高速铁路设备系列介绍之二十一——动车组轻量化技术介绍：

高速铁路列车重要技术之一是要运用车辆轻量化技术。传统的车体材料是碳素钢，其份量重，再考虑腐蚀的预留量较大，因此车辆自重大和寿命短。另外，随着车辆的速度的提高,轨道承受的负荷及能耗将随之增大,如列车以时速200公里运行的时候，每牵引一吨重的重量，大约要消耗电力12千瓦，到时速300公里的时候，每牵引一吨要消耗16至17千瓦，因此，世界各国都在轻量化的技术上进行研究。要实现车辆的高速化,一定要使车辆轻量化。其主要途径是采用高性能的新材料和改进车辆结构、缩小尺寸等优化构设计。同时，采用了车辆轻型化技术,还可以有效地抑制地基振动的增加，降低噪声,减少因速度的提高而带来的空气动力声的显著增加。在近代，高速车辆的车体材料主要有不锈钢、高强度耐候钢和铝合金。用铝合金制造车体的尝试早在20世纪上半期就已经开始，最早用于地铁和市郊列车，后来应用于普通列车上。自进入上世纪90年代，与车体等长的多品种大型中空挤压型材的出现，使铝合金成为生产高速列车的主导材料，由于铝合金的重量大大低于碳素钢，有利于高速列车减重提速。因此，各国高速列车在车体设计制造中已基本采用铝合金挤压型材或不锈钢材质，使车体结构具有无涂装，免维修或少维修特点。尤其是铝合金挤压型材，包括异型或大截面空腹断面型材，其优势主要有：制造工艺简单，节省加工费用；减重效果好；有良好的运行品质；耐腐蚀，可降低维修费。

于当时，日本新干线高速电动车辆,法国TGV、德国ICE列车等采用不锈钢、铝合金、复合材料,使车体大幅度轻量化,取得了显著效益。不锈钢车辆具有高耐蚀性、美观、强度高等特点。60年代初,日本率先研制出不锈钢车辆,其外板:不需涂装,防腐性好,尤其是轻量、节能,可提高列车牵引能力。前苏联也相继研制出含镍或无镍的不锈钢车辆;德国生产的不锈钢客车车体也成功地应用于高速电气化铁路。各类不锈钢车辆按照使用不锈钢的程度分为：全不锈钢车,除车底架部分零件外,均采用不锈钢；半不锈钢客车,外皮或骨架、梁选用不锈钢；表皮不锈钢车,车的外壳为不锈钢三种。法国生产的一部分TGV高速电气列车车体采用了半不锈钢结构,其骨架、车底架梁采用优质不锈钢(车体蒙皮用铝材),由于可以不考虑腐蚀的预留量。我国生产的动车组，车体的重量比传统的客车减轻了一半，轻量化技术达到了世界先进水平。

为了进一步减轻重量，改善隔声性能，以及便于设计、制造，国外已开始试用纤维增强塑料夹层结构代替金属制造车体。纤维增强塑料具有质轻，强度高，疲劳强度高、裂纹扩展速率低，较好的结构阻尼性、隔热和耐蚀性能等优点。其缺点是弹性模量低，抗弯扭刚度比金属差，价格贵。因此，当前大量采用高分子非金属材料作为车厢内部设备材料也有较好的减重效果。如水箱、集便器、整体厕所、座椅等。

碳素纤维是在上世纪80年代的初期进入一级方程式赛车后，就完全取代了原来的铝合金车身，是给赛车运动带来革命性发展的材料。若用碳素纤维（carbon fiber简称CF）制造动车组车体，又将比铝合金车体减重30%，这是下一代高速列车的理想材料。这也是在国际上被誉为“黑色黄金”，它继石器和钢铁等金属后，被国际上称之为“第三代材料”，因为用碳纤维制成的复合材料具有极高的强度，且超轻、耐高温高压。其另一大好处在于它的加工的自由性，可以象裁缝一样将碳素纤维剪切成一块一块的，然后加上树脂层进行强化。

我国对碳素纤维的研究开始于20世纪60年代，80年代开始研究高强型碳纤维。多年来进展缓慢，但也取得了一定成绩。进入21世纪以来发展较快，安徽华皖碳纤维公司率先引进了500吨／年原丝、200吨／年PAN基碳纤维(只有东丽碳纤维T300水平)，使我国碳纤维工业进入了产业化。随后，一些厂家相继加入碳纤维生产行列。