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October

2010

國產高速列車車體用鋁合金型材的生產

發布時間:2010-10-12 15:10:181587次

據中國有色網報道:

  

  1 高速列車車體型材現狀及發展潛力

  軌道交通主要包括鐵道客、貨運列車、高速列車、雙層客車、地鐵列車、輕軌列車、磁懸浮列車等。高速列車也就是高速動車組。所謂“動車組”,是指自帶動力,可以兩端駕駛、配備現代化服務設施的旅客列車。在世界上,時速200公里及以上速度等級的動車組就是通常意義上的“高速列車”,是高速鐵路的標志性技術。2004 年,鐵道部與國家發改委制定了《 時速200 公里及以上動車組技術引進與國產化實施方案》 ,中國國產化高速列車制造正式進人實施。

  輕量化是列車實現高速運行的必要條件。在確保車體強度、剛度的前提下減輕車體、車內設備以及走行部分的重量,不僅可以減少原材料的消耗,有利于降低牽引功率,提高列車運行速度,改善列車啟動和制動性能,而且可有效減小輪軌間的動力作用,減小振動和噪聲,增加機車和線路的使用壽命。輕量化技術的主要措施之一是采用鋁合金車體。目前國外鐵路動車和拖車的車體承載結構已經由原來的碳鋼結構經過不銹鋼結構,發展到鋁合金結構時代。而鋁合金結構也由最初的以鋁代鋼的原鋼結構,經過鋁型材結構、鋁蜂窩結構、大型鋁擠壓型材,發展到中空雙表面大型鋁合金擠壓型材。鋁合金具有良好的塑性,擠壓成形容易,可以根據車體結構優化設計的要求,擠出各種復雜形狀的鋁型材,其寬度可達以600mm~800mm,長度可達30m ,特別是大型中空擠壓鋁型材的應用,可大幅度減少焊接工作量,簡化車輛的制造工藝。采用鋁合金制的車體結構較鋼制車體可減重約30 %~40 %,而雙層客車更為顯著,約減重5 噸。日本新干線采用鋁合金制造客車車體結構,選用的鋁合金大體上有:Al-Mg 系合金、Al-Mg-Si 系合金,Al-Zn-Mg 系合金。如日本的東北、上越新干線選用了5083 、7003 等牌號的鋁合金。大型鋁合金擠壓型材應用于國產高速列車車體,實實在在為中國速度的提高助力。

  2 企業簡介

  山東叢林集團有限公司是國家級企業集團,中國工業企業500 強、山東省工業100 強民營企業,國家火炬計劃重點高新技術企業。叢林集團現擁有叢林鋁材、從林機械、中德車體、叢林水泥等18 家下屬企業。2003 年企業被評為山東省工業鋁型材工程技術研究中心,2005 年自主研發生產的擁有完全自主知識產權的世界首臺100MN 臥式正向油壓雙動鋁擠壓機榮獲國家科技進步一等獎,叢林鋁材等5 大核心企業被認定為國家火炬計劃重點高新技術企業和省高新技術企業。2007 年9 月份叢林集團技術開發中心被評為國家級企業技術中心。公司主要骨干企業之一的叢林鋁材,是國內外重要的軌道交通、國防軍工、船舶用工業鋁型材研發生產基地,專業從事工業鋁合金材料的擠壓加工和鋁合金加工材的研究開發,其中尤以開發軌道交通車輛用鋁合金型材為重點,此項目為國家“863 ”計劃中“發展先進輕合金材料加工技術”的重要組成部分。公司依托企業技術開發中心和山東省唯一的工業鋁型材工程技術研究中心的技術優勢,不斷進行自主創新并與日本輕金屬、中國船級社、鐵道部中國鐵道科學院、中南大學、國防科技大學,山東大學、鐵道部南車、北車集團建立了長期的“產、學、研”合作關系,取得了良好的效果,為公司的發展提供了強勁的技術原動力。公司主導產品工業鋁合金型材的市場占有率已達30 %以上。

  3 高速列車車體用鋁型材的生產

  叢林鋁業自2005 年與南車四方車輛股份有限公司合作開發車體鋁型材以來,已經成功的研制出200Km/h CRH2 型高速列車用車體鋁合金型材,并應用于2007 年4 月中國鐵路系統第六次大提速。目前,正在進行300Km/h 高速列車車體型材的研發生產。

  軌道交通用鋁合金特種型材,生產難度大,技術要求高,其不但要求大型(均有10 余米長,甚至30 米)、大斷面、整體、薄壁、扁寬、斷面形狀復雜、壁厚差大,而且對力學性能、焊接性能、抗腐蝕性、尺寸精度和質量要求都特別高,要生產出合格的車輛用鋁合金特種型材,必須有80MN 以上的擠壓機及相關配套設備,以及先進的生產技術和生產管理系統。

  3.1 大型擠壓機及先進的配套設備

  叢林鋁業依靠自主研發制造的世界首臺100MN 臥式正向油壓雙動鋁擠壓機以及引進日本UBE8OMN 臥式正向油壓單動短行程擠壓機進行車體型材的研發、試制并生產。公司擁有的100MN 油壓、雙動鋁合金擠壓機的設備構造與單動擠壓機不同,特別配備了獨立的內置式穿孔系統,與擠壓系統并行工作,能實現穿孔擠壓、隨動針擠壓以及普通的型、棒材單動擠壓。除了大型擠壓機外,輔助設備配備了先進的鑄錠感應加熱爐、自動送錠機構以及自動出料臺、精密在線水、霧、氣淬火設備、牽引機、精密中斷鋸、2000 噸型棒材拉伸矯直機、輥式矯直機、長度30m 以上的人工時效爐等。為提高研發和技術創新能力,開發新產品滿足市場需求,進一步增強企業競爭力,公司不斷加大科技投人,購進了眾多國內、國際先進的實驗檢測設備,包括光電直讀式發射光譜儀DF100,引進美國DV-6光譜儀、GCT 氣相色譜儀;以色列Romiscapel/A13 全自動型材斷面掃描測量系統;瑞士VLP10013 折彎試驗機;臺灣PFUT-2300 超聲波無損探測儀、WES-300 數顯液壓萬能試驗機、Easy Tnack 爐溫儀、VMS-2000 金相圖像分析儀等2 %臺套,其中49 臺套達到國際先進水平。

  利用這些先進的實驗設施和檢測裝備,可以實現產前、產中、產后全流程檢測,實現全面質量控制,確保產品的質量穩定性,為開發、試制和生產高精度、高性能的軌道車體型材及其他領域的大型工業鋁合金型材提供了可靠的保證。

  3.2 采用優良擠壓性能和綜合性能的鋁合金

  交通運輸用大型空心型材鋁合金有5083 、6N01 、6065A、6061、6063、7N01 、7003 、7005 、7020 、7075 等。其中,在車體擠壓型材中6N01 、7N01 合金用途最為廣泛。6N01 合金屬Al-Mg-Si 系合金,具有中等強度,擠壓性、耐腐蝕性及可焊性較好,擠壓型材最小壁厚可達2.5mm。7N01 合金屬Al-Zn-Mg 系中強可焊合金。在日本,鐵道車輛結構材料使用最多的就是該合金,因為其擠壓性能好,能擠壓形狀復雜的薄壁型材,焊接性能好,焊縫質量高,是最理想的中強焊接結構材料,最主要的缺點就是該合金存在應力腐蝕開裂(SCC)現象。7N01 擠壓大型型材主要用于車體的端面梁、車端緩沖器、底座、門檻、側面構件骨架、車架枕梁等,都屬于重要的受力部件。另外,在車輛運行過程中,車體要周期性左右擺動和上下震動,存在腐蝕疲勞和應力腐蝕問題。叢林鋁材生產的型材主要是作為底架的牽引梁,除承受拉應力外,還存在很大的彎曲應力。所以要求型材除具備合格的拉伸性能外,還應具備良好的抗疲勞性能和彎曲性能。公司發揮強大的科研優勢,對這兩種合金進行了技術攻關,掌握了其工藝性能,制定出了合理的生產工藝。

  3.3 大型鋁合金型材擠壓模具的設計和制造

  大型材模具設計與制造技術是車輛用鋁合金大型材生產的關鍵技術。地鐵、高速列車車輛型材的品種多,精度高,要求性能和焊縫質量好,扁寬壁薄且形狀復雜,空腔多且壁厚相差懸殊,這些都給模具設計與制造帶來了極大的困難。擠壓時,極易造成堵模,把模具壓裂或壓斷;成形不好,金屬流動困難,焊合不良,型材產生波浪、扭曲、刀彎等缺陷,嚴重影響產品質量。因此,國內外都把模具的設計和制造作為重大課題來進行攻關。目前,德國、意大利、韓國、日本等國家的大型模具技術在世界上處于比較領先的地位。我國大型特種型材模具技術尚處于起步階段,模具技術的研制開發成功,對地鐵和高速列車的國產化具有重要的意義。

  由于軌道車輛用鋁合金型材大都是空心型材,所以模具常采用平面分流模結構。模具設計的難點有很多,限于篇幅,僅簡單介紹分流孔的設計。分流孔數量一般根據型材的特點、空腔的多少確定。分流孔應盡量開在型材成形困難的部位。分流孔的總體形狀應盡量接近型材的形狀,以利于平衡金屬的流速。設計分流孔的數目不宜過多,孔數太多會增加擠壓力,太少則降低模具的強度。分流孔的大小應盡量相近,要重點考慮兩邊靠近擠壓筒壁的分流孔,靠擠壓筒壁的金屬流動比中間的慢,因此兩邊的分流比大于中間的分流比。在大型擠壓型材的模具設計及制造中,修模是一道重要的工序,必須高度重視。

  3.4 擠壓工藝及后續熱處理工藝

  鋁合金擠壓型材的生產工藝合理與否是保證型材達到力學性能設計指標的關鍵因素,同時也是型材形位偏差的決定性因素。特別是在超長(近30m 長)、寬截面、嚴公差的車體型材中,擠壓工藝的合理性顯得更為重要。為了獲得高的力學性能,必須采用冷卻強度較大,或冷卻強度可調節的在線精密水、霧、氣淬火裝置。當淬火溫度較低或淬火冷卻強度不夠時,型材會淬不上火或者力學性能達不到要求;而當人水溫度過高或淬火冷卻強度過大時,整個型材就會產生嚴重的扭曲或者彎曲變形,以致在以后的拉矯或輥矯時很難矯正過來。因此,在線精密淬火裝置的設計、制造和淬火工藝的控制是十分重要的。對于不同合金、不同形狀、不同壁厚的型材必須嚴格控制鑄錠加熱溫度、擠壓速度、擠壓出口溫度、型材人水溫度、水壓、水量、淬火槽出口溫度等十幾個工藝參數才能達到目的。對此,公司領導及技術人員積極開展試驗,總結規律,設計相應的工具,保證淬火的均勻性,同時對后續的時效工藝進行了總結。

  3.5 型材精整、矯直

  因為大型型材斷面大,即使采用牽引機牽引,其效果也不是很理想。而且擠壓型材在通過模具后,被強制冷卻,在此過程中,由于金屬各部分冷卻不均而產生的收縮,容易產生不均勻變形,導致彎曲、撓度大和走形。為了獲得平直的型材,冷卻后,可以用拉伸矯直。為了獲得均勻的拉伸效果,較好的方法就是使用每次單獨制造的適合于型材形狀的下模、上模專用夾具。但是,對于一些寬幅、薄壁型材來說,即使采用專用的夾具也很難達到要求。所以有必要研究能夠保證整根型材具有均勻凸度的技術。除了靠設計模具來防止型材走形以外,通常經過拉伸矯直的都要再進行輥式矯直。

  4 結論

  1)、無論是從綜合經濟指標還是從技術指標來看,鋁合金都是軌道車輛輕量化、現代化、高速化的最理想的材料,應大力開發并推廣應用。

  2)、鋁合金大型擠壓型材屬高新技術產品,生產技術難度大,質量要求高,批量生產優質的軌道車輛大型材需要解決重型擠壓機、大規格高比壓圓、扁擠壓簡,研制開發高性能鋁合金,研制特種模具、優化擠壓、熱處理與矯直工藝等關健技術間題,這些問題也是實現我國交通運輸現代化和國產化的關鍵所在。

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