一、 国内外铁路货车发展情况概述

　　重载和快捷是当今世界铁路货运发展的主要方向。以美国、加拿大、澳大利亚、南非、巴西为代表的国家，幅员辽阔、资源丰富，煤炭和矿石等大宗货物运量较大，主要发展重载运输。其主要特点是货车轴重大、载重高、自重轻，列车编组辆数多、运能大、效率高、成本低，其列车牵引总重一般为1-3万吨，轴重普遍在29吨以上。法国、德国等欧洲国家为代表的国家，国土面积小、运输密度大，主要发展快捷运输，主要特点是货车运行速度高、轴重低、列车编组数量少。

　　近几年来，我国铁路货车通过自主创新、集成创新和引进消化吸收再创新，形成了产、学、研、用相结合的技术开发体系，在客货共线运营、安全可靠性要求高的条件下，实现了速度、密度、重量同步提升，走出了一条独具中国特色的提速、重载并举发展之路，铁路货车在综合技术性能、制造工艺、产品质量、管量水平等方面有了质的飞跃，为国民经济发展做出了重要贡献。

　　我国铁路货物运输采取“速、密、重”协调发展战略，在速度方面，通过技术升级和既有货车提速改造，货车速度标准普遍达到120km/h的世界先进水平;在密度方面，干线列车追踪间隔已达到6-7分钟，居世界先进水平;在重量方面，通过采用机车同步操纵技术，大秦线普遍开行2万吨组合列车、1万吨重载单元列车，主要干线普遍开行5000-6000吨列车，已成为世界上铁路运输效率最高的国家。

　　但与世界铁路运输发达国家相比，我国铁路货车在轴重及车辆轻量化技术方面还有一定差距。从轴重方面来说，我国通用线轴重23吨，专用线轴重25吨，而美国、加拿大、澳大利亚、巴西等国家已大量应用30吨-32.5吨轴重车辆，最大轴重达到40吨。从车辆轻量化方面来说，我国70吨级货车的自重系数为0.34，80吨级专用车自重系数为0.25，而美国很多专用货车的自重系数仅为0.17，澳大利亚40吨轴重矿石车的自重系数更是达到了0.159。

　　这些差距，特别是车辆轻量化技术方面差距的存在，除运用环境、结构等原因外，材料的影响也很重要。毋庸置疑，实现车体的轻量化最直接有效的办法就是减少各部结构所用板材的厚度。但由于车辆设计受到车辆性能、结构强度和检修年限等的限制，板材厚度的选取也是有限度的，因此采用比重小、耐腐蚀性高的铝合金材料就成为解决车体轻量化问题最直接有效的办法。国外铁路货车自重系数之所以较小，很多都是因为采用了铝合金材料而实现的。

　　二、铝合金材料在铁路货车上的应用

　　1、铝合金材料在国外铁路货车上的应用

　　随着铁路货车技术水平的不断发展，为了提高运能，最大可能的降低车辆自重，提高载重，近十几年来美国在铁路货车上大量的采用了铝合金材料，特别是运煤的敞车和漏斗车应用更为普遍。

　　由于铝合金车具有自重轻、载重大、运输能力高，车体耐腐蚀性好、使用寿命长、检修费用低，综合经济效益好等特点，二十世纪九十年代以来，北美铁路铝合金材质的车辆市场需求迅速增长，耐候钢车市场需求急剧降低，目前铝合金车的比重已占到运输散粒货物车辆的80%。

　　澳大利亚早在上世纪70-80年代就开始采用铝合金焊接结构的车辆进行煤炭的运输，运用至今效果良好。目前其在粮食漏斗车等产品上也在广泛应用铝合金材料。

　　2、铝合金材料在国内铁路货车上的应用

　　2003年，为进一步提高我国西煤东运能力，在大秦线C63A、C76型运煤专用敞车基础上，借鉴北美重载技术，齐轨道装备公司成功研制了25吨轴重C80铝合金运煤专用敞车，满足了大秦线开行2万吨重载组合列车的运输需求，开辟了中国铁路重载运输的新纪元，使中国铁路重载运输技术跨入了世界先进行列，为大秦铁路年运量从1亿吨跃升到4亿吨提供了新型运输装备。

　　该车在我国铁路货车上首次采用了铝合金材料，车辆的侧墙、端墙、下侧梁、撑杆、下侧门及浴盆等部位均采用材质为5083-H321的板材和材质为6061-T6的挤压铝型材，大大减轻了车辆自重，载重达到了80吨，较大秦线既有的C63A型运煤敞车提高运能31.1%，具有显著的经济及社会效益。

　　2003-2004年期间，该车共生产5432辆，全部供大秦铁路运输煤炭专用。2011年，神华集团预计采购该型车辆4300辆，用于神华集团运煤专用线路的运输，可极大提高车辆的运输效率。

　　三、铝合金材料在铁路货车上应用的优缺点分析

　　为了提高运能，最大可能的降低车辆自重，提高载重能力，近年来在铁路运输较为发达的国家，铁路货车主要受力部件仍主要以高强度耐候钢为主，而其他部位则较多地采用了铝合金材料。我国铁路货车用车体材料仍以高强度耐候钢为主，2003年以后在部分专用货车上采用了铝合金材料。为使铝合金材料更好地应用于铁路货车产品，必须对其在铁路货车上应用的性能特点进行全面的分析了解。

　　1、铝合金材料在铁路货车上应用具有以下几方面优点：

　　自重轻：铝合金材料的密度约为钢材的1/3,即在强度满足使用要求的前提下，铝合金结构是钢质结构自重的1/3。因此，使用铝合金材料的铁路货车，可大大降低车辆自重，增加载重能力。

　　耐腐蚀性能好：在自然条件下，铝合金表面容易形成一层很薄的氧化铝保护膜，其表面硬度较高、不易破损，在大气中有很好的防腐能力。而当其与煤或其他腐蚀性介质接触时，保护膜很好地保护了铝合金母材本身，保证了材料的使用性能要求。据美国统计，铝合金车体的腐蚀度为耐候钢的1/25，其使用寿命长，可以不涂漆使用。由于铝合金材料具有这样的特点，因此其更多地使用在运煤车辆上，并使车辆的使用寿命大为延长。

　　检修费用低：铝合金材料具有较好的耐腐蚀性能，使铁路货车车体的腐蚀速率大大降低，避免了车体钢结构部分的大量挖补和截换，节省了材料和人工成本的支出，进而降低了检修费用。

　　铝型材易于制造和组装。铝是面心立方结构，具有很高的塑性，易于加工，可制成各种型材、板材。而采用铝合金材质的车辆利用了其型材易于挤压成形的特点，在很多部位，特别是一些结构复杂的连接部位大量地应用了铝合金型材，既满足了结构性能的需要，又提高了车辆制造的工艺性。

　　寿命短期后残值较高。铝合金材料在车辆寿命期内其损耗极少或没有损耗，保持了铝合金材料的完整性，加之铝合金材料可重复利用，因此其具有较高的残值利用率，具有较好的回收利用价值。

　　2、铝合金材料在铁路货车上应用则具有以下几个方面的不足：

　　采购成本高：铝合金材料的价格相对高强度耐候钢的采购成本较高，加之铝合金材质的加工和组装需要专用的设备和技术，使其制造成本也偏高。因此，性能相当的铝合金车较耐候钢车一辆车的采购成本高5-10万元左右。

　　刚度较弱：铝合金材料的弹性模量约为钢材的1/3,所以用于结构上减轻重量时，刚度与之成比例下降，这也是铝合金材料不能用作结构主要承载件的原因，而且铝合金车的整体刚度相比于钢质车较弱。

　　不适于焊接：随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展，对铝合金焊接构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之深入，铝合金的广泛应用也促进了铝合金焊接技术的发展。做为铁路货车用铝合金材料的焊接，虽然工艺已经成熟，但在操作过程中还有两个问题不易解决，一是铝合金焊接后热影响区材料的强度会降低30%左右，二是铝合金焊接变形较大不易控制。因此，铝合金焊接对于焊接人员的操作水平及设备的要求较高，造成成本的增加及效率的降低。所以，目前铝合金材质的铁路货车较少采用焊接结构，多采用铆接结构，与现有的钢车的制造工艺区别较大。

　　与其他金属接触存在电化学腐蚀。由于铝合金材料的电位较低，与其他电位高于它的金属(如钢)接触时，铝合金成为阳极，并在电解质中溶解为金属离子，使得材料快速腐蚀。为防止这种腐蚀的发生，在铝合金材料与钢接触的部位均须贴防电化腐蚀胶带，这种普通热塑树脂的有机膜在铝合金表面和电解质之间形成一层物理性阻挡层，从而起到了防腐的作用。防电化腐蚀胶带的使用，则进一步增加了车辆的制造成本。

　　3、优缺点综合分析比较

　　对比以上优缺点不难发现，铝合金材料应用在铁路货车上最主要的缺点就是车辆初始成本有所增加。但运用经验表明，初始成本增加的费用会因为车辆装载重量的提高和运营费用的节省所带来的经济效益而得到补偿，车辆载重要越大这种效益的增加就越明显，而且，铝合金车辆较钢质车辆的使用寿命长，寿命期后回收利用价值高，因此其所带来的收益更加巨大。

　　四、应用中亟待解决的主要问题

　　1、铝合金材料的强度有待提高

　　目前，国内铁路货车用铝合金材料主要是两种。5083-H321铝合金属于AI-Mg-Si系合金，不能热处理强化，耐蚀性好，冷加工性较好，具有中等强度，特别是具有抗疲劳强度，屈服强度为215Mpa，在铁路货车上主要用于侧板、端板、浴盆板及各连接部位等，非主要结构件;6061-T6铝合金亦属于AI-Mg-Si系合金，可热处理强化，屈服强度为245Mpa，在铁路货车上主要是制成各种形状的挤压型材，部分作为结构件。

　　以上两种材料屈服强度相对较低，在铁路货车上大多作为非结构件使用。随着对铁路货车设计要求的提高，需要铝合金材料也可以承担一定的载荷，起到结构件的作用，因此有必要研究新的高强度的铝合金材料应用到铁路货车上，同时结合车辆设计水平的提高，使铝合金材料具有承受适当载荷的能力。当然，材料强度等级的提高也带来采购成本的提升，因此还需要对新材料的性价比进行深入分析对比，使之既满足结构要求，又可以带来更大的经济效益。

　　2、优化车辆结构，提高整体刚度

　　铝合金材料的弹性模量约为钢材的1/3，对于整体承载结构的车辆，铝合金车较钢质车的整体刚度低30%-50%，已经接近甚至超过刚度评定标准的要求。因此，在设计时须优化车辆结构，合理选取各部位特别是对刚度贡献最大部位的铝型材断面型式，充分发挥车辆的整体承载能力，尽可能提高车辆的整体刚度和抗变形能力，满足车辆的使用性能和运输安全要求。

　　3、合理选择铝合金的制造工艺

　　铝合金车的制造主要采用铆接工艺和焊接工艺，两种工艺各有特点。采用铆接工艺，车辆结构完整，对设备及人员的要求相对较低，但对结构设计高，为满足铆接操作要求，可能导致车辆局部结构复杂，个别部位操作不便;而采用焊接工艺，对设备特别是防止焊接变形的工装、施焊工艺及人员的要求较高，增加了工时和操作难度，成本大幅增加。因此，铝合金车辆采用哪种制造工艺还需要综合分析、合理选择，特别是在设计阶段要充分考虑工艺制造因素，连接简单的部位尽量采用铆接结构，连接复杂的部位在强度允许的条件可考虑焊接结构，降低制造难度，提高可操作性。

　　五、铝合金材料在铁路货车上应用的发展趋势

　　铁路货车作为铁路货物运输的重要装备，如何适应铁路货物运输“重载、快捷、安全”的要求，如何满足国民经济快速、健康持续发展的需要，如何实现货物运输效益的最大化，已经成为铁路货车制造业必须面对和解决的重大课题。同时，为了提高我国铁路货车技术，缩短与世界先进水平的差距，增强国内外市场竞争能力，铁路货车必须加快技术进步的步伐，不断研究和吸收国外的先进技术，完善和提高自身的技术水平，以谋求长远的发展。

　　铝合金材料具有重量轻、耐腐蚀性的显著优势，在实现铁路货车轻量化目标的过程中可以发挥重要作用。特别是随着中国铁路货车设计、制造水平长足的发展，为铝合金材料的应用提供了前所未有的发展机遇和市场前景。而根据国内外铁路货车的运用经验，铝合金材质的铁路货车采购成本的增加不足以抵消运输效率提升和运能提高所带来的巨大经济效益和社会效益，因此，具有广阔的发展空间。

　　应该说，随着铁路货车技术的发展及国内铝合金材料的应用，国内铁路货车上大量采用铝合金材料的条件已经具备，并将逐渐成为实现车体轻量化的主要手段。

　　同时，铝合金车辆的结构型式也将不仅仅局限于敞车这一单一形式，而会向漏斗车和大轴重的敞车，特别是煤炭漏斗车、粮食漏斗车等方向发展。此时，铝合金车的自重较同种结构形式的钢质车辆自重减少1-2吨，使用寿命可延长5年以上等优势将逐渐显现，运用的综合经济效益将更好，更受用户的欢迎。

　　(作者单位：齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司大连研发中心)