电力机车常用材料低温机械性能分析

电力机车常用材料低温机械性能分析

马赛

呼和浩特铁路集团公司集宁机务段 内蒙古 乌兰察布市 012000

摘要：随着我国科技的发展，电力机车制造业发展迅速。作为电力机车的关键部件，车体材料的选择与电力机车的安全性、生产成本和机车重量等有着重要的关系。当电力机车使用的地域环境温度在-20℃～-40℃间时，机车材料的脆性转变不易发生。但当电力机车使用的地域环境温度低于-20℃时，设计人员将考虑机车材料机械性能的脆性转变问题。本文探讨了电力机车常用材料的低温机械性能。

关键词：电力机车；常用材料；低温机械性能

随着城市化进程的加快，各行各业的发展水平都有所提升。本文首先论述了影响电力机车材料选用的因素，研究了几种电力机车常用材料的低温机械性能，并对结果进行了简要分析，最后介绍了各种材料在电力机车上的应用。最终验证了电力机车常用材料，在低温环境中可能引起的脆性转变问题，影响电力机车运行的安全性。

一、电力机车简介

电力机车又称电力火车，是指从供电网(接触网)或供电轨中获取电能，再通过电动机驱动车辆行驶的火车。电力机车是第二次工业革命的产物，但直到第三次工业革命后才有了超大规模的发展，是现代火车的主力军。电力机车其综合性能比蒸汽机车和内燃机车强，不仅广泛用于干线铁路的运营，而且服务于几乎所有的城市轨道交通中。

二、电力机车材料选择

在选择电力机车车体材料的过程中，不仅要对车体所具有的刚度、强度要求作出充分考虑，同时要对电力机车运行中乘客所具有的舒适性及安全度作出充分考虑，并且由于材料的选择能对电力机车的能耗、载客能力、使用寿命、检修频率等产生直接的影响，所以也会对电力机车所能创造的效益及维护成本产生影响。因此，电力机车车体材料本身的采购价格、运营成本及维护成本也是影响电力机车材料选择的重要因素。综上所述，电力机车材料选择影响因素主要包括电力机车的运行要求与材料经济性两方面。

从电力机车的运行要求方面来看，电力机车工作环境的差异会导致电力机车车体在选择材料方面所作出的决策出现差异。电力机车的运用要求主要适应较为严重的环境污染、较大的空气湿度、较大的坡度、较多的曲线线路、较大的启动加速度与制动加速度、较少的维护量等，这些因素是电力机车材料选择中需重点考虑的因素。从经济性来看，以我国城市轨道车辆的材料选择为例，当前我国城市轨道车辆在材料采购方面采用招投标的方式，其中保险费用、培训费用、运输费用、验收费用等都属于车辆采购费用中的组成内容。从我国各大城市如北京、上海、广州、天津、深圳的采购价格来看，采购价格从低到高为普通钢车辆、不锈钢车辆、铝合金车辆，而这些电力机车的维护费用则和区域物价水平、维修量及机车性能有着很大关系。从使用经验来看，碳钢电力机车车体具有最高的维修费用，其次为铝合金车体与不锈钢车体。

三、电力机车制动盘材料的性能要求

制动盘是制动器的关键部件，对列车的安全行驶起着至关重要的作用。制动盘用于列车相当苛刻怕摩擦制动部件。对制动盘材料的要求有：①要有足够的强度，以承受列车旋转时的离心力及制动时闸片压力。②高而稳定的摩擦系数，以获得良好的制动效果。③较高的耐磨性，以减少盘面和闸片间因强烈摩擦而产生的磨损。④较好的抗热裂性能，使制动盘在激热激冷条件下不产生裂纹。⑤密度小，以降低车辆簧下质量。⑥良好的工艺性能。⑦较低的成本。

四、、电力机车各种常用材料及其试验方法

电力机车上使用了各种类型的金属材料，为了便于分析，本文选用了3种常见的材料，包括黑色金属Q235、16Mn和42CrMo。为了分析上述3种材料的低温力学性能，本研究用冲击试验与低温拉伸试验，试验温度分别设定为：20℃、0℃、-20℃、-40℃及-60℃。在每一温度下，3种材料均进行3次试验，而性能指数取3次试验结果的平均值。根据《金属低温拉伸试验方法》规定规范进行。试验设备使用WJ-10A型机械式万能试验机，而在试验过程中，冷却装置选用的是自制保温筒，以干冰+酒精当做冷却介质，而温度测定用-80℃～40℃低温温度计。根据《金属夏比缺口冲击试验方法》进行材料冲击试验，而冲击试验机的型号为JB-30B，以保温瓶作为冷却装置，同样用干冰+酒精作为冷却介质，仍旧选用-80℃～40℃低温温度计。3种材料低温机械必能试验数据如下:

Q235材料

16Mn材料

42CrMo材料

试验数据分析：通过对以上各种材料机械性能试验数据进行分析，可看出σb和σs随温度的下降而有所升高，这是材料低温硬化的表现，而δ5、Ψ随温度的变化很小，有些材料几乎不随温度的变化而变化。冲击韧性ak值是一个对温度最为敏感的参数，ak值随温度下降而下降，也即是说缺口的敏感性随着温度的降低而提高。因此，ak值是考核材料低温性能的主要指标，从以上各表列数据来看，ak的低温转变点不尽相同。从以往的资料来看，影响冲击值的原因主要是S、P的含量过高。从研究来看，除S、P有影响外，钢中掺入合金元素后其冲击韧性有所改善，使脆性转变温度变低，当然合金钢中以低碳为好，碳当量过高，其低温冲击韧性也会下降。这一点对工程应用比较重要，因此在低温条件下使用材料尽可能选用合金钢。另外，还计算了材料屈强比(σs/σb)的情况，结果表明σs/σb的值不随温度的变化而变化，这是材料的一种记忆本能。

五、新材料在电力机车中的应用

1、铝合金材料在电力机车车体的材料应用中，铝合金无论是在比重还是弹性模量方面全部只达到钢的三分之一。因此，在同等强度下，与钢制电力机车车体相比，铝合金电力机车车体的重量能降低50%，同时由于铝合金在耐腐蚀方面有着良好的表现，所以在电力机车车体中应用铝合金能有效延长电力机车的寿命周期。由于铝合金材料在电力机车材料选择中有着明显优势，许多国家都对铝合金车体电力机车作出了研发与伸长。早在1896年，法国就将铝合金这种材料应用到车窗设计中，英国则在1905年将铝合金使用到外墙板中，虽然我国一直到1989年才生产了第一辆铝合金材料电力机车，但较晚的起步却没有影响我国在这一领域的高速发展。当前，许多轨道客车与地铁车辆都对铝合金材料进行了广泛的使用。当然，在此过程中，我国铝合金材料车体的发展也面临着一些亟待解决的问题，如铝合金材料在车体中的应用技术对原材料工业有着很强的依靠性，同时机车用铝合金材料产业发展也滞后于国外发达国家。因此，虽然我国在铝合金车体制造技术方面获得了较快的发展，但无论是尺寸公差还是铝合金本身的材料质量都并不能完全满足电力机车焊接装配需求。

2、碳钢材料在电力机车车体材料的选择中，钢材凭借自身优秀的加工性能和明显的价格优势而体现出了较强的实用性，由于钢材具有好的防锈性能，所以在最早的电力机车中就使用了普通轧制钢SS400，但随着轻量化要求和寿命周期要求的提高，高耐候性钢板SPA逐渐替代了这种被广泛使用的钢材。从当前的电力机车车体材料来看，碳钢依然是电力机车车体中应用广泛且具有成熟技术的材料，虽然铝合金材料和不锈钢材料在电力车体中的应用比例不断提高，但碳钢凭借自身成本低、造型难度小的优势，依旧在电力机车车体材料选择中占有较大比重，但同时要认识到，较差的耐腐蚀性及较大的重量使碳钢逐渐体现出了对电力机车车体材料发展趋势不能适应的问题。

参考文献：

[1]北京有色冶金设计研究总院.机械设计手册(第1卷)[M].北京:化学工业出版社,2019.

[2]陈国庆.电力机车常用材料低温机械性能分析[J].电力机车与城轨车辆,2015.

[3]梁少波.电力机车常用低温机械性能分析[J].电力机车发展,2015.