鋁道網(wǎng)】
表1 6N01合金的典型室溫力學性能
表2 7N01合金擠壓材的典型力學性能
磁浮列車是利用磁力或氣流在離軌道面8mm～10mm的空間以30km/h～600km/h的速度向前飛行的軌道交通。目前，速度4000km/h的列車正在研發(fā)。我國是該領(lǐng)域研發(fā)、建設(shè)與運營的全 球領(lǐng)跑者，截至2020年8月，已有5條磁浮線路投入營運。
磁浮列車車廂是全鋁材料制造的。本文對車廂結(jié)構(gòu)鋁材作較全 面的介紹，特別對6N01及7N01鋁合金的性能，希望我國還能研制出性能超越6N01及7N01的磁浮車廂鋁合金。中國將啟動京廣澳、滬廣等高速磁浮線路建設(shè)。這將是磁浮線路建設(shè)Z大的工程，磁浮裝備的鋁材也將成為一個專門的分支。
據(jù)廣東省今年2月發(fā)布的《廣東省國土空間規(guī)劃2020年~2035年》中稱，廣東省域空間內(nèi)將預留縱橫兩條高速磁懸浮廊道，分別是南北縱向的京廣澳高速磁懸浮和東西橫向沿海的滬深廣高速磁懸浮廊道。國家也有建設(shè)北京—廣州大灣區(qū)高速磁懸浮列車的計劃，列車速度600km/h，雖然有關(guān)建設(shè)費用、具體行駛路線、開通時間等細節(jié)尚未公布，但前期工作已經(jīng)開始。2019年發(fā)布的《交通強國建設(shè)綱要》提出了要合理統(tǒng)籌安排600km/h級高速磁懸浮系統(tǒng)。中車四方公司與上海等地的高校也已進行了相關(guān)研發(fā)，2019年6月，速度600km/h的高速磁浮試驗樣車在上海同濟大學實驗線上試跑成功，完全達到了預期效果。此外，中國還計劃建造滬-杭、重慶-成都的高速磁懸浮線路。
中國磁懸浮列車的
發(fā)展歷程與現(xiàn)狀
中國磁懸浮的發(fā)展可分為三個階段：2002~2015年為引進與起步時期；2016~2020年為自力更生研發(fā)與建設(shè)時期；2021年也就是從“十四五”起中國進入大發(fā)展時期，引 領(lǐng)磁懸浮技術(shù)與線路建設(shè)及營運。
按速度可將磁浮列車分為中低速(運行速度30km/h～200km/h)、高速（運行速度200km/h～400km/h）、超 高速（運行速度大于400km/h，通常為600km/h）。
● 首條磁浮線開始運行
我國首條磁浮鐵 路于2003年1月在上海運行，車輛及其技術(shù)全部從德國引進。上海磁浮線是中國也是全 球首條商業(yè)運營的高速磁浮專線，西起上海軌道交通2號線的龍陽路站，東至浦東國際機場，全長29.863km，營運Z高速度430km/h，全程僅需8分鐘。它的運行是利用安裝在列車兩側(cè)轉(zhuǎn)向架上的磁浮電磁鐵和鋪設(shè)于軌道上的磁鐵的異性相吸效應。同時，磁浮車上裝有電磁體，鐵 軌底部安裝有線圈，一旦通電，底部線圈產(chǎn)生的磁場極性與列車上電磁體極性總保持相同，兩者同性相斥，但下面的力遠大于上面的，使列車浮起來，還有股推力，使列車向前“飛行”。
● 首條國產(chǎn)磁浮線在長沙投入商業(yè)運營
我國首條國產(chǎn)磁浮線路于2016年5月在長沙運行，中國有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，中低速磁浮列車，由株洲電力機車有限公司設(shè)計制造，三節(jié)編組，鋁合金圓潤的車體裝飾著“中國紅”腰線。車內(nèi)裝備著軟座席、落地窗、暗花不銹鋼扶手。暖色調(diào)大貫通車廂內(nèi)的氛圍如同大型民機客艙。這種新型中低速磁浮列車是株洲電力機車有限公司、西南交通大學、中車集團株洲電力機車研究所和中車集團二院等國內(nèi)頂 尖軌道交通研發(fā)機構(gòu)協(xié)作攻關(guān)的結(jié)晶，它的設(shè)計Z高速度100km/h，Z大載客量600人。它的優(yōu)點多多；由于沒有輪軌的摩擦與撞擊，運行極為安靜；采用特殊的抱軌設(shè)計，極 大限度降低了列車脫軌和側(cè)翻風險，具有極 高的安全性；造價合理，比鐵 路和中運量輕軌分別低1/3和1/4；轉(zhuǎn)彎半徑小，僅50米；爬坡能力很強，可以繞著建筑物或者山體靈活運行，能夠開進居民小區(qū)。有中國特色的中低速磁浮列車的輻射量比剃須刀的還小，兼顧了環(huán)保經(jīng)濟和安全性，可應用于人口密集區(qū)和對環(huán)保要求很高的風景名勝區(qū)和旅游區(qū)。
● 半年內(nèi)建成的天津濱?？崭跰3示范線
2017年投入營運的天津濱?？崭跰3中低速磁浮短示范線是在不到半年的時間內(nèi)建成的。其磁動力技術(shù)是從美國磁懸浮飛機公司和美國磁動力公司引進，并成立了負責經(jīng)營的麥格普林磁動力工程技術(shù)（天津）有限公司，并同時在中國和美國建造了商業(yè)試驗線。該公司以其具有世 界領(lǐng) 先水平的稀土永磁直徑同步電機、永磁懸浮、永磁導向及其控制技術(shù)為中心，重 點開發(fā)中低速磁浮列車，智能化自動生產(chǎn)傳送線和物流管理線、礦產(chǎn)品傳輸線和無纜繩無電機房的升降機等。
● 北京中低速磁浮S1線
北京S1線也采用中低速磁浮技術(shù)，6節(jié)車廂編組，是北京首條磁浮線，西起門頭溝區(qū)石門營站，東至石景山蘋果園站，線路全長10.236km，包括上下車時間在內(nèi)，列車行駛?cè)滩怀^20分鐘。車廂等是唐山軌道客車有限公司制造的，每節(jié)車廂造價800萬元，比地鐵車廂約貴200萬元。
● 高速磁浮實驗中心等入駐青島國家高速列車創(chuàng)新中心
高速磁浮實驗中心、高速磁浮試制中心等5個項目于2018年1月入駐青島市城陽區(qū)國家高速列車技術(shù)創(chuàng)新中心。這5個項目主要來源于國家發(fā)改委城市軌道交通創(chuàng)新能力建設(shè)專項和技術(shù)部“十三五”重 點科技專項，其中軌道車輛系統(tǒng)集成國家工程實驗室項目將對中國突 破城市軌道交通驗證技術(shù)瓶頸，形成統(tǒng)一完善的試驗標準體系有著重大意義。
● 集中攻關(guān)600km/h的高速磁浮列車
速度達600 km/h的高速磁浮系統(tǒng)技術(shù)方案于2018年在中車四方股份有限公司通過專 家評審，樣車于2020年上試驗線。該方案由四方股份公司牽頭承擔。它的通過評審，標志著國家重 點研發(fā)專項“高速磁浮交通系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)”課題取得實質(zhì)性重要階段成果，可以進入下一步施工設(shè)計階段。按計劃，四方公司應于2018年完成樣機制造，2020年600km/h樣車完成5km試驗線驗證，這些都已順利完成。我們知道，當下高鐵的Z高速度350km/h，民機巡航經(jīng)濟速度800km/h～1000km/h，速度600km/h的高速磁浮交通系統(tǒng)正好可以填補速度空白，形成一個完整的交通網(wǎng)絡(luò)。
● 中日聯(lián)合研制高速氣磁浮列車
這種磁浮列車靠磁力懸浮，靠自然氣流驅(qū)動飛行，速度500km/h。中國和日本正在聯(lián)合研制一種名為“鵜鶘”的高速磁浮列車，由機器人操作，是世界上速度Z快的無人操作磁浮車。
為何取名“鵜鶘”高速列車，據(jù)中國參與研發(fā)的重慶理工大學科學家賴晨光教授稱，這種磁浮列車的設(shè)計靈感來自飛機與鵜鶘的飛行，故得此名。鵜鶘利用變動翱翔技術(shù)，在不同速度的氣團之間獲得升力，在天空自由飛翔；因而這種磁浮車采用懸浮方式，利用短粗的U形翼和快速流動的空氣，緊貼地面飛行。它浮起來是靠磁力克服重力，而飛行前進是靠快速流動的空氣，是只用自然能源驅(qū)動、零污染的列車。這種鵜鶘列車的第 一代、第二代樣車已于2017年試制及實車試驗在東京大學完成。
● 永磁跨座式單軌磁浮車
中國的這種磁浮車2016年就試制成功了，被譽為“空中列車”，是一種很有特色的軌道交通，它的軌道不是傳統(tǒng)的兩條平行路線，而是單條鋼筋混凝土梁，輪子是橡膠的，騎跨于軌道梁上，是城市骨干線、輔助線、機場連接線、觀光線的絕 佳運輸裝備之一。它的爬坡能力強、轉(zhuǎn)彎半徑小，用的橡膠輪，能爬陡坡，急轉(zhuǎn)彎，線路適應性強，特別適合山區(qū)、河谷等地形地質(zhì)復雜的城市，也可以穿越于平原城市的繁華市中心、旅游觀光線路等。工程造價低，占地面積少。它的結(jié)構(gòu)簡單，成本低，建設(shè)周期短，造價低于2.5億元km，約為地鐵的1/3；它的軌道梁較窄，占地寬度只不過1m～1.5m，可架設(shè)于道路中央的隔離帶上?？缱絾诬壛熊嚾忾]運行，速度快，與其它交通形式互不干擾，Z高速度80km/h，平均運行速度30km/h～45km/h，與地鐵的相當；它屬于中等運量的軌道交通系統(tǒng)，單向運量1萬人次/h～3萬人次/h，接近B型地鐵列車。乘座舒適，噪聲低，橡膠輪產(chǎn)生的震動和噪聲都相當?shù)停h低于輪軌系統(tǒng)的，對周圍環(huán)境幾乎無影響，電磁輻射可忽略不計，而且單軌線路多為高架結(jié)構(gòu)，車廂的視野開闊，憑窗遠眺，城市市容和沿線風影盡收眼底。
● 中國“2.0版”快速磁浮列車2012年10月下線
這款磁浮列車的速度為160km/h，是株洲電力機車有限公司完全自主研發(fā)，比長沙磁浮快線的中國首列中低速列車具有更快、更輕、載客量更多的優(yōu)點，爬坡能力強、轉(zhuǎn)彎半徑小、噪聲低等特點，適合城市內(nèi)、市區(qū)和衛(wèi)星城之間、城市群之間、地形復雜的景區(qū)內(nèi)部運行，是城鎮(zhèn)化建設(shè)、“一帶一路”建設(shè)和“走出去”的拳頭軌道產(chǎn)品。
● 廣東清遠磁浮旅游專線2021年中期投運
清遠中低速磁浮旅游專線2016年開建，2021年中期投入運營，中鐵磁浮交通投資建設(shè)有限公司與清遠市政府投資100億元建設(shè)，線路長30 km。新型中低速磁浮列車是中車集團長春客車車輛股份有限公司制造，于2020年12月下線。
● 交通強國新項目研發(fā)與線路建設(shè)熱火朝天
除清遠磁浮即將投運外，新疆烏魯木齊磁浮線及成都-德陽磁浮線都在緊鑼密鼓建設(shè)中，滬杭線也在籌建中，滬-深線、京-廣線600km/h的高速磁浮線建設(shè)也已開始提上議程，或于“十四五”期間開始籌建開工。如果按600km/h的速度進行簡單計算，從深圳到相距約1500 km的上海，所需時間大約為3h；從深圳到北京約2200km，如果乘坐京廣澳高速磁浮車，大約不到4h可以到達。此外，重慶﹣成都高速磁浮線的籌建工作正在日夜兼程進行。
研發(fā)速度4000km/h的高速磁浮飛行列車
中國航天科工集團公司正在研發(fā)高速飛行列車，第 一階段達到1000 km/h，Z終達到4000km/h。這種飛行列車是利用超導磁浮技術(shù)減小摩擦阻力，在低真空大直徑管中實現(xiàn)超聲速飛行。按三步走戰(zhàn)略逐步實現(xiàn)：第 一步通過1000km/h，運輸能力建設(shè)區(qū)域性城際飛行列車交通網(wǎng)；第二階段達到2000km/h，建設(shè)國家超級飛行列車交通網(wǎng)；第三階段達到4000km/h，建設(shè)“一帶一路”交通網(wǎng)。
目前，高速飛行列車項目聯(lián)合了國內(nèi)外20多家科研機構(gòu)，組建了國內(nèi)首 個國際性高速飛行列車產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，已擁有相關(guān)領(lǐng)域的280多項專 利。這種磁浮飛行列車運行時所需的強大電流由超導高純鋁輸送，因此除制造車廂需要大量鋁材外，超導輸電系統(tǒng)還需用相當量的高純鋁導體。高純鋁導體是一類高技術(shù)高 端產(chǎn)品，制備加工技術(shù)高于傳統(tǒng)工業(yè)純鋁導電體。
中國高速飛行列車項目研發(fā)基地設(shè)在武漢，將來很可能以武漢為中心形成四通八達的高速飛行列車網(wǎng)絡(luò)。中國還將大力推廣磁浮線的國際化，像高鐵一樣成為中國出口又一名 牌產(chǎn)品。長沙磁浮線運營后，成為中國鐵 路建設(shè)的又一絢麗名片，新加坡、德國、巴西等國家已先后派團前來考察。中國還準備出口高速磁浮列車，計劃2027年開通運行磁浮中央新干線的日本東海濱旅客鐵 道公司也尋求出口美國磁浮鐵 路，可以預見，繼高鐵之后，中日兩國也會在國際市場上展開磁浮鐵 路技術(shù)與建設(shè)領(lǐng)域的激烈競爭。
強大的鋁材
為磁浮列車快速發(fā)展作后盾
高鐵車輛主要是鋁合金打造的，磁浮列車車廂更應該用鋁材制造，站臺頂棚與車站建筑物也宜用鋁材建設(shè)。鋁材是制造車廂結(jié)構(gòu)性價比Z佳的材料，當然將來也可能用一部分鋁基復合材料，因為車廂是全鋁的，越輕越好，越輕需要克服的重力使它浮起來的力就越小。除車廂鋁材外，建設(shè)鐵 路設(shè)施還需要相當量的建筑﹣結(jié)構(gòu)鋁材，車廂內(nèi)部裝修、空調(diào)、座椅與通風系統(tǒng)等也主要是用鋁合金打造的，有些車輛是用永磁力浮起來的，如果用超導磁場浮起，則需要高純鋁線系統(tǒng)輸送電流。每節(jié)車廂需要采購鋁材的建筑﹣結(jié)構(gòu)鋁材匡算質(zhì)量為45t/km。
● 車廂結(jié)構(gòu)及建筑用的鋁材
常用的車廂鋁材有5005-0板材、5005-H14板材、5005-H18板材、5052-0板材、5083-0板材、5083-H112型材、6061-T6型材、6N01-T5型材、6063-T5型材、7N01-T4板材、7N01-T5型材、7003-T5型材。6N01與7N01是日本研發(fā)的新型合金，7N01合金成型于1969年，6N01于1980年面世。牌號中的N代表日本（Nippon）。磁浮車廂與高鐵、地鐵全鋁車廂用的鋁材及車廂結(jié)構(gòu)也基本相同。
● 6N01合金
6N01合金是一種Al-Mg-Si系合金，其成分（質(zhì)量%）：Si0.40～0.9，F(xiàn)e0.35，Cu0.35，（Mn Cr）0.50，Mg0.40～0.8，Cr0.30，Zn0.25，其它雜質(zhì)單個0.05，合計0.15，其余為Al。6N01合金是一個中等強度的擠壓合金，強度性能比6061合金的低；擠壓性能優(yōu) 秀，可擠壓截面復雜的型材；抗蝕性及表面處理性能良好；用于制造車輛、汽車、陸上構(gòu)造物、船舶零部件。
6N01合金是一種熱處理可強化的合金；T5材料在線淬火后，在170℃～180℃人工時效8h；T6狀態(tài)材料固溶處理溫度525℃～535℃，人工時效（170～180）℃/8h。它的密度2.70g/cm3，固相線溫度652℃，液相線615℃，T5材料20℃時的熱導率188W/（m·℃）、電導率46%IACS，室溫時的典型力學性能見表1。
該合金T6材料的拉伸彈性模量68900MPa，剪切模量25800MPa，泊松系數(shù)0.33。6N01合金有良好的抗蝕性，實際上沒有應力腐蝕開裂與剝落腐蝕；可焊性良好，擠壓性能優(yōu) 秀，可擠壓薄壁大型材，表面處理性能良好，但切削加工性能較低，因其強度不高。
● 7N01合金
7N01是一種Al-Zn-Mg-Mn系合金，與中國的7B05合金相當，其成分（質(zhì)量%）：Si0.30，F(xiàn)e0.35，Cu0.20，Mn0.20～0.7，Mg1.0～2.0，Cr0.30，Zn4.0～5.0，Ti0.20，V0.10，Zr0.25，其它雜質(zhì)單個0.05，合計0.15，其余Al。合金有良好的可焊性，成形性能不好，切削性能不錯，表面處理性能良好，強度高，抗蝕性良，其它性能與美國7005合金相當，用于制造車輛、陸上結(jié)構(gòu)物的零部件。7N01是一種熱處理可強化的變形鋁合金，退火溫度約415℃，半成品的固溶處理溫度約450℃。T4狀態(tài)的時效處理工藝，室溫1個月以上，T5、T6狀態(tài)的處理工藝：約120℃×24h。
7N01合金在25℃時的密度2.78g/cm3，液相線溫度620℃～650℃，20℃～100℃的線脹系數(shù)23.6×10-6/℃，室溫下的力學性能見表2。合金的抗蝕性尚可，但有應力腐蝕開裂傾向，T4材料對甘汞電極的自然電位為-940.0mV，在3.5%NaCl溶液中的孔蝕電位為-919.6mV，T6材料對甘汞電極的自然電位為-951.5mV，在3.5%NaCl溶液中對甘汞電極的孔蝕電位為-814.6mV。其它性能與美國7005合金的相當。
結(jié)束語
中國己是全 球磁浮線路、車廂技術(shù)研發(fā)、建設(shè)、營運等方面的領(lǐng)跑者，所需的各種建設(shè)材料中國都自供有余。筆者希望京廣澳、滬深等超 高速（600km/h）磁浮線路能爭取在2035年以前投入運營，并加強中低速與高速磁懸浮技術(shù)與線路建設(shè)的出口，特別是對“一帶一路”沿線地區(qū)的出口，大力研發(fā)兩三個各項性能均優(yōu)于6N01及7N01的磁浮車廂結(jié)構(gòu)擠壓鋁合金產(chǎn)品，以及適合600km/h速度的專用鋁合金產(chǎn)品。
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