高铁用关键材料.课件.ppt
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1、燕山大学燕山大学燕山大学燕山大学燕山大学燕山大学宁进良宁进良宁进良宁进良宁进良宁进良材料学材料学材料学材料学材料学材料学 硕研硕研硕研硕研硕研硕研111111班班班班班班 高速铁路是指高速铁路是指通过改造原有线路通过改造原有线路(直线化、轨距标(直线化、轨距标准化),使营运速准化),使营运速率达到每小时率达到每小时200公里以上公里以上 或者专门修建新的或者专门修建新的“高速新线高速新线”,使,使营运速率达到每小营运速率达到每小时时250公里以上的公里以上的铁路系统。铁路系统。 世界第一条高速铁路世界第一条高速铁路日本新干线于日本新干线于19641964年成功运营,最年成功运营,最高时速高时速
2、300300公里公里, ,运营速度运营速度210210公里。公里。 目前已有目前已有1111个国家和地区共个国家和地区共1414,000000余公里高速铁路投入运余公里高速铁路投入运营。营。世界高铁发展状况世界高铁发展状况 我国高速铁路现状我国高速铁路现状 目前,中国大陆投入运营的高速铁路已达目前,中国大陆投入运营的高速铁路已达到到69206920公里我国高速铁路运营里程居世界公里我国高速铁路运营里程居世界第一位,其中:第一位,其中: 新建时速新建时速250250350350公里的高速铁路有公里的高速铁路有40444044营业公里营业公里 既有线提速达到时速既有线提速达到时速200200250
3、250公里的高速公里的高速铁路有铁路有28762876营业公里营业公里 正在建设中的高速铁路有正在建设中的高速铁路有1 1万多公里万多公里 全国铁路每天开行高速列车全国铁路每天开行高速列车10001000列左右,列左右,平均上座率达到平均上座率达到101.7%101.7%。高速铁路为广大。高速铁路为广大旅客创造了美好生活旅客创造了美好生活中国大陆目前已开通的高铁线路中国大陆目前已开通的高铁线路 20082008年年8 8月月1 1日,京津城际高铁通车日,京津城际高铁通车 2009 2009年年4 4月月1 1日,石太客运专线通车日,石太客运专线通车 2009 2009年年9 9月月2828日温
4、福、甬台温铁路通车日温福、甬台温铁路通车 2009 2009年年1212月月2626日,武广高铁建成通车日,武广高铁建成通车 2010 2010年年1 1月月2828日,郑西高铁相继建成通车日,郑西高铁相继建成通车 2010 2010年年4 4月月2626日,福厦高铁通车日,福厦高铁通车 2010 2010 年年5 5月月1 1日,成灌高铁通车日,成灌高铁通车 2010 2010年年7 7月月1 1日,沪宁高铁通车日,沪宁高铁通车 2010 2010年年9 9月月2020日,昌九城际高铁通车日,昌九城际高铁通车 2010 2010年年1010月月2626日,沪杭高铁通车日,沪杭高铁通车时速时速
5、40004000公里,能耗不到航客机公里,能耗不到航客机1/10,1/10,噪音和废气污染及事故噪音和废气污染及事故率接近于零,这是真空管道磁悬浮列车的惊人特点。率接近于零,这是真空管道磁悬浮列车的惊人特点。作为新一代磁悬浮列车,理论最高时速作为新一代磁悬浮列车,理论最高时速2 2万公里真,空管道磁万公里真,空管道磁悬浮列车将把北京与华盛顿纳入两小时交通圈,用数小时完成悬浮列车将把北京与华盛顿纳入两小时交通圈,用数小时完成环球旅行已经成为科学家近期努力的目标。环球旅行已经成为科学家近期努力的目标。中国研发真空管道磁悬浮中国研发真空管道磁悬浮 时速时速40004000公里公里吼一声!吼一声! 车
6、辆(车体、转向架、车辆内装及设备)车辆(车体、转向架、车辆内装及设备) 轮轮- -轨轨 受电弓滑板受电弓滑板 制动摩擦制动摩擦 路基等路基等高速铁路用材料高速铁路用材料高速需要大的动力,导致更大的振动。为高速需要大的动力,导致更大的振动。为满足节能、安全、环保、舒适目标,对于满足节能、安全、环保、舒适目标,对于高速铁路用材料的要求:高速铁路用材料的要求:轻质高强轻质高强隔振减振隔振减振与普通钢相比,不锈钢减重与普通钢相比,不锈钢减重40%40%。不锈钢车体不易解决车体气密性问题,不锈钢车体不易解决车体气密性问题,只用于制造时速只用于制造时速200200公里级的车体。公里级的车体。由于铝合金比强
7、度高,特别是大型空由于铝合金比强度高,特别是大型空心薄壁铝材轧制技术的完善,成为高心薄壁铝材轧制技术的完善,成为高速列车车体最理想的材料。速列车车体最理想的材料。不锈钢和铝合金不锈钢和铝合金车体车体高铁轻量化材料高铁轻量化材料铝合金车体的发展铝合金车体的发展轻量化车体用中空双表面大型铝合金挤压型材轻量化车体用中空双表面大型铝合金挤压型材, ,可大幅度减少可大幅度减少焊接工作量,简化车辆的制造工艺。焊接工作量,简化车辆的制造工艺。日本新干线选用的铝合金大体上有:日本新干线选用的铝合金大体上有:Al-Mg Al-Mg 系合金、系合金、Al-Mg-Al-Mg-Si Si 系合金,系合金,Al-Zn-
8、Mg Al-Zn-Mg 系合金。如系合金。如50835083、7003 7003 等牌号的铝合等牌号的铝合金金。由于车辆轻量化的要求越来越高,由于车辆轻量化的要求越来越高,于是人们把目光注视到复合材料上来。于是人们把目光注视到复合材料上来。复合材料与金属材料力学性能对比复合材料与金属材料力学性能对比意大利意大利ETR500 ETR500 高速列车的车头前突部分采用的是芳纶纤维高速列车的车头前突部分采用的是芳纶纤维增强环氧树脂的增强环氧树脂的FRPFRP,用这种材料模型成型的符合空气动力,用这种材料模型成型的符合空气动力学线型要求的车头,具有优异的抗冲击能力,当列车以学线型要求的车头,具有优异的
9、抗冲击能力,当列车以300 300 km/h km/h 速度行驶时有很好的尺寸稳定性速度行驶时有很好的尺寸稳定性。芳纶纤维增强环氧车头芳纶纤维增强环氧车头玻璃纤维增强聚酯车头玻璃纤维增强聚酯车头复合材料车体的发展复合材料车体的发展复合材料车体的制造工艺是有效的,它比铝制或钢制车体的复合材料车体的制造工艺是有效的,它比铝制或钢制车体的强度大,用碳纤维复材预计可比铝制车的质量减少强度大,用碳纤维复材预计可比铝制车的质量减少25 %25 %;复合材料车体在振动性能、透声性能和绝热性能方面的优点,复合材料车体在振动性能、透声性能和绝热性能方面的优点,提高了车体的舒适性。提高了车体的舒适性。法国国营铁路
10、公司(法国国营铁路公司(SNCFSNCF)认为对于未来的认为对于未来的TGV TGV 高速高速列车,考虑到迫切需要进列车,考虑到迫切需要进一步减轻车体质量,采用一步减轻车体质量,采用碳和玻璃纤维强化环氧树碳和玻璃纤维强化环氧树脂包覆发泡蜂窝材料芯脂包覆发泡蜂窝材料芯, ,制造双层挂车,并进行线制造双层挂车,并进行线路运行试验,对其耐火性、路运行试验,对其耐火性、抗冲击强度等进行运行测抗冲击强度等进行运行测试,结果表明:试,结果表明:法国法国TGV TGV 双层高速列车双层高速列车泡沫铝在车体中的应用泡沫铝在车体中的应用泡沫铝夹心高速列车车门泡沫铝夹心高速列车车门高速列车厢体泡沫铝复合内衬(泡沫
11、铝与聚胺高速列车厢体泡沫铝复合内衬(泡沫铝与聚胺脂泡沫材料复合)脂泡沫材料复合)高速列车车厢泡沫铝夹心地板高速列车车厢泡沫铝夹心地板高速列车噪声设备(如发电机、风机、空压机、高速列车噪声设备(如发电机、风机、空压机、中央空调等)用泡沫铝隔音板中央空调等)用泡沫铝隔音板与使用传统蜂窝铝材料相比,隔音、隔热、隔震性与使用传统蜂窝铝材料相比,隔音、隔热、隔震性能提高数倍,并可降低成本。能提高数倍,并可降低成本。转向架转向架能相对车体回转的一种装置能相对车体回转的一种装置, ,起支承车体、转向和制动的作用,并保证起支承车体、转向和制动的作用,并保证机车车辆在轨道上安全平稳地运行。机车车辆在轨道上安全平
12、稳地运行。提速使机车车辆的转向架振动加剧,疲劳寿命和安全可靠性问题突出。提速使机车车辆的转向架振动加剧,疲劳寿命和安全可靠性问题突出。多次出现电机悬挂的转向架构架端梁断裂和牵引拉杆断裂等十分危险多次出现电机悬挂的转向架构架端梁断裂和牵引拉杆断裂等十分危险的事故的事故 转向架的构架转向架的构架是特别重要的高强度部件,关系到整个车辆安全性。转是特别重要的高强度部件,关系到整个车辆安全性。转向架必须满足安全、运行舒适度以及耐磨损、易检修等要求。向架必须满足安全、运行舒适度以及耐磨损、易检修等要求。多采用优质碳素钢、低合金低碳高强度钢、耐候钢制造的构架。近来多采用优质碳素钢、低合金低碳高强度钢、耐候钢
13、制造的构架。近来研究热点为高分子复合材料和铝合金制造的构架。研究热点为高分子复合材料和铝合金制造的构架。德国开发了世界上第一个纤德国开发了世界上第一个纤维复合材料的转向架构架,并维复合材料的转向架构架,并过了静态模拟实验、耐久试验、过了静态模拟实验、耐久试验、运行试验,运营了运行试验,运营了100100多万多万kmkm后检测未现任何损坏、磨损或后检测未现任何损坏、磨损或撕裂。撕裂。车辆内装及设备车辆内装及设备车辆内装及设备主要有装饰板、厕所、盟洗室、座车辆内装及设备主要有装饰板、厕所、盟洗室、座椅及水箱等椅及水箱等, , 应以铝合金和高分子材料为主应以铝合金和高分子材料为主, , 如装如装饰板
14、采用铝合金上叠合一层不燃性的纤维增强塑料饰板采用铝合金上叠合一层不燃性的纤维增强塑料, , 厕所、盟洗室、座椅及水箱还要考虑到卫生和耐腐厕所、盟洗室、座椅及水箱还要考虑到卫生和耐腐蚀性蚀性, , 也以不燃性的为佳也以不燃性的为佳轮轮- - 轨材料轨材料轮轮& &轴轴当列车的时速达到当列车的时速达到300300公里时,高速列车车轮的杂质含量必须公里时,高速列车车轮的杂质含量必须严格控制。在钢铁冶炼的时候,就必须要求车轮钢杂质含量严格控制。在钢铁冶炼的时候,就必须要求车轮钢杂质含量极低且分布均匀。由于车轮不过关,曾经导致德国高速列车极低且分布均匀。由于车轮不过关,曾经导致德国高速列车脱轨,人员伤亡
15、。车轴是空心轴,列车所有的重量都压在车脱轨,人员伤亡。车轴是空心轴,列车所有的重量都压在车轴上,技术虽然不是特别尖端,但批量生产的时候单件产品轴上,技术虽然不是特别尖端,但批量生产的时候单件产品质量控制必须非常严格。质量控制必须非常严格。钢轨钢轨就线路而言就线路而言, , 高速铁路区别于一般铁路最主要的特点是高速铁路区别于一般铁路最主要的特点是曲率半径大、应变速率高、轴重轻和牵引力大曲率半径大、应变速率高、轴重轻和牵引力大, , 钢轨的钢轨的磨耗较小磨耗较小, , 疲劳损伤相对突出疲劳损伤相对突出, , 因此对钢轨材料的选择因此对钢轨材料的选择要求较高。要求较高。对于钢轨材料而言对于钢轨材料而
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