鋁合金以其密度小、強度高、具有易于加工成型和良好的耐腐蝕性,并因其涂裝性能、容易進行表面防護處理等優異的物理、機械性能和加工性能,已經成為了動車組和鐵路客車最重要的車體制造材料; 廣泛地應用于包括動車組、鐵路客車和地鐵車輛在內的現代軌道交通車輛的鋁合金車體制造,在減輕車體重量、降低能耗方面取得了巨大成效,同時也為簡化制造技術、提高生產效率帶來了巨大效益。
隨著200 km/h以上速度級動車組的推廣應用,以及由機車車輛組成的旅客列車的進一步提速,勢必還會有更多的鋁合金車體應用于動車組和鐵路客車的制造,鋁合金材料的應用也將會有更大的普及。然而,現階段國內對于制造鋁合金車體的鋁合金材料的研究還缺乏科學性、系統性和完整性,還需要進一步開展深入研究;也很有必要運用現代系統工程思路和多任務軟件運行技術,結合運用數據庫技術、專家系統思想、系統理論以及模糊數學等研究成果,開發和建立專門用于軌道交通車輛制造業的鋁合金知識庫。提供一種單入口、多分叉、功能式的材料標準和規范,機械物理性能、加工工藝、熱處理,以及疲勞、損傷、維護、壽命估測計算的數據庫,可為現代軌道交通車輛的設計、制造、檢修維護等提供現代化的、全面的材料知識參考工具。
1 國外鋁合金車輛與鋁合金材料的發展
國外從1952開始制造鋁合金車輛,至20世紀70~80年代,首次將鋁合金車體應用于高速動車組;到了20世紀90年代,鋁合金車體在高速動車組中得到了廣泛應用。日本的300系、500系、700系、E1系、E2系、E3系、E4系等新干線高速動車組,以及德國的ICE1、ICE2、ICE3、ICT(ICE-T)和ICE-TD等高速動車組,意大利的ETR401、ETR450、ETR460、ETR470、ETR480、ETR500等高速動車組和法國TGV雙層高速動車組均采用了鋁合金車體。近年來,鋁合金車體在高速動車組中又進一步得到了應用(見表1)。
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國外針對鋁合金車體制造及所應用的鋁合金材料也進行了全面、深入細致的研究,建立了相關的設計方法、制造工藝方法和手段、檢驗與驗收的方法與規程,形成了相關的標準、規范和技術文件。其中包括通用性技術標準與規范、行業標準與技術規范以及企業技術標準與規范(見表2)。對于制造鋁合金車體型材的使用也趨于穩定和成熟,呈現出了明顯的規律。CRH系列動車組的原型車在某種程度上即可反映出這些規律(見表3)。
其中,如頭車底架前端及底架牽枕緩等承受載荷較大的部位以6082-T6或7N01等牌號的高強度鋁合金型材、板材為主制造,底架邊梁及地板、側墻、車頂、端墻等部位則以6005A、6008、6N01等牌號的型材為主制造。
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國內鋁合金車體與鋁合金材料的發展
國內于“八五”期間開始嘗試設計制造鋁合金車體,并于本世紀初先后制造出了“中華之星”動車組拖車和“長白山號”動車組的鋁合金車體,初步掌握了鋁合金車體的設計制造技術。隨后,又通過批量制造200 km/h以上速度動車組的鋁合金車體,進一步掌握了鋁合金車體制造技術。相應的鋁合金型材與材料技術也取得了長足的進步,逐步趨于成熟。但是,鋁合金車體及鋁合金材料的設計、制造標準仍然以參照國外標準為主,尚未形成自己的標準。
3 當前國內鋁合金車體和鋁合金材料技術發展面臨的問題
早在“八五”期間,我國就開始研制鋁合金車體,比起日本和歐洲的發達國家在現代鐵道車輛制造業中批量推廣應用鋁合金車體和鋁合金材料技術的時間相差得并不是很多,但從鋁合金整體現狀來看,面臨著許多問題:
(1)由于我國鋁合金產業本身發展的不平衡,面向交通運輸領域的材料研發遠遠落后于工業發達國家,相關的材料標準老化,品種稀少,加工工藝標準也較混亂。
(2)由于我國早期的鋁合金車體技術開發主要是以分散的企業行為為主,而單獨的企業又難以牽動全行業和鋁合金材料制造業的整體力量,只能采取以借鑒國外成熟經驗和技術為主的方式開發鋁合金車體,以便在資金不足的條件下,在較短的周期內開發研制鋁合金車體。由此,造成了來自不同技術源頭的材料和加工技術標準和規范的多樣化,沒有能夠形成自己獨立、完整的技術體系。
(3)不同技術源頭的標準和規范并存于國內的鋁合金車體與鋁合金材料制造業中,制約了國內鋁合金車體制造和鋁合金材料行業的進步與發展。因為在鋁合金車體設計制造中,常常遇到不同國家的不同標準以及不同合金牌號的狀態(熱處理)、性能指標體系和性能參數、加工規范、焊接規范、后處理等工程信息的交叉、差異和歧義,特別是涉及到焊接結構的選材、處理以及相關工裝設備的配置時,令人難以適應。
4 建立軌道交通行業鋁合金材料知識庫的必要性與可行性
4.1 進一步發展國內鋁合金車體制造技術的需要和重要環節
當前,在國產CRH系列200 km/h以上速度動車組中,除CRH1動車組采用不銹鋼車體之外,CRH2、CRH3、CRH5等高速動車組全部采用鋁合金車體。然而這些鋁合金車體所用的鋁合金型材材料既有參照日本牌號生產的,也有參照歐洲牌號生產的,而且不同系列牌號的鋁合金材料或多或少是有些差異的。如果不盡快統一相關的鋁合金材料牌號與標準,勢必影響國產200 km/h以上速度動車組鋁合金車體制造技術的進一步發展。[pagebreak]
在西方和日本等工業技術發達國家,企業級專業知識庫已經成為繼20世紀70年代企業“數據庫”、80年代“專家系統”以來工程師最得力的電子助手。在一些行業中,知識庫系統可以依據用戶對材料選擇、載荷和壽命要求,自動給出相關的性能參數和制造工藝參考技術規范,大大提高了設計效率和水平;同時,保證了設計、制造、維護、報廢、替換等環節在設計之初就有明確的產品生產過程、成本核算、售后技術服務等全程性、整體性概念,使得質量管理的切實貫徹執行從源頭上得到有力保障。
類似知識庫這樣的當代最先進的高知識含量、高技術水準的工業技術工具,是發達國家工業技術數十年領先新成果、新產品層出不窮的核心秘密之一。因此,在軌道交通裝備制造領域,急需建立一套具有明顯的行業特征的鋁合金材料基本技術參數、使用性能知識庫,以減小和消除選材、設計中的失誤,提高效率,從源頭上提高我國軌道交通運輸裝備制造水平。
4.2 國內鋁合金車體技術的發展目標
國產200 km/h以上速度動車組的下一步發展目標,是要開展自主創新,形成自主知識產權。其中的一個重要目標就是要在鋁合金車體技術方面形成具有我國特色的技術體系和自主知識產權。為此,就必須要結合我國的國情、根據國內動車組制造企業和鋁合金型材與材料生產企業的實際現狀和能力,制定適合我國軌道交通行業的鋁合金車體及鋁合金型材與材料的國家標準、行業標準和企業標準,統一和規范國內相關企業的生產行為,保障國內鋁合金車體技術和鋁合金車輛制造業的可持續發展。
4.3 面臨著國內鋁合金車體技術發展的關鍵時期
許多行業的發展經驗都證明,標準建立的時機非常重要。如果在技術還不夠成熟的時候過早地制定標準,會使已經陳舊了的標準限制產品技術的發展;反之,若標準制定的太晚,也會使技術的發展無章可循,造成產品與技術的互不兼容,同樣會影響技術的發展。當前,國內鋁合金車體技術的發展正處于一個非常特殊的發展時期:國內前期已經在鋁合金車體開發方面開展了大量的工作,打下了一定的基礎,但未能達到建立標準的成熟程度;經過200km/h以上速度動車組的批量生產,國內已經掌握了成熟的鋁合金車體設計制造技術;不同源頭的技術標準已經交織在一起,共同發揮著作用。在這樣一個關鍵的發展時期,最需要及時合理地匯總與整理鋁合金材料專家知識庫,以便推動鋁合金車體及型材材料標準的制定,促進國內鋁合金車體技術的發展,最終形成自主知識產權。
5 鋁合金材料知識庫的主要內容和建立的途徑
5.1 鋁合金材料知識庫的主要內容
鋁合金材料知識庫將包括材料基礎知識部分和專家系統部分。
鋁合金材料基礎知識部分將形成材料化學成分庫、規格(包括板材、棒材、管材和型材)與性能庫、加工工藝庫、附加性能庫(以疲勞、斷裂、腐蝕、磨損方面的數據為主)以及國內外標準和規范庫。專家系統部分將以智能判斷、邏輯檢索、數據排序篩選等數據庫運行為主要內容,其中包括:
(1)按指定模式進行材料、加工工藝、熱處理等數據的對比和選擇;
(2)按確定要求進行材料數據的檢索和排序;
(3)在未指定具體模式的情況下進行模糊(數學)判斷和檢索;
(4)按設計要求提供最佳方案的判斷、篩選和推薦等內容。
最終分別建立起計算機知識庫系統操作系統,以及印刷版和光盤版的知識庫手冊。
5.2 建立鋁合金材料知識庫的主要途徑和方法
(1)匯總、歸納和整理與現有國產鋁合金車輛及鋁合金材料的設計、制造和試驗相關的技術文件、技術標準與規范和材料的基礎數據;
(2)運用數據庫技術、專家系統思想、系統理論,排序、篩選和分類整理鋁合金材料基礎知識庫和專家系統知識庫;
(3)運用模糊數學成果和現代計算機技術進行研發。
6 結語
鋁合金材料作為制造輕量化車體的最重要的結構材料正在得到越來越廣泛的應用,幾乎占據了200 km/h以上速度動車組的全部份額。在工業發達國家,軌道交通的用鋁量占鋁總消費的15%左右。雖然,鋁合金真正推廣應用于軌道交通車輛制造業的時間并不是很長,但卻正在成為繼鋼鐵材料之后軌道交通裝備制造業的最重要的基礎材料。然而,與在軌道交通車輛制造業中應用的鋼鐵材料相比,鋁合金材料的技術資料明顯匱乏,遠不及鋼鐵材料的資料完整,也滯后于鋁合金車體制造技術的迅速發展。及時建立鋁合金材料知識庫,不僅為高速動車組和客車鋁合金車體提供幫助,也有助于推動形成鋁合金車體設計制造技術的知識產權。
參考文獻
[1]戴靜敏,吳興云.車輛用鋁合金的性能及其應用(上)[J].鐵道車輛,1994(9):58.
[2]戴靜敏,吳興云.車輛用鋁合金的性能及其應用(下)[J].鐵道車輛,1994(10):45.
[3]吳禮本.鋁材在車輛制造業中的應用[J].國外鐵道車輛,1999(5):34.
[4]EN755-2-1997鋁和鋁合金-擠壓的棒材、管材和型材-第2部分-機械性能[S].
[5]EN485-2-2004鋁和鋁合金-帶、薄板和板-第2部分-機械性能[S].
隨著200 km/h以上速度級動車組的推廣應用,以及由機車車輛組成的旅客列車的進一步提速,勢必還會有更多的鋁合金車體應用于動車組和鐵路客車的制造,鋁合金材料的應用也將會有更大的普及。然而,現階段國內對于制造鋁合金車體的鋁合金材料的研究還缺乏科學性、系統性和完整性,還需要進一步開展深入研究;也很有必要運用現代系統工程思路和多任務軟件運行技術,結合運用數據庫技術、專家系統思想、系統理論以及模糊數學等研究成果,開發和建立專門用于軌道交通車輛制造業的鋁合金知識庫。提供一種單入口、多分叉、功能式的材料標準和規范,機械物理性能、加工工藝、熱處理,以及疲勞、損傷、維護、壽命估測計算的數據庫,可為現代軌道交通車輛的設計、制造、檢修維護等提供現代化的、全面的材料知識參考工具。
1 國外鋁合金車輛與鋁合金材料的發展
國外從1952開始制造鋁合金車輛,至20世紀70~80年代,首次將鋁合金車體應用于高速動車組;到了20世紀90年代,鋁合金車體在高速動車組中得到了廣泛應用。日本的300系、500系、700系、E1系、E2系、E3系、E4系等新干線高速動車組,以及德國的ICE1、ICE2、ICE3、ICT(ICE-T)和ICE-TD等高速動車組,意大利的ETR401、ETR450、ETR460、ETR470、ETR480、ETR500等高速動車組和法國TGV雙層高速動車組均采用了鋁合金車體。近年來,鋁合金車體在高速動車組中又進一步得到了應用(見表1)。
[pagebreak]國外針對鋁合金車體制造及所應用的鋁合金材料也進行了全面、深入細致的研究,建立了相關的設計方法、制造工藝方法和手段、檢驗與驗收的方法與規程,形成了相關的標準、規范和技術文件。其中包括通用性技術標準與規范、行業標準與技術規范以及企業技術標準與規范(見表2)。對于制造鋁合金車體型材的使用也趨于穩定和成熟,呈現出了明顯的規律。CRH系列動車組的原型車在某種程度上即可反映出這些規律(見表3)。
其中,如頭車底架前端及底架牽枕緩等承受載荷較大的部位以6082-T6或7N01等牌號的高強度鋁合金型材、板材為主制造,底架邊梁及地板、側墻、車頂、端墻等部位則以6005A、6008、6N01等牌號的型材為主制造。
[pagebreak]國內鋁合金車體與鋁合金材料的發展
國內于“八五”期間開始嘗試設計制造鋁合金車體,并于本世紀初先后制造出了“中華之星”動車組拖車和“長白山號”動車組的鋁合金車體,初步掌握了鋁合金車體的設計制造技術。隨后,又通過批量制造200 km/h以上速度動車組的鋁合金車體,進一步掌握了鋁合金車體制造技術。相應的鋁合金型材與材料技術也取得了長足的進步,逐步趨于成熟。但是,鋁合金車體及鋁合金材料的設計、制造標準仍然以參照國外標準為主,尚未形成自己的標準。
3 當前國內鋁合金車體和鋁合金材料技術發展面臨的問題
早在“八五”期間,我國就開始研制鋁合金車體,比起日本和歐洲的發達國家在現代鐵道車輛制造業中批量推廣應用鋁合金車體和鋁合金材料技術的時間相差得并不是很多,但從鋁合金整體現狀來看,面臨著許多問題:
(1)由于我國鋁合金產業本身發展的不平衡,面向交通運輸領域的材料研發遠遠落后于工業發達國家,相關的材料標準老化,品種稀少,加工工藝標準也較混亂。
(2)由于我國早期的鋁合金車體技術開發主要是以分散的企業行為為主,而單獨的企業又難以牽動全行業和鋁合金材料制造業的整體力量,只能采取以借鑒國外成熟經驗和技術為主的方式開發鋁合金車體,以便在資金不足的條件下,在較短的周期內開發研制鋁合金車體。由此,造成了來自不同技術源頭的材料和加工技術標準和規范的多樣化,沒有能夠形成自己獨立、完整的技術體系。
(3)不同技術源頭的標準和規范并存于國內的鋁合金車體與鋁合金材料制造業中,制約了國內鋁合金車體制造和鋁合金材料行業的進步與發展。因為在鋁合金車體設計制造中,常常遇到不同國家的不同標準以及不同合金牌號的狀態(熱處理)、性能指標體系和性能參數、加工規范、焊接規范、后處理等工程信息的交叉、差異和歧義,特別是涉及到焊接結構的選材、處理以及相關工裝設備的配置時,令人難以適應。
4 建立軌道交通行業鋁合金材料知識庫的必要性與可行性
4.1 進一步發展國內鋁合金車體制造技術的需要和重要環節
當前,在國產CRH系列200 km/h以上速度動車組中,除CRH1動車組采用不銹鋼車體之外,CRH2、CRH3、CRH5等高速動車組全部采用鋁合金車體。然而這些鋁合金車體所用的鋁合金型材材料既有參照日本牌號生產的,也有參照歐洲牌號生產的,而且不同系列牌號的鋁合金材料或多或少是有些差異的。如果不盡快統一相關的鋁合金材料牌號與標準,勢必影響國產200 km/h以上速度動車組鋁合金車體制造技術的進一步發展。[pagebreak]
在西方和日本等工業技術發達國家,企業級專業知識庫已經成為繼20世紀70年代企業“數據庫”、80年代“專家系統”以來工程師最得力的電子助手。在一些行業中,知識庫系統可以依據用戶對材料選擇、載荷和壽命要求,自動給出相關的性能參數和制造工藝參考技術規范,大大提高了設計效率和水平;同時,保證了設計、制造、維護、報廢、替換等環節在設計之初就有明確的產品生產過程、成本核算、售后技術服務等全程性、整體性概念,使得質量管理的切實貫徹執行從源頭上得到有力保障。
類似知識庫這樣的當代最先進的高知識含量、高技術水準的工業技術工具,是發達國家工業技術數十年領先新成果、新產品層出不窮的核心秘密之一。因此,在軌道交通裝備制造領域,急需建立一套具有明顯的行業特征的鋁合金材料基本技術參數、使用性能知識庫,以減小和消除選材、設計中的失誤,提高效率,從源頭上提高我國軌道交通運輸裝備制造水平。
4.2 國內鋁合金車體技術的發展目標
國產200 km/h以上速度動車組的下一步發展目標,是要開展自主創新,形成自主知識產權。其中的一個重要目標就是要在鋁合金車體技術方面形成具有我國特色的技術體系和自主知識產權。為此,就必須要結合我國的國情、根據國內動車組制造企業和鋁合金型材與材料生產企業的實際現狀和能力,制定適合我國軌道交通行業的鋁合金車體及鋁合金型材與材料的國家標準、行業標準和企業標準,統一和規范國內相關企業的生產行為,保障國內鋁合金車體技術和鋁合金車輛制造業的可持續發展。
4.3 面臨著國內鋁合金車體技術發展的關鍵時期
許多行業的發展經驗都證明,標準建立的時機非常重要。如果在技術還不夠成熟的時候過早地制定標準,會使已經陳舊了的標準限制產品技術的發展;反之,若標準制定的太晚,也會使技術的發展無章可循,造成產品與技術的互不兼容,同樣會影響技術的發展。當前,國內鋁合金車體技術的發展正處于一個非常特殊的發展時期:國內前期已經在鋁合金車體開發方面開展了大量的工作,打下了一定的基礎,但未能達到建立標準的成熟程度;經過200km/h以上速度動車組的批量生產,國內已經掌握了成熟的鋁合金車體設計制造技術;不同源頭的技術標準已經交織在一起,共同發揮著作用。在這樣一個關鍵的發展時期,最需要及時合理地匯總與整理鋁合金材料專家知識庫,以便推動鋁合金車體及型材材料標準的制定,促進國內鋁合金車體技術的發展,最終形成自主知識產權。
5 鋁合金材料知識庫的主要內容和建立的途徑
5.1 鋁合金材料知識庫的主要內容
鋁合金材料知識庫將包括材料基礎知識部分和專家系統部分。
鋁合金材料基礎知識部分將形成材料化學成分庫、規格(包括板材、棒材、管材和型材)與性能庫、加工工藝庫、附加性能庫(以疲勞、斷裂、腐蝕、磨損方面的數據為主)以及國內外標準和規范庫。專家系統部分將以智能判斷、邏輯檢索、數據排序篩選等數據庫運行為主要內容,其中包括:
(1)按指定模式進行材料、加工工藝、熱處理等數據的對比和選擇;
(2)按確定要求進行材料數據的檢索和排序;
(3)在未指定具體模式的情況下進行模糊(數學)判斷和檢索;
(4)按設計要求提供最佳方案的判斷、篩選和推薦等內容。
最終分別建立起計算機知識庫系統操作系統,以及印刷版和光盤版的知識庫手冊。
5.2 建立鋁合金材料知識庫的主要途徑和方法
(1)匯總、歸納和整理與現有國產鋁合金車輛及鋁合金材料的設計、制造和試驗相關的技術文件、技術標準與規范和材料的基礎數據;
(2)運用數據庫技術、專家系統思想、系統理論,排序、篩選和分類整理鋁合金材料基礎知識庫和專家系統知識庫;
(3)運用模糊數學成果和現代計算機技術進行研發。
6 結語
鋁合金材料作為制造輕量化車體的最重要的結構材料正在得到越來越廣泛的應用,幾乎占據了200 km/h以上速度動車組的全部份額。在工業發達國家,軌道交通的用鋁量占鋁總消費的15%左右。雖然,鋁合金真正推廣應用于軌道交通車輛制造業的時間并不是很長,但卻正在成為繼鋼鐵材料之后軌道交通裝備制造業的最重要的基礎材料。然而,與在軌道交通車輛制造業中應用的鋼鐵材料相比,鋁合金材料的技術資料明顯匱乏,遠不及鋼鐵材料的資料完整,也滯后于鋁合金車體制造技術的迅速發展。及時建立鋁合金材料知識庫,不僅為高速動車組和客車鋁合金車體提供幫助,也有助于推動形成鋁合金車體設計制造技術的知識產權。
參考文獻
[1]戴靜敏,吳興云.車輛用鋁合金的性能及其應用(上)[J].鐵道車輛,1994(9):58.
[2]戴靜敏,吳興云.車輛用鋁合金的性能及其應用(下)[J].鐵道車輛,1994(10):45.
[3]吳禮本.鋁材在車輛制造業中的應用[J].國外鐵道車輛,1999(5):34.
[4]EN755-2-1997鋁和鋁合金-擠壓的棒材、管材和型材-第2部分-機械性能[S].
[5]EN485-2-2004鋁和鋁合金-帶、薄板和板-第2部分-機械性能[S].
