高鐵復興時代(15):鐵路技術基本認識(黑科技)│脫苦海

 

「黑科技」材料

從一開始製造火車的材料就有兩大類型,其一是機車由於要盛載蒸汽機、引擎以及燃料,所以使用鋼鐵製造;其二是沒有動力的車廂,由於只是載乘客或貨物,往往只是用金屬做車底,其餘部份則用木材製造,柬埔寨甚至有「竹製火車」。

只不過隨著人們對搭乘質素要求日高,加上火車的速度越來越快,木林已經不能提供足夠的保護以及舒適度,所以整列車廂都會用鋼鐵製造。20世紀60年代初,日本率先研製出不銹鋼車輛,但鋼鐵的缺點是密度高令到車廂太重,不利提高速度,而且消耗更多的能量,加上不銹鋼車體不易解決車廂氣密性問題,所以只用於製造普速鐵路系統。

早在20世紀50年代,一些國家就開始採用鋁型材來製造鐵路車輛,鋁的密度小,約為鋼的1/3,表面易氧化形成緻密而穩定的氧化膜,所以耐蝕性好。雖然鋁材價格較高,使車輛製造成本增加,但由於鋁合金使得車輛輕量化,帶來了運能的增加,耗能的減少,維修的費用降低。為解決車廂氣密性,可採用擠壓鋁型材焊接結構;若要進一步減低車廂重量,更可以採用蜂窩狀鋁來製造車廂。主要應用在受力構件、門、窗、管、蓋、殼等材料,以及作為裝飾和絕熱材料。目前中國高鐵列車已大量使用鋁合金材料。

高鐵在時速超過250公里的狀態下運行,對新材料的強度、疲勞性能、輕量化、工藝性等提出了更高的要求。其中一種應用廣泛的是碳纖維,具有重量輕、強度高、耐腐蝕、不同溫差下蠕變小等優異性能。碳纖維相對於鋁合金,可減重40%左右,和塑料差不多,但強度比鋼材要高7倍以上。碳纖維的高強度特性,應用在方向盤,機械強度和抗衝擊性相比普通材料分別提高35%和20%以上。整車強度也比普通材料的車身至少強上20%-30%,同時不懼酸鹼鹽等化學物質的腐蝕,使用壽命長,提高了高鐵的安全性。

另外,基於中國地域上氣候的差距,由冰天​​雪地的東三省,到高溫潮濕的嶺南,甚至沙漠強風的大西北,較大的溫差需要保持零部件零變形。碳纖維由於不是金屬,對於熱脹冷縮的表現更為穩定。在很多交通事故中,車體材質燃燒後形成的濃煙和有害物質往往會導致死亡率上升。新型碳纖維複合材料能達到歐盟EN45545軌道車輛材料防火測試標準,能夠大大減少此類事故的危害性,所以既可以應用於列車內飾、受電弓和設備艙等非承載、次承載部件,也可以應用於車體、轉向架這類主承載部件。

除了碳纖維外,高鐵的高要求間接衍生了不少材料科學上的「黑科技」,其中一大類是「複合材料」。例如纖維增強樹脂基複合材料(Fiber-Reninforced Resin Matrix Composites)因為高比強度(剛度)、耐疲勞、耐蝕、隔熱、阻燃、可設計性強等優點,英國、日本、德國先後在上世紀60年代開始應用於製造鐵道車輛。其他使用複合材料的鐵路部作還有:

轉向架:必須滿足安全、運行舒適度以及耐磨損、易檢修等要求,多采用優質碳素鋼、低合金低碳高強度鋼、耐候鋼製造的構架。

輪軌系統:車輪與鋼軌材料除了要有足夠的強度、韌性、耐磨性外,還必須具有耐擦傷、抗剝離的性能。對於合金鋼軌材料,非熱處理的Cr-Mo,除了有較高的循環軟化抗力外,也有較好的抵抗短波磨損的能力。此外,還從鋼軌鋼的強韌化和純淨化方面進行努力,大力發展全長熱處理鋼軌、稀土鋼軌和降噪降振新鋼軌。

無砟軌道:無砟軌道的鐵軌、軌枕直接鋪在混凝土路上,水泥枕與鐵軌間採取了許多連接穩固的措施。高鐵軌道水泥枕、鐵軌和地基間的連接處均以聚氨酯彈性體填隙、密封,一則使連接穩固,不因受氣候變化而位移;二則可起防震和消除噪音作用。

聚氨酯枕木:為適應高速列車的提速要求,開發聚氨酯枕木以部分取代混凝土枕木是發展的趨勢。聚氨酯枕木具有卓越的耐久性並可降低週期成本。在西歐,該技術已有較成熟的研製和應用經驗;在日本,聚氨酯枕木已在高速列車新幹線軌道上得到應用。

聚氨酯膠黏劑:聚氨酯在車輛上承擔著玻璃粘接、地板粘接、嵌縫填充、密封防水等各種必不可少的作用,主要應用於車窗玻璃的粘接密封及部分填充部位的密封。

聚脲彈性體塗層:高鐵無碴軌道要求防護層不僅具有防水、防滲和抗裂等基本性能,還要能經受火車高速行駛帶來的高速、重載、交變衝擊等作用。聚脲塗層無接縫,粘結力強,真正做到了整體防水,同時還具有優異的耐磨性、抗衝擊、抗開裂、耐紫外光和耐高低溫性能,可滿足高鐵的特殊要求。

受電弓滑板:受電弓滑板是機車供電系統重要集電組件,通常有碳滑板、金屬滑板、浸金屬碳滑板和粉末冶金滑板,各國多采用碳滑板。浸金屬碳滑板既有碳材料的自潤滑性,又具備了金屬材料集電、強度和抗衝擊力高的特點,成為最理想的滑板材料。

新型複合導線:高速鐵路使用的導線主要有銅銀(0.15-0.18% Ag),銅鎘(0. 7-1.3% 
Cd)或銅錫合金(0. 3% Sn)等。隨列車的高速化.研製高線張力和重量輕的新型複合導線(即外表為銅,芯部為鋼)是發展趨勢。

制動摩擦系統:制動盤過去長期使用合金鑄鐵,但高速列車要求選用高強度抗熱裂的合金鍛鋼,如Ni-Cr-Mo或Cr-Mo-V合金鋼,也有研製金屬基複合材料和CC複合材料製動盤。目前常用的摩阻材料可分為含磷鑄鐵、粉末冶金材料和合成材料。

減振、降噪材料:高速帶來的衝擊、振動和噪聲的加劇,採用減振降噪組件,例如勃彈性能、耐疲勞、耐老化性能更優的橡膠組件。橡膠組件已在高速列車上廣泛應用於防振、緩衝、隔音、密封、絕緣,以及彈性偶合件和空氣橡膠簧等方面,尤其是減振降噪作用特別顯著。

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