高速列車的運(yùn)行速度大于250km/h時對軌道的沖擊力較現(xiàn)有列車要大得多，所以我國規(guī)定高速列車動車最大軸重為19.5t，拖車為14.5t。其次，列車的運(yùn)行靠消耗電能(電力機(jī)車、動車)、化學(xué)能(蒸汽、內(nèi)燃機(jī)車)其他能量來實現(xiàn)。列車的運(yùn)行除具備有一定的動能外，還必須克服包括機(jī)械摩擦力和空氣摩擦力在內(nèi)的運(yùn)行阻力。而高速列車的運(yùn)行速度大于250km/h時需要的動能是現(xiàn)有列車的4倍多，要克服的阻力是現(xiàn)有列車的10～30倍。最后，高速列車的巨大動能在制動停車的短時間內(nèi)如何消散也是一個困難的問題。一般高速列車采用再生制動(能量回饋電網(wǎng))和盤型制動(機(jī)械摩擦發(fā)熱制動)結(jié)合的方式，這樣對盤型制動的盤和閘片的能力(熱容量、溫升等)的要求十分苛刻。
從上述3個方面分析，減輕高速列車自重對減少線路損害、減少動力消耗、節(jié)約能源以及減少制動系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，具有重大意義。由于高速列車不但軸重要求較常規(guī)列車嚴(yán)格，而且其本身還必須承擔(dān)大功率、滿足高要求，因此要加裝常規(guī)列車所沒有的設(shè)備(例如動車的流線形頭錐、車輛的設(shè)備艙、門窗的氣密裝置、外風(fēng)擋、電氣自動控制系統(tǒng)等)，這樣又會帶來重量的增加。所以，輕量化是高速列車的技術(shù)關(guān)鍵，從某種意義來說，它事關(guān)高速列車研制的成敗。
怎么實現(xiàn)列車輕量化?
列車的高速化，一方面要求提高機(jī)車的牽引功率，另一方面要求實現(xiàn)列車的輕量化和采用阻力更小的列車外型設(shè)計。新材料的應(yīng)用是輕量化的最主要和最有效的途徑，是發(fā)展高速列車最重要的關(guān)鍵技術(shù)之一。
高速列車的輕量化，從一般意義上理解，似乎只需要采用輕質(zhì)高強(qiáng)的材料即可解決。但是，實際上問題要復(fù)雜得多，絕非一個“輕”字就可解決。高速列車的輕量化，與飛機(jī)、航天器乃至汽車的輕量化有很大的不同。相對上述交通工具而言，火車是一種在鐵軌上行駛的龐然大物，隨著速度的提高，輪軌沖擊的加劇和壽命期營運(yùn)里程的延長，對走行部和車體材料提出的要求更高，需采用比原有材料性能更優(yōu)異的新材料及更優(yōu)化的結(jié)構(gòu)。
對材料而言，一般來說，除了要求輕質(zhì)之外，還必須具有更高的強(qiáng)度、模量、韌性、耐磨、耐疲勞、耐老化等性能。對于在列車不同部位使用的材料，還有許多特殊的要求。例如，車輪材料除了要有足夠的強(qiáng)度、韌性、耐磨性外，還必須具有耐擦傷剝離的性能;隨著列車速度和動能的增大，高速列車的制動盤和閘片除了必須滿足制動所需的摩擦特性外，還必須有更好的耐溫和耐磨性能;高速帶來的沖擊、振動和噪聲的加劇，要求采用更好的減振降噪元件，其中包括粘彈性能、耐疲勞、耐老化性能更優(yōu)的橡膠元件，以保證乘坐的安全舒適;而有機(jī)高分子材料及其復(fù)合材料的使用，還必須考慮其阻燃、無污染、耐老化等問題。凡此等等，高速列車輕量化對材料提出了更為嚴(yán)格更為復(fù)雜的要求，開辟了一個新材料研究和應(yīng)用的新領(lǐng)域。
高速列車對輕量化的要求也反映到車體和結(jié)構(gòu)件的設(shè)計上。優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計是輕量化的另外一個途徑。要求在滿足強(qiáng)度和其他使用要求的前提下，通過采用新材料和優(yōu)化結(jié)構(gòu)來盡可能降低重量。其中包括采用有限元法分析結(jié)構(gòu)件的受力狀態(tài)和計算應(yīng)力分布，應(yīng)用計算機(jī)輔助設(shè)計優(yōu)化部件結(jié)構(gòu)，以盡可能減輕結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量。
列車輕量化是個系統(tǒng)工程，它包括設(shè)計觀念、設(shè)計方法、新材料選用、試驗等諸多方面并貫徹在總體設(shè)計、零部件設(shè)計、制造工藝、試驗鑒定的研制全過程之中。
列車的輕量化主要從以下幾方面入手：
(1)改變車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)。采用矮車體(3590～4000mm)并采用鼓型斷面,可以減小車輛自重并可減小氣動阻力。為加大車內(nèi)凈高，保證旅客有較高的舒適度，宜采取分體式空調(diào)或誘導(dǎo)式空調(diào)系統(tǒng)。
(2)設(shè)立列車計算機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)。取消以往數(shù)量龐大的列車通信(控制)線，設(shè)立1對或2對網(wǎng)絡(luò)線，既可大大減輕列車重量，又可提高通信品質(zhì)。
(3)采用高性能材料。如用高強(qiáng)鋼制造轉(zhuǎn)向架，采用鋁合金來制造車體及其他承載部件，采用合成蜂窩材料制造車體內(nèi)裝構(gòu)件，采用高性能輕質(zhì)的隔熱材、送風(fēng)道以及薄壁不銹鋼管、薄壁電纜、合成材料管路等。
(4)采用有限元分析等現(xiàn)代方法對車輛及其零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，以最輕的重量取得最大的強(qiáng)度和剛度;采用現(xiàn)代湍流理論對車體外形進(jìn)行優(yōu)化，以期取得最小的氣動阻力和良好的側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性等。
(5)采用集成化、模塊化設(shè)計。以最小的體積來實現(xiàn)規(guī)定的功能。
列車上可采用的輕量化材料有哪些？各有什么特點(diǎn)？
高速列車使用的輕量化材料主要有：
(1)高強(qiáng)度鋼(屈服限300MPa級、400MPa級、500MPa級或更高)。主要用于制造轉(zhuǎn)向架部件。我國現(xiàn)在只采用300MPa級的Q345鋼和16Mn。
(2)鋁、鎂合金。由于鋁合金強(qiáng)度/質(zhì)量比高(超過3倍)，特別是現(xiàn)代大型空心薄壁鋁材軋制技術(shù)的完善，鋁合金成為制造高速列車車體最理想的材料。由大型空心型材組成的車體較鋼車體可減少1/2質(zhì)量。此外，鋁、鎂合金也在車內(nèi)結(jié)構(gòu)件、管線、風(fēng)道、壓力容器、裝飾件等方面得到廣泛的應(yīng)用。近年來，國外有用鎂合金、鈦合金等航空材料代替鋁合金來制造車體骨架的嘗試，其質(zhì)量只有鋁合金的66%，減重效果更加明顯。
(3)不銹鋼。不銹鋼的強(qiáng)度范圍廣(有200MPa級、300MPa級、400MPa級或更高的600MPa級)、裝飾性好且不銹蝕。由于不易解決車體氣密性問題，故不銹鋼只用于制造200km/h速度級列車的車體，比普通碳素鋼車體可減重1/3。在高速列車上主要用于制造車內(nèi)承載件和裝飾件。
(4)蜂窩材料。蜂窩板材通常由上下面板和蜂窩芯材組成。由于蜂窩芯材密度極小(約只有同厚度材料的1/10),重量輕、剛度大，而且具有優(yōu)良的隔音、隔熱性能，故在高速列車的內(nèi)裝結(jié)構(gòu)上得到廣泛的應(yīng)用，如用于地板、頂板、間壁、設(shè)備艙底板、艙門等。由于用不同材料制造，蜂窩分鋁蜂窩、芳淪蜂窩、玻璃鋼蜂窩、碳纖維防外窩等。有時面材和芯材也用不同材料，為復(fù)合蜂窩，例如，飛機(jī)地板就采用單向碳纖維面板、芳淪蜂窩芯的復(fù)合蜂窩板，其強(qiáng)度、剛度和抗沖擊能力極好。在蜂窩的裝飾面可用粘貼、真空吸附等方法覆裝飾膜，裝飾效果很好。
(5)玻璃鋼。玻璃鋼有不腐蝕、易成型、重量輕的特點(diǎn)。在高速列車上主要用于制造復(fù)雜曲面裝飾板。由于高速列車有輕量化要求，通常不采用手糊方式制造，而是通過模壓制造，以保證尺寸精度和重量輕。在玻璃鋼的裝飾面可噴涂或用真空吸附等方法覆裝飾膜，裝飾效果也很好。高速列車的頭錐通常用帶骨架玻璃鋼，重量輕、易成型、易修復(fù)。
(6)碳纖維。由于碳纖維織物重量輕，有極高的強(qiáng)度、硬度和特耐高溫，是極其重要的航空、航天材料。國外已有用碳纖維制造車體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架及制動盤和閘片的報道。目前國內(nèi)也有開始將碳纖維用于列車設(shè)備艙底板的嘗試?？梢灶A(yù)見，碳纖維是一種理想的材料，它必將在高速列車上得到廣泛的應(yīng)用。
(7)其他。高速列車輕量化是一個系統(tǒng)工程，除上述外，還要在防寒、油漆、減振、內(nèi)裝等諸多方面選擇更為輕型的材料。
高速列車輕量化新材料的類型主要包括：
(1)輕金屬合金材料。如鋁合金、鎂合金等。鋁合金由于密度小、比強(qiáng)度高，耐蝕性好，在汽車、列車、船舶、航空、航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。就輕量化而言，鋁合金是一種成熟的輕金屬材料。國外鋁合金車體已經(jīng)工程化，國內(nèi)也已應(yīng)用于高速列車車體頂蓋、齒輪箱箱體等許多部件。鋁合金的進(jìn)一步加工材料如泡沫鋁、鋁蜂窩等在高速列車上也有應(yīng)用前景。
(2)高分子材料。如塑料、橡膠、涂料等。塑料、涂料等高分子材料已廣泛應(yīng)用于車廂內(nèi)部的各種用品和裝飾材料，其輕量化效果十分明顯。最新研究進(jìn)展表明，各種工程塑料也能用來制造車體和許多結(jié)構(gòu)件。特別值得一提的是橡膠彈性元件在高速列車上的應(yīng)用。橡膠元件對高速列車的減振降噪作用特別顯著，對高速列車的舒適平穩(wěn)具有無可取代的作用。國外已有在列車上采用彈性車輪的報道。橡膠元件在用于彈簧裝置、定位裝置時，由于其良好的三維特性和質(zhì)量小的特點(diǎn)在提高轉(zhuǎn)向架整車性能上體現(xiàn)出越來越明顯的優(yōu)勢。我國已越來越重視橡膠元件的生產(chǎn)和運(yùn)用。株洲時代新材料股份有限公司生產(chǎn)的V型彈簧、天然橡膠球絞、空氣彈簧等系列彈性元件，已廣泛應(yīng)用于列車特別是高速列車上，減振降噪效果顯著。
(3)復(fù)合材料。復(fù)合材料是以纖維、顆粒等作為增強(qiáng)材料，以聚合物、陶瓷、金屬等作為基體復(fù)合而成的具有優(yōu)異性能的新型材料。它具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐疲勞、耐腐蝕、隔熱、耐磨、低成本、可設(shè)計性強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，正在成為高速列車輕量化越來越重要的一類材料。過去復(fù)合材料主要用于列車內(nèi)部裝備和裝飾等非結(jié)構(gòu)件，如地板、墻板、門窗、座椅、車門、衛(wèi)生間等?，F(xiàn)在越來越多地應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)件，例如，車體和車頭前端部采用玻璃鋼復(fù)合材料、芳綸纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料或碳纖維復(fù)合材料蜂窩夾層。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架也采用了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。除了聚合物基復(fù)合材料外，制動盤采用了金屬基復(fù)合材料、碳/碳復(fù)合材料或SiC陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，碳滑板采用碳—金屬纖維及碳—銅復(fù)合材料，等等。國內(nèi)外的研究和應(yīng)用表明，復(fù)合材料是高速列車輕量化最有發(fā)展前景的新材料。