【镁峰会】镁合金在轨道交通装备中的应用现状与展望

 2021-03-25 05:01:07 上海有色金属 上海有色金属

在SMM举办的2021中国镁产业链高峰论坛上,中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司材料工艺研发中心副主任夏少华讲解了镁合金在轨道交通装备中的应用现状与展望。

在SMM举办的2021中国镁产业链高峰论坛上,中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司材料工艺研发中心副主任夏少华讲解了镁合金在轨道交通装备中的应用现状与展望。

引言

轻量化是轨道交通装备永恒追求的目标。列车时速200公里时,每牵引一吨大约要消耗电力12千瓦,时速300公里时,每牵引一吨要消耗16-17千瓦。车辆轻量化技术可以有效抑制地基振动的增加,降低噪音,提高运力,降低能耗。

镁合金被誉为“二十一世ji绿色工程材料 ”:

复杂结构整体成形:金属液能流到的地方,便可一次成形,力学性能各向同性,是大型、复杂金属结构件近净成形最佳方法。  

周期短/成本适中:铸造生产周期短,效率高,适应性强,可兼顾单件&批量生产, 材料利用率高,成本适中,机加工余量少。

结构轻量化最佳途径:高性能镁合金+铸造整体成形(兼顾材料减重  +  结构减重)

镁合金在轨道交通装备中应用案例

车体:上世纪60年代德国慕尼黑地铁车辆首次采用铝合金车体。与不锈钢车体相比,耐蚀性更好,能大幅度降低车体自重,提高车辆加速度,降低运营能耗,减轻对线路的磨耗与冲击,减小噪声。

关键零部件:对于车辆轻量化来讲,仅考虑车体显然是不够的,簧下减重意义更大。转向架的质量又主要取决于牵引电机、轮对、构架和制动系统。在高速列车上采用了高强度铝合金如齿轮箱体、枕梁、轴箱前盖、轴箱体、制动盘等。

镁合金已经出现在国外高速列车的很多场合。德国西门子公司的ICE高速列车和法国TGVDuplex双层高铁列车均采用镁合金制作了座椅。其中,法国TGVDuplex列车共制作了4.5万个座椅,并且制作了小桌板、扶手、踏板和座椅的侧面等零部件。相比传统的铝合金座椅,每个双人座椅的质量减小了6kg,占总质量的1/5。

日本新干线N700系类高速列车的座椅和支架、靠背和扶手、地垫、底座等都已经使用镁合金制造。由于镁合金相对铝合金成本相当,列车运行时能耗得到降低,综合来说总体上降低了列车的运行成本。

韩国KTX特快列车座椅在过去使用玻璃钢和铝合金作为材料。在使用了镁合金板材零件后,当个座椅相比之前质量降低了5kg,同时还减少了8%~10%的材料成本。

2019年5月开始试跑的日本新型新干线列车,车体结构首次采用大型阻燃镁合金挤压型材制造。

以京沪高铁的客运专列为例,如果将其车身用镁合金来制造,整体将减重约13%以上,平均节能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,运用镁合金对列车进行减重后,对节能减排意义重大。

我国轨道交通装备的镁合金应用也正在迅速推进。当前镁合金在国内主要应用在空调通风口格栅、车窗防护栏杆、座椅和地板、卧铺床架和支架、行李架边框、内部仪表盘框架等零部件。轨道交通装备上常用的镁合金型号包括AZ31B、AZ61A、AZ91D、ZK60、AM60B等。对镁合金零部件的承载能力需求越来越大,已经开始尝试制造主要承载部件。

2020年中车戚墅堰所与航天八院合作开发稀土镁合金齿轮箱体完成型式实验,单个箱体重量比铝合金降低30公斤。

需要进一步解决的问题

未来会有更多的镁合金零部件应用于轨道车辆吗?

低弹性模量:镁合金弹性模量45-50GPa,铝合金70GPa,可以通过结构设计的方式整体提高构件刚度。

易燃:镁蒸气和空气中的氧气发生反应很容易引发镁的剧烈燃烧。通过添加易形成致密氧化膜的表面活性元素,使镁合金在高温下形成氧化层,阻碍氧气与镁合金熔体进一步反应。

耐蚀性:氧化膜不致密导致耐蚀性相对较差,通过微弧氧化等技术改性镁合金表面,提高硬度与耐蚀性。

成本:同体积下镁合金与铝合金成本相近,但镁合金零部件表面需要二次处理,导致其成本高于铝合金,需要从工艺性角度出发综合控制。

尽快建立铸造镁合金在轨道交通装备零部件领域的相关检测方法、评价标准体系,从国家、行业层面着手推广,加快铸造镁合金在轨道交通行业的应用

未来应用展望

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