先行者。轻量化这一概念最先起源于赛车运动，它的优势其实不难理解，重量轻了，可以带来更好的操控性，发动机输出的动力能够产生更高的加速度。由于列车轻，起步时加速性能更好。同时，随着“节能环保”越来越成为了广泛关注的话题，降低制造成本、提高输出功率、降低噪声、提升操控性、可靠性，提高车速、降低能耗、减少废气排放量、也无疑在高速列车发展方面，占据了举足轻重的地位。所以，必须对高速列车轻量化技术给予高度重视，如果不能很好的在高速列车轻量化技术方面保证足够的重视与发展，也就不能保证我国这项技术的进步与推广。希望此次研究能对自己所学知识有更深层的了解。1 高速列车轻量化技术基本理论1.1 轻量化的意义高速列车是在现有的柴油机车、电力机车和铁路的基础上，对动力系统、行走系统、车厢外形和路轨系统等加以改进，并没有改变传统火车和铁路和基本面貌。随着“节能环保”越来越成为了广泛关注的话题，轻量化也广泛应用到高速列车领域。高速列车的能耗主要取决于排量和列车的总质量，在保持列车整体品质、性能和造价不变甚至优化的前提下，降低列车自身重量可以提高输出功率、降低噪声、提升操控性、可靠性，提高车速、降低能耗、提升安全性。1.1.1 高速列车轻量化的含义（1）高速列车高速列车在不同国家不同时代标准不同。 国外高列：欧洲二十世纪中期铁路系统里的高速列车是指最高行车速度每小时不低于200公里的铁路列车，1985年联合国欧洲经济委员会日内瓦协议后是时速不低于250公里的列车。世界上最早的高速列车为日本新干线列车，1964年10月1日开通，最高时速每小时443公里，运营速度可达每小时270公里或300公里。到目前为止，开通高速列车的国家有日、中、法、德、意、英、俄、瑞典等国。其中法国的TGV系列创下钢轮式实验速度之最，2007年其速度曾达到每小时574.8公里。 中国高列：中国CRH系列就是中国铁路高速列车系列，高于快速列车系列，是时速不低于160公里的动车组列车，运行于快速铁路和高速铁路。最早用于2007年中国铁路第六次大提速里的快速铁路，后来也用于高速铁路。错误称呼：高铁列车、高速动车（其实CRH系列还有一般动车组列车即D字头列车）。实际上，高速列车不限于高铁领域，快铁也开；CRH系列有两大级别即D字头列车（一般动车组列车）和G字头列车（高速动车组列车），其中的动车组列车在快速铁路和高速铁路上时速一样，而高速动车组列车在快速铁路上开快铁速度、在高速铁路上开高铁速度。（2）轻量化技术轻量化这一概念最先起源于赛车运动，它的优势其实不难理解，重量轻了，可以带来更好的操控性，发动机输出的动力能够产生更高的加速度。由于车辆轻，起步时加速性能更好。当下，在各大交通领域，轻量化技术都是一门得到高度重视与强力发展的技术门类。（3） 高速列车轻量化技术高速列车轻量化技术是在保持列车整体品质、性能和造价不变甚至优化的前提下，降低列车自身重量可以提高输出功率、降低噪声、提升操控性、可靠性，提高车速、降低能耗、提升安全性的一门先进技术。高速列车轻量化技术的优势是列车重量轻了，可以带来更好的操控性，发动机输出的动力能够产生更高的加速度。由于车辆轻，起步时加速性能更好。轻量化是高速列车的技术关键，从某种意义上说，高速列车的轻量化关系着高速列车的研制与发展的成败。目前，多用于高速列车轻量化技术的方式有优化列车存在重量限制的部件、车体材料的轻量化选择以及内装设计的轻量化等1.1.2 高速列车为什么考虑轻量化技术列车的重量限制主要着眼于轴重、能耗和制动三个方面。首先，轨道的承重是有一定的限制的，因此要规定车辆（包括机车、动车、拖车）的最大轴载荷。我国铁路规定货运机车最大轴重为25T，客运机车为23T，货车为25T，客车为18T。列车速度越高，对轨道的冲击力越大，因此对于大于120km/h的车辆的轴重要随速度级的增加而减少。轴重超过规定的车辆（包括机车、动车、拖车）将不容许上路运行，否则，轻者将使钢轨过度磨耗和损伤，增加线路维修工作量，重者将毁坏线路，酿成重大事故。高速列车的运行速度大于250km/h时对轨道的冲击力较现有列车要大得多，所以我国规定高速列车最大轴重为19.5T，拖车为14.5T。其次，列车的运行靠小号电能（电力机车、动车）、化学能（蒸汽、内燃机车）或其他能量来实现。列车的运行除具备有一定的动能外，还必须要克服包括机械摩擦力和空气摩擦力在内的运行阻力。而高速列车的运行速度大于250km/h时需要的动能是现有列车的四倍多，要克服的阻力是现有列车的十到三十倍。最后，高速列车的巨大动能在制动停车的短时间内如何消散也是一个困难的问题。一般高度列车采用再生制动（能量回馈电网）和盘型制动（机械摩擦发热制动）结合的方式，这样对盘型制动的盘和闸片的能力（热容量、温升等）的要求十分苛刻。从上述三个方面分析，减轻高速列车自重对减少线路损害、减少动力消耗、节约能源以及减少制动系统的负担，具有重大意义。由于高速列车不但轴重要求较常规列车严格，而且其本身还必须承担大功率、满足高要求，因此要求加装常规列车所没有的设备（例如动车的流线型头锥、车辆的设备舱、门窗的气密装置、外风挡、电气自动控制系统等），这样又会带来重量的增加。所以，轻量化是高速列车的技术关键，从某种意义上说，高速列车轻量化技术事关高速列车研制发展的成败。1.2 高速列车轻量化技术的现状在2008年8月份之前，高速铁路对我们而言还只是想象，只能从图片或者视频上羡慕国外高铁列车的飞速快捷。而北京至天津城际铁路的开通，让中国迅速跨进了高铁时代。根据国际铁路联盟（UIC）的定义，时速200400公里/小时的铁路称之为高速铁路。高速铁路的研究，以法日德三国为领军人物，三个国家都是独立研发高铁技术，既有共同点，又有很大区别。日本的高铁是新干线模式，全部修建新线；法国的高铁TGV模式，部分修建新线，部分对既有线提升改造；德国的高铁是ICE模式，大部分提升改造既有铁路，少量修建新线。除了上述三国之外，英国对高铁技术也进行了研发，采用APT模式，不修建新线，全部对既有线路的提升改造，开行摆式列车。而中国的高铁技术是将法日德等国家的先进技术买断之后，重新研发、自主创新，形成了独特的高铁技术，并且后来居上，取得了瞩目的成就。而在更为前沿的轻量化技术方面，自2012年开始，在中国铁路总公司（原铁道部）主导下，集合国内有关企业、高校科研单位等优势力量，遵循安全可靠、简统化、系列化、经济性、节能环保等原则，在方便运用、环保、节能、降低全寿命周期成本、进一步提高安全冗余等方面加大了创新力度，具有创新性、智能化、安全性、人性化、经济性等特点。列车的部分零部件采用先进的碳纤维材质，以达到轻量化、低阻力设计，高效牵引/制动系统，合理的修程修制体系，全寿命周期成本。通过轻量化和平顺化设计有效降低列车运行阻力，从而减少持续运行能量消耗，并且采用现代设计方法和有效手段，优化设计结构，在确保综合性能指标的前提下，降低整车自重，提升整车轻量化水平。最终，在中国铁路总公司组织下，近30家单位参与了研发和生产工作，形成了产学研用紧密结合的协同创新组织构架，并签订保密协议，严格控制相关资料及技术，无锡威盛复合材料公司成功签下动车组碳纤维零部件的研发和生产订单,通过零部件统型设计，实现零部件通用互换，打破动车组零部件的供应垄断，减少备品备件数量，降低动车组购置及检修运用成本。目前，根据中国高铁网的信息表示，我国将在2020年基本形成高速列车轻量化。2 高速列车轻量化的必要性与实现后价值2.1 轻量化与非轻量化对比前瞻产业研究院中国高铁行业深度调研与投资战略规划分析报告前瞻数据显示，未来10年，世界高铁的建设速度将加快，新增里程将达到一万公里，如果按照每公里3亿元的造价计算，海外高铁基建市场的价值约为3万亿元，在全世界范围内，高速铁路正在如火如荼地发展之中。轻量化对于高铁在经济和安全性上的价值，会大大增加我国高铁的竞争力。2.1.1 重量过高产生的各种负面影响对于列车而言，安全性无疑是首先需要考虑的，也是高速列车发展的重中之重。而当我们提到列车安全时，首先会想到的，便是车辆的制动。同时，车辆制动技术或者说列车制动机性能是铁路运输“重载、高速”这一跨越式发展战略目标实现的关键性前提条件之一。设某列车牵引重量W、运行速度v，假设制动过程列车制动力Bk是一不变的量（实际上制动过程Bk是随闸瓦压力和列车运行速度变化的量），制动力Bk使列车产生减速度a，对于列车来说下式是成立的：Bk=(W/G)a制动力Bk在列车运行ds距离作功：Bkds=（W/G）adsBkds=-（W/G）vdv在制动距离s区间求积分，有Bks=(1/2)（W/G）v2随着列车运行速度的提高，机车车辆对制动系统的要求也越来越高。从能量的角度考虑由于列车的动能与其运行速度的平方成正比，列车所具备的制动功率也至少应与其最高速度的平方成正比一从粘着利用与防滑的角度考虑。为了在规定的距离内停车高速列车在制动时必须具有较大的减速度对粘着的利用率也相应较高，而粘着利用率的提高必须有相应的高性能防滑装置来保障列车运行的安全；为了提高乘坐舒适度，对制动力的控制精度必须也有更高的要求。为了保证列车的运行安全，制动距离s规定为一个值，那么通过公式我们不难看出：随着列车速度的不断提高，如果重量不变，那么为了保证制动距离而需要的制动力就会越来越大，同时对于零件的损耗和能源的消耗也会逐步提高。由此可见，高速列车过重会直接影响到行车安全，减轻高速列车重量可以更好地控制列车的加速、减速或停车，避免事故的发生。2.1.2 轻量化对于性能的影响为了提高高速铁路车辆的防腐蚀性能和降低能耗，延长车辆的使用寿命，高速列车车体采用轻量化材料制造及先进的工艺。轻量化车体的重量如果和普通钢制车相同，则车体可以加大，定员也能增加，从而扩大了输送能力。车体轻量化可减少车辆对轨道线路的静、动负荷，使线路的维修周期和钢轨的使用寿命得以延长。而且，减轻车体自重对降低振动噪声也可以收到良好的功效。2.2 高速列车车体轻量化原则首先，车体轻量化设计必须满足技术条件和使用性能的要求。应减少制造和维修的费用，降低生产成本。其次，尽量减少独立部件的数量，使用长尺寸构件。这样可以减少焊缝数量，提高焊接自动化水平，保证焊接质量，提高车体结构的抗疲劳强度。同时，还应采用变截面的方法（改变结构截面形状）提高结构强度。采用最少的材料获得最大的刚度和强度。例如铝合金车体底架采用梴架式结构为典型实例。最后，还应采用比强度的材料作为车体结构的承载构件。在材料的选择上充分考虑其特性，有效地利用材料的强度和刚度保证设计要求。3 实现高速列车轻量化的方式方法高速列车轻量化是个系统工程，它包括设计概念、设计方法、新材料选用、试验等诸多方面并贯彻在总体设计，零部件设计、制造工艺、试验鉴定的研制全过程之中。3.1 轻量化车体制造的入手方面1.改变车辆结构参数采用矮车体（35904000mm）并采用鼓型断面，可以减小车辆自重并可减小气动阻力。为加大车内净高，保证旅客有较高的舒适度，宜采取分体式空调或诱导式空调系统。2. 设立列车计算机控制网络取消以往数量庞大的列车通信（控制）线，设立1对或2对网络线，既可大大减轻列车重量，又可提高通信品质。3. 采用高性能材料如用高强度制造转向架，采用铝合金来制造车体及其他承载部件，采用合成蜂窝材料制造车体内饰构件，采用高性能轻质的隔热材料、送风道以及薄壁不锈钢管、薄壁电缆、合成材料管路等。4. 采用有限元分析等现代方法对车辆及其零部件金星结构设计优化，以最轻的重量取得最大的强度和刚度；采用现代湍流理论对车体外形进行优化，以期取得最小的气动阻力和良好的侧风稳定性等。5. 采用集成化、模块化设计。以最小的体积来实现规定的功能。3.2 材料与重量限制3.2.1 可采用的轻量化材料和其特点高速列车使用的轻量化材料主要有：（1） 铝合金。由于铝合金强度/质量比高（超过3倍），特别是现代大型空心薄壁铝材轧制技术的完善，铝合金成为制造高速列车车体最理想的材料。由大型空心型材组成的车体较钢车体可减少一半的质量。 此外，铝合金也在车内结构件、管线、风道、压力容器、装饰件等方面得到广泛的应用。 近年来，国外有用镁合金、钛合金等航空材料代替铝合金来制造车体骨架的尝试、其质量只有铝合金的66%，减重效果更加明显。（2） 高强度钢（屈服限300MPa级、400MPa级、500MPa级或更高）。主要用于制造转向架部件。我国现在只采用300MPa级的Q345钢和16Mn。（3） 不锈钢。不锈钢的强度范围广（有200MPa级、300MPa级、400MPa级或更高的600MPa级）、装饰性好且不锈蚀。由于不宜解决车体气密性问题，姑不锈钢只用于制造200KM/H速度级列车的车体，比普通碳素钢车体可减重1/3.在高速列车上主要用于制造车内承载件和装饰品。（4）蜂窝材料。蜂窝板材通常由上下面板和蜂窝芯材组成。由于蜂窝芯材密度极小(约只有同厚度材料的110),重量轻、刚度大，而且具有优良的隔音、隔热性能，故在高速列车的内装结构上得到广泛的应用，如用于地板、顶板、间壁、设备舱底板、舱门等。由于用不同材料制造，蜂窝分铝蜂窝、芳沦蜂窝、玻璃钢蜂窝、碳纤维防外窝等。有时面材和芯材也用不同材料，为复合蜂窝，例如，飞机地板就采用单向碳纤维面板、芳沦蜂窝芯的复合蜂窝板，其强度、刚度和抗冲击能力极好。在蜂窝的装饰面可用粘贴、真空吸附等方法覆装饰膜，装饰效果很好。（5) 玻璃钢。玻璃钢有不腐蚀、易成型、重量轻的特点。在高速列车上主要用于制造复杂曲面装饰板。由于高速列车有轻量化要求，通常不采用手糊方式制造，而是通过模压制造，以保证尺寸精度和重量轻。在玻璃钢的装饰面可喷涂或用真空吸附等方法覆装饰膜，装饰效果也很好。高速列车的头锥通常用带骨架玻璃钢，重量轻、易成型、易修复。(6)碳纤维。由于碳纤维织物重量轻，有极高的强度、硬度和特耐高温，是极其重要的航空、航天材料。国外已有用碳纤维制造车体、转向架构架及制动盘和闸片的报道。目前国内也有开始将碳纤维用于列车设备舱底板的尝试。可以预见，碳纤维是一种理想的材料，它必将在高速列车上得到广泛的应用。(7)其他。高速列车轻量化是一个系统工程，除上述外，还要在防寒、油漆、减振、内装等诸多方面选择更为轻型的材料。3.2.2 内装设计的优化1907年在在当今中国高速列车发展的背景下，内饰产品作为列车的一个重要组成部分，不但要满足在列车高速运行中的安全要求，还要最大限度的保证乘客的舒适度。在此前提下，轻量化设计及制造是高速轨道交通发展的重要方向，其必要性在于：轻量化对降低动力耗能成本费用有显著地作用；降低地基震动，提高减震降噪的性能；有利于提高舒适度，提高车辆的行走性能，特别是减轻簧下重量，减少车辆高速运行时轮轨冲击载荷；轻量化能减轻轨道载荷，减小钢轨的磨耗及轨道变形，可显著降低线路建设及铁路维护的费用。复合材料已在航空航天、轨道交通、基础建设中发挥了巨大的作用，除了作为内部设备和装饰材料外，在承载结构上应用也越来越广泛。高速列车内饰结构件应用的是三明冶结构的铝蜂窝、泡沫芯材等芯材。复合材料做成的构件，有重量轻、强度高、刚性大等特点。（1）瓦楞板在高速列车内饰中的应用现阶段在高速列车内饰中大量使用的复合结构为铝蜂窝、PVC塑料泡沫作为芯材复合铝板制作而成，在使用过程中虽然表现出很好的性能，但是和瓦楞板相比无论实在减轻重量，还是在设计、制作等环节都存在许多不足之处。以新一代8编组动车组端部平顶板为例，瓦楞板重量为407 kg列，而铝蜂窝、PVC塑料泡沫作为芯材的复合结构重量为560 kg列。相比之下瓦楞板结构重量减少1 53 kg列，重量减轻了27，可见瓦楞板对于减重方面所作出的贡献是非常巨大的。铝蜂窝、PVC塑料泡沫作为芯材的结构设计者不但需要内饰件的功能和结构，还需要花费大量的时间去考虑内饰件补强预埋、开孔预埋等以保证安装强度。由于大量预埋件的存在，不但增加了内饰件的加工难度，降低了表面质量，也增加了内饰件的重量。而瓦楞板本身具有较好的强度和机械性能，设计者可以将精力更多的集中在产品的使用功能和外观要求上。机械性能对比在制造过程中，铝蜂窝、PVC塑料泡沫芯材复合铝合金面板、背板、预埋件等都需要花费大量的时间，且一旦涂胶开始复合，操作者对于产品外观质量的控制难以进行控制，偶然性因素较多。相比之下，瓦楞板对于内饰件来说已经属于半成品，制造过程中只需要加工产品外形、安装配件。整个过程工序少、省去了复合的时间、产品的尺寸及外观要求能够得到很好保证。为了验证铝蜂窝、PVC塑料泡沫芯材复合铝板是否满足高速列车对内饰件的性能要求，对这三种材料进行了试验测试。数据表明瓦楞板在机械性能方面除拉伸强度低于于PVC塑料泡沫芯材外，抗压强度、弯曲强度、剥离强度均高于铝蜂窝，PVC塑料泡沫芯材复结构。 动力学特性对比对比使用三种材料制成的内饰件模态试验和振动放大系数测试实验的数据，铝蜂窝、PVC塑料泡沫芯、瓦楞板的结构固有频率为：43 Hz、455 HZ和449 HZ，使用同一种传感器实验测得的三种结构在各自固有频率附近的放大系数分别为65、105、l35。通过以上数据可以得出结论：在相同条件下瓦楞板结构振动最小，其次为PVC塑料泡沫芯和铝蜂窝结构。鉴于瓦楞板结构在振动放大系数实验中的优异性能，进一步对瓦楞板结构进行了疲劳强度测试、三点弯曲测试、高低温干湿度实验、振动实验等。疲劳实验方面对实验样件施加l0 HZ，大小为l70N-t-1ON的交变载荷500000次。通过500000次交变载荷测试之后，实验样件没有发生可见的损坏。根据瓦楞板结构本身的特点，分别在纵向和横向两个方向对实验样件进行了三点弯曲实验。测试结果在纵向和横向两个方向的弯曲强度分别达1J346 MPa和l64 MPa。为了验证瓦楞板结构在恶劣环境下的可靠性，对瓦楞板样件进行了高低温干湿度测试，实验结束后瓦楞板没有出现起泡、起皱、变色，发霉等现象。振动实验方面，将样件按实车形式安装在垂直振动台上，设定振动台的振动条件为04 g振动加速度、560 Hz频率范围内以5 Hz频率间隔输入对实验样件进行单频振动实验，每次振动实验时间为10 min 实验结束后样件无可见损坏，样件的附件为发生松动、脱落等。通过以上对比，使用瓦楞板结构制作高速列车内饰件比传统的铝蜂窝、PVC塑料泡沫芯复合结构更容易实现轻量化设计，而且在制作工艺、机械性能方面也有大幅度的提升，能够满足高速列车内饰件的使用要求。 （2）纤维预浸料复合材料在高速列车内饰中的应用纤维预浸复合材料是由基体材料(支撑增强材料，并以剪应力形式将外载传递给增强材料)、夹心材料(结构泡沫、铝蜂窝、聚合物材料等)和纤维增强体(承载作用，主要有碳纤维、芳纶、硼纤维、碳化硅纤维和玻璃纤维)复合而成具有优异性能的新型材料，是迅速发展的一种新型材料。纤维预浸复合材料可以根据需求，通过选择合适的基体夹心材料进行复合，充分发挥复合材料性能优势。纤维预浸复合材料具有单一材料(金属、陶瓷等)难以达到的综合性能，如高比强度、高比刚度、高比模量、结构稳定、抗疲劳、耐腐蚀、结构易设计、低裂纹扩展速率、较好的结构阻尼、隔热、耐磨性、良好的尺寸稳定性、良好的成型工艺等。纤维预浸料复合材料产品制造工艺多数是近终形成型，制造出的产品，不需进行机械加工，成产效率高，制造成本低。目前纤维预浸料复合材料在高速轨道列车的结构中还应用较少，且纤维预浸料及其复合材料主要靠进口。随着国产纤维技术的成熟应用及市场化的发展，必将带动国内纤维复合材料应用的发展。纤维复合材料在高速轨道列车轻量化、降低成本方面的应用也将更为广泛。在国外纤维预浸料复合材料已在轨道交通中广泛应用，随着轨道车辆综合性能的提高，其使用材料也逐渐发生变化。法国国营铁路公司(SNCF)对未来的TVG高速列车，考虑到迫切需要进行进一步减轻车体重量，认为只能采用碳纤维复合材料，并进行了进行线路运营试验，对其防火性能、抗冲击强度等进行测试，证实了碳纤维复合材料车体的制造工艺是有效的，用碳纤维复合材料制成的车体比铝合金重量减少25。同时也证实了碳纤维复合材料车体在振动性能、透声性能和隔热性能方面等也有优势，提高了乘客的舒适度，碳纤维复合材料不可避免的将取代铝合金。随着高速铁路在我国迅速的发展，无论是车辆内饰件还是车体结构的轻量化设计，都提出了更高要求。更多新型的复合材料以其优异的性能，将在高速铁路中有更广阔的应用空间，高速铁路也朝着更安全、更环保、更安全的趋势发展。4 高速列车轻量化技术在我国目前的推行实施情况4.1 铝合金和不锈钢材料使用的情况与收效根据我国铁路规划发展纲要，未来我国铁路发展的方向是大力发展高速交通系统，建设高速铁路客运专线，需配属构造速度160-200km/h或250km/h以上的快速或高速高档客运列车（动车组）。与普通铁路客车相比，快速或高速高档客运列车对车体的轻量化，密封性、抗腐蚀性、美观性提出了很高的要求。国外高速高档客车车体普遍采用不锈钢或铝合金材料，考虑到降低车体自重和保证车体密封性的有效程度，一般不锈钢车体适用于制造160-200km/h的快速客车，而铝合金车体则更适合用于制造200km/h以上的高速高档列车。采用铝合金车体不仅可以大幅减少高速列车的自重，提高高速列车的防腐蚀性，同时也能满足高速列车对密封性，美观性和舒适性的要求。因此铝合金车体将在我国未来铁路高速列车发展中发挥重要作用。目前，我国高速客车铝合金车体的制造尚处于对国外技术的引进、消化和吸收阶段，还没有达到国产化批量生产的阶段。国家发展和改革委员会，铁路总公司对高速高档客车的国产化极为重视，并已利用国债资金，计划对国内几个铁路车辆生产制造基地进行技术改造和产业升级。不锈钢也是当前高速列车车体主导材料之一，为了车体结构轻量化，不锈钢与铝合金已经逐渐取代了耐候钢。以日本为例，日本的不锈钢及铝合金车辆目前均已超过5000辆，分别已经占全部客运的车辆的10%以上。车体用不锈钢材料主要是含碳量为0.1%-0.12%的SUS301，现在则主要用含碳量降至0.01%的SUS300L，以改善耐晶闸腐蚀性及可焊性，为提高强度而添加约1%的氮。虽然材料费略贵，但加工费略为节省，总成本与钢制车相差无几，而通过降低自身重量（比钢制车骨架轻30%-40%）以免维修，总成本与钢制降低了。此外不锈钢车体外表美观，耐蚀性好，无需维修与涂装，而且使用寿命可达30年以上。我国基本已有与国外相应的牌号（见下页表4）可供高速车体使用。4.2 轻量化过度的危害轻量化并不意味着越轻越好，过量的轻量化会带来制造成本的增加、车辆刚度的夏江、车内环境（舒适度降低和噪声的增大）的恶化，并会给制造和维修带来很多困难，甚至会影响列车的运行安全。因此，车体轻量化是有一定的限度的。在车体设计时，必须进行综合分析和评价，以便做出最佳选择。维修成本增加增加维修量过度轻量化的危害 运输费用提高成本增加减少寿命增加初期投资提高材料费用舒适度恶化车体刚度降低舒适度降低车内噪音大隔音性能不好5 国内对于高速列车轻量化有哪些设想与发展空间5.1 国外高速列车的轻量化5.1.1 日本高速列车轻量化概况世界上第一条高速铁路（高铁）就是建于1964年的日本东海道新干线。这显然意味着日本不仅拥有悠久的高铁运营经验，而且在高铁上也拥有最多解决问题的经验，因为日本的高铁客流量远比欧洲其他国家更密集。新干线列车是以小田急电铁自主创新的快速列车组为基础研发的，后者在1957年以108m长的车身、147t的空车重量在1067mm宽的窄轨上创造了145/km世界速度记录。新干线0系列的列车，相比而言较重，平均每辆车56t，25m长。为了避免质量的基本不增加，新干线列车选择了轮距为2.5m、轮径为0.91m的轮对，并且证明了有足够的稳定富余度跑到210km/h。日本国家铁路公司计划对为了每辆列车减少4t，实现15t的最大轴重，但是失败了。这主要是因为牵引设备质量需要足够的富余量，这就意味了16t的轴重能够刚好满足乘客满载。目前，日本正在加紧开发新技术，力争将新干线的最高时速由目前的320公里提高至400公里，日本计划在2020年将最高时速达到400公里的新干线投入商业运营。据日本媒体近日报道，日本旅客铁路（JR东日本）将与大阪大学携手，试制了既保证性能又能减轻车体重量的材料。轻量化车辆建造专有技术的掌握是日本目前最为先进的地方，主要有以下三个因素：（1）道床和基建薄弱；（2）许多私营列车运营商和车辆制造商；（3）对于货运重载列车没有足够多的缓冲强度。第二次世界大战后，大城市和郊区之间的交通需求迅速扩大，而其中大部分需求由JPRs的郊区线负担。因此，轻量化和高性能电动车组在20世纪50年代由JPRs发展了起来，成为新干线基础列车的一个院校，而另一个原型为JNR研发的交流电气化型。一些欧洲列车制造商认为日本的车辆质量小在撞击事故中没有足够的强度，还有一些制造商认为它没有足够的刚性来应对振动。这些过去的批评在许多场合都被证明是错误的，一个典型的案例是2011年7月23日的温州动车事故：轻质铝合金车体的CRH2撞上坚硬的不锈钢车体的CRH1，在这种情况下，毁损比CRH1列车严重的多。后面的批评是一半是对的，一半是错误的，因为这是一个乘坐舒适性和节能性之间的设计平衡问题。CRH2的原型，东部新干线E2列车的轴重不足12吨，是日本权衡的结果，而CRH380A的轴重大体为15吨是中国权衡的结果。5.1.2 法国高速列车轻量化概况TGV，全名为“train grande vitesse”，法国的高速铁路系统。它由阿尔斯通（Alstom）及国营公司SNCF负责开发，营运由SNCF负责。TGV列车往来巴黎邻近及邻国的城市，包括比利时、德国、瑞士等。一些国家的铁路公司从法国购入TGV列车或技术，有荷兰、韩国、西班牙、英国及美国。现在，TGV列车由阿尔斯通负责生产。法国的高速铁路，在其转向架方面，采取了轻量化处理。第一代高速列车TGV-PSE的动力转向架Y230是在法国燃气轮动车组转向架Y226型的基础上发展而来的，并被法国所有的第二代、第三代高速列车用作动力转向架。Y230型转向架为无摇枕式转向架，它最明显的优点是结构简单明快，便于组装和拆卸，可靠地实现了牵引电机体悬和较好的驱动动力学性能，是典型的动力集中式高速列车体悬式动力转向架。Y230型转向架自重7.263t，采取如下措施减轻转向架的重量：（1）采用无摇枕式转向架，取消了摇枕，由螺旋型圆弹簧直接支承车体，为防止车体相对于转向架横移过量，在枕梁中部装有两个刚度递增的横向橡胶止挡；（2）构架由箱型的鱼腹形侧梁和横梁组成，采用H形焊接结构；（3）齿轮箱体采用铝合金铸造。5.2 未来有可能可以投入到高速列车轻量化应用的技术材料我高速列车轻量化新材料的类型主要包括：(1)轻金属合金材料。如铝合金、镁合金等。铝合金由于密度小、比强度高，耐蚀性好，在汽车、列车、船舶、航空、航天等领域得到了广泛的应用。就轻量化而言，铝合金是一种成熟的轻金属材料。国外铝合金车体已经工程化，国内也已应用于高速列车车体顶盖、齿轮箱箱体等许多部件。铝合金的进一步加工材料如泡沫铝、铝蜂窝等在高速列车上也有应用前景。(2)高分子材料。如塑料、橡胶、涂料等。塑料、涂料等高分子材料已广泛应用于车厢内部的各种用品和装饰材料，其轻量化效果十分明显。最新研究进展表明，各种工程塑料也能用来制造车体和许多结构件。特别值得一捉的是橡胶弹性元件在高速列车上的应用。橡胶元件对高速列车的减振降噪作用特别显著，对高速列车的舒适平稳具有无可取代的作用。国外已有在列车上采用弹性车轮的报道。橡胶元件在用于弹簧装置、定位装置时，由于其良好的三维特性和质量小的特点在提高转向架整车性能上体现出越来越明显的优势。我国已越来越重视橡胶元件的生产和运用。株洲时代新材料股份有限公司生产的V型弹簧、天然橡胶球绞、空气弹簧等系列弹性元件，已广泛应用于列车特别是高速列车上，减振降噪效果显著。(3)复合材料。复合材料是以纤维、颗粒等作为增强材料，以聚合物、陶瓷、金属等作为基体复合而成的具有优异性能的新型材料。它具有高比强度、高比模量、耐疲劳、耐腐蚀、隔热、耐磨、低成本、可设计性强等一系列优点，正在成为高速列车轻量化越来越重要的一类材料。过去复合材料主要用于列车内部装备和装饰等非结构件，如地板、墙板、门窗、座椅、车门、卫生间等。现在越来越多地应用于各种结构件，例如，车体和车头前端部采用玻璃钢复合材料、芳纶纤维增强环氧树脂复合材料或碳纤维复合材料蜂窝夹层。转向架构架也采用了碳纤维增强复合材料。除了聚合物基复合材料外，制动盘采用了金属基复合材料、碳碳复合材料或SiC陶瓷增强铝基复合材料，碳滑板采用碳金属纤维及碳一铜复合材料，等等。国内外的研究和应用表明，复合材料是高速列车轻量化最有发展前景的新材料。结 论本论文主要针对高速列车轻量化技术进行论述。高速列车轻量化技术是一门复杂的系统工程。它不仅要求尽量采用轻质材料以减轻列车的自重，还要考虑高速带来的对材料力学性能、减振性能、疲劳寿命、制动性能、安全性能的要求，还要满足不同部件的特殊要求。此外，还要考虑降低寿命期成本并具有合理的检修周期以适应高速列车检修维护体制。由于车体部分和转向架部分占车辆自重的4070，因此车体和转向架的轻量化应作为应用新材料的主要研究开发领域。在上述3类轻量化材料中，根据不同部位的应用要求，可选用不同的材料进行研究开发。但总体来说，复合材料应作为当前研究开发的重点。其中包括用于车体、转向架、车轮等的高性能纤维(如玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、高模量聚乙烯纤维以及它们的混杂纤维)增强树脂基复合材料用于制动盘的金属基复合材料和陶瓷基复合材卡斗用于受电弓滑板的导电性碳 金属复合材料甚至包括应用于减振降噪的粒子增强的橡胶基弹性复合材料，以及铝塑复合板材、木塑复合材料等。此外，各种工程塑料及其复合材料的应用也应予以重视。在我国铁路高速化的进程中，机车车辆制造厂家、材料生产企业应和科研单位、高等院校加强合作，一方面针对现有材料开展广泛的应用研究，另一方面还应积极开展对新材料应用的基础研究和开发，使高速列车轻量化的进程在我国能够得到迅速而稳步的推进。致 谢光阴似箭，日月如梭，转眼之间为期三年的学习生活即将结束，回首这段人生中的珍贵的时光，不仅感慨万千!值此毕业论文完稿之时，谨向教育我、帮助我、支持我和关心我的人致以诚挚的感谢!在过去的三年时间里，学校的各位代课老师以其宽广的胸襟、乐观坚毅的性格、信任坦诚的待人态度，给予了我极大的影响。他们学习上对我严格要求，在学术上对我精心指导，在科研上给我提供优越的环境和条件，在生活上对我无微不至的关怀，这些我都将永远铭记在心。在此还要感谢毕恩兴老师，感谢他对我的毕业论文提出了宝贵的意见和建议，以及在学校期间对我的学习、工作和生活都给予了我极大的支持。同时也感谢和我密切合作的同学，和曾经在各个方面给予过我帮助的伙伴们，在此，我再一次真诚地向帮助过我的老师和同学表示感谢！最后，感谢我的父母，他们在生活上、精神上给予了极大帮助和支持，使我得以圆满完成学业。谨以此文表达我对他们无言的感谢和深深的爱！参 考 文 献1 刘岩.车辆修造工艺与装备.北京：中国铁道出版社，2007.2 王先进.机械制造工艺学.北京：清华大学出版社，1999.3 王信义.机械制造工艺学.北京：北京理工大学出版社，1990.4 林法禹.特种锻压工艺.北京：机械工业出版社，1991.5 刘静安.轻合金挤压工具和模型.北京:冶金工业出版社，1990.6 铁道部车辆局.铁路货车厂修规程.北京：