一段时间以来，汽车和航空航天制造商一直处于轻量化趋势的前沿。但是，他们不是唯一的。铁路行业也可以受益于新型轻质结构材料的使用。

如今，铝被广泛应用于铁路领域，但先进的碳纤维复合材料和高温合金也吸引了那些急于减轻重量和优化性能的工程师。

尽管美国在近100年前就开创了轻型客运列车的先河，但现在的研发工作主要集中在欧洲，那里光滑的高速铁路网连接着许多遥远的地区。通过避免机场拥堵，火车旅客可以在几个小时内轻松地从市中心滑行到市中心。

近年来，欧洲的铁路旅行开始复苏，夜间卧铺列车也卷土重来。特别是，法国、德国、意大利和西班牙处于高速技术的前沿。中国、英国、日本、摩洛哥、沙特阿拉伯、韩国和土耳其等国家也对最先进的铁路网络进行了大量投资。

不幸的是，美国远远落后。美国铁路公司(Amtrak)在纽约、费城和华盛顿之间开通的阿西乐(Acela)列车，是与亚洲和欧洲列车最接近的列车。但是，这种情况可能在未来20年发生改变。

一个新时代吗?

根据瑞士联合银行（UBS）最近的一份研究报告，在后冠状病毒时代，许多旅客将从航空转乘铁路。它声称，更多的地方、州和联邦政府将“追求高铁的扩张”，投入数十亿美元，这将产生“对新设备的增量需求，以提高速度和密度”

高铁项目目前正在加州、佛罗里达州和德克萨斯州进行。另一条连接拉斯维加斯和洛杉矶的线路正在规划阶段。

为了成功，高铁客运网络需要几个特点，包括不与货运共享的专用轨道;很少(如果有的话)平坦的道路交叉路口;架空电悬链线;装有低重心以在高速下通过弯道的轨道车;双端动力汽车被集成到火车上，以消除对单独柴油机车的需求。

在美国建设这样的基础设施可能需要几十年的时间。到那时，新兴技术，如磁悬浮和超级高铁系统，可能会比传统的轮轨设计更具成本效益。

然而，无论哪种技术最终胜出，未来的客运列车都将需要能够以150英里每小时以上的速度行驶的轻型列车。铝、碳纤维复合材料、高强钢、镁等材料将发挥重要作用。

轻量化是至关重要的，因为它有潜力减少能源消耗和轨道损伤。

“新一代的车身外壳,如果他们更轻,能携带更多的乘客在同一轴负载限制,使用更少的能源和减少对铁路基础设施的影响,”艾琳娜Jubete说,博士,业务发展经理聚合物和复合材料表面工程里,西班牙国际应用研究组织CIDETEC的三大研究机构之一。

“铁路车辆需要在技术和设计上有一个阶段性的改变才能保持竞争力，”朱贝特声称，他曾担任Mat4Rail的协调人，Mat4Rail是一个最近的项目，该项目在一个名为Shift2Rail Joint construction的欧盟倡议的赞助下开发了新的轻质材料和部件。

Altair engineering Inc.重型工程主管P.K.Thukaram补充说：“机车车辆的轻量化，除了减少能源外，还将带来更环保的技术、减少碳足迹和提高性能。轻量化将导致惯性降低、轨道磨损减少，并带来额外的有效载荷。

图卡拉姆指出:“在全球范围内，高速列车制造商正在致力于创新的减重项目，使用更轻的部件和最小的轮对。”“从早期的子弹头列车到最近的磁悬浮列车，我们可以看到几乎所有列车制造商在整体设计上都有显著的改进。

Thukaram说:“短途航空旅行的竞争、更好的材料性能带来的运营和维护成本的降低，以及携带更多有效载荷和乘客的愿望，是减轻重量的主要驱动因素。”

据图卡拉姆说，今天的许多轨道车设计比以往任何时候都更轻、更快、更节能。工程师们正在寻找能够最大化制造和运营效率的技术，同时扩大设计选择和灵活性。

“最初的受益于轻量化是减少能源需求,这反过来导致降低燃料成本,减少碳排放,”Simon Iwnicki说铁路研究所主任哈德斯菲尔德大学在英国,这是附近,世界上第一个城际铁路于1830年开业。“这是目前的关键驱动因素之一，需要进行高度审查。

Iwnicki解释说:“更低的质量和随之而来的更低的轴重的其他好处包括减少轨道损伤。”“还有一个潜在的‘虚拟螺旋’，减少质量导致减少的力量，减少的力量导致减少的强度需求和进一步的质量减少。”

寻找光明的答案

无论是载货还是载客，从货车车厢到客车车厢，传统上都必须非常坚固，以承受持续的振动。然而，重型列车会对轨道产生负面影响，包括轨道、枕木和道砟的磨损。

Iwnicki说:“有各种各样的损伤机制，比如道砟沉降和退化、轨头磨损和滚动接触疲劳。”“很多可以建模，但不是所有的都能被完全理解。每个系统都需要关于系统、环境和交通量的良好数据。

Iwnicki补充说:“另一种看待这一问题的方法是考虑损坏后恢复轨道所需的维护活动。”其中的关键是夯实(通过调整道砟使轨道变平)、打磨(恢复钢轨头的截面轮廓)以及检查和更换开裂的钢轨。每一步都要花钱(并对铁路交通产生负面影响)。”

增加轻质材料的使用是解决这些挑战的一个途径。然而，铁路行业的轻量化说起来容易做起来难。事实上，一代又一代的工程师都试图解决这个问题。

第一个重大突破出现在1910年左右，当时位于芝加哥的铂尔曼公司(Pullman Co.)在完善了铆接车架和车身面板的艺术后，从木质轨道车厢转向了钢轨车厢。20世纪30年代初，Budd Co.的工程师们采取了进一步措施，他们开发了一种使用喷焊连接大不锈钢板的方法。在1933年的“世纪进步”(Century of Progress)世界博览会上，该公司首次推出了“伯灵顿和风”(Burlington Zephyr)，这是一款轻型柴油动力列车，创下了速度纪录，并彻底改变了保守的铁路行业。

在芝加哥的同一场活动中，普尔曼展示了一种叫做铝的新材料。它的轻型铁路飞机的特点是一个焊接管状框架覆盖铆接铝外壳。此外，普尔曼和联合太平洋铁路公司还展示了一款名为M-10000的全铝流线型飞机。

尽管有这些早期的创新，如今美国仍远远落后于欧洲。美国高铁的中心位于纽约州的霍奈尔，是阿尔斯通公司(Alstom SA)经营的一家有百年历史的工厂。这里是28架下一代阿西乐列车的组装地。第一组最近离开了工厂，正在普韦布洛的运输技术中心进行测试，预计将于明年某个时候投入使用。

新的Acela 21的特点是铝制车厢的车身，支撑在铰接式转向架(卡车)上，九辆车永久连接。电动列车的每一端都有一辆由碳钢制成的动力车，它内置了碰撞能量管理系统，旨在减轻碰撞影响。

具有讽刺意味的是，北美最快的列车将使用在伊利诺斯州哈维普尔曼以南几英里处制造的金属组件。

LB钢位于芝加哥地区最古老的工业综合体之一，目前仍在日常使用中。它的一些建筑可以追溯到1894年，当时是为容纳Whiting Foundry Equipment Co.而建造的。Whiting Corp.是一家主要的高架工业起重机和轨道车辆维修设备制造商，几十年前，当它向南迁移15英里到位于伊利诺伊州莫奈的一个新工厂时，它腾空了这座建筑群。

独特的挑战

工程师们在试图减轻铁路车厢的重量时面临着许多独特的挑战。首先，他们需要了解乘用车中重量分布的物理原理。

车身本身约占总重量的25%，其次是运行装置和转向架(卡车)系统占35%。剩下的40%是汽车内部，包括座椅、暖通空调系统和线束。

Thukaram说:“跑步装置主要由钢组件、悬挂和刹车组成，铰接式关节提供的减重空间很小。”“通过使用混合材料和优化技术，轨道车的重量可以减少约15%到20%。内部重量也可以减少与圆滑的设计和选择更轻的材料。

“高强度钢、钢型材、铝型材和铝型材、碳纤维复合材料夹芯板、环氧铝钢筋和碳纤维被用于各种型号的轨道车辆，”Thukaram解释道。

“纤维增强聚合物复合材料广泛应用于火车内部，”图卡拉姆指出。“如果使用正确的连接方法，并确保其符合安全性，更轻的车身可以通过工业工艺制造。”

“一个主要的挑战是加入技术，”Thukaram说。根据材料的选择，采用焊接、螺栓连接、铆接和粘接。在夹层结构和复合材料结构中，连接方法更为复杂。

EWI的电弧焊首席工程师Randy Dull补充说:“(最常见的)连接过程用于装配车辆。”机械紧固件也被使用，特别是用于连接不同的金属。胶粘剂的应用很广泛，但在结构上应用不多。”

根据Dull的说法，在铁路应用中加入大型结构板是一项挑战。他指出:“由于焊接时的热输入，变形是一个大问题。”“这在通勤轨道车车身的不锈钢薄板焊缝上尤其明显。除了外观外，变形也给焊接配件带来了挑战。

“[随着碳纤维复合材料越来越流行]，连接匹配材料和不同材料都需要粘合剂粘合，”Dull说粘接的材料准备可能是一个挑战，疲劳寿命将是一个问题，因为铁路车辆通常预计使用50年。”

复合材料结构

就像航空航天和汽车工业一样，铁路行业的大多数轻量化工作目前都集中在复合材料上。

Magma Structures的工程总监达蒙·罗伯茨(Damon Roberts)表示:“与钢材相比，碳纤维具有更高的比刚度和强度。”Magma Structures专门从事石油、天然气、交通和风力发电行业的轻质应用。“这意味着具有相似机械性能的结构将明显更轻。

“复合材料结构的疲劳寿命要比钢结构好得多，所以它应该有更长的使用寿命，”Roberts说。“这可能导致设计标准的降低，从而进一步减轻重量。

罗伯茨解释说:“此外，与金属部件不同，复合材料不会生锈或腐蚀。”“而且，由于力学性能在不同的平面上是不同的，因此也可以考虑在原理结构中包含能量吸收的可能性。”

Cidetec的Jubete补充说:“复合材料在其他行业的结构组件中显示出了巨大的潜力，因此铁路行业现在希望采用它们。”“复合材料越来越多地被用于替换汽车车身的金属部件，如前驾驶室、后端、整流罩、地板和车架下覆盖层。其他部件，如车门、传动装置和座椅，目前正在开发中。”

Jubete和她的同事正在开发基于玻璃、玄武岩和碳纤维增强材料的轻质材料，这种材料符合严格的防火、烟雾和毒性(FST)法规。事实上，作为由Cidetec表面工程公司协调的Mat4Rail项目的一部分，该项目开发了三种复合材料家族，包括24种潜在的候选材料。其中，确定了六种最佳的新复合材料。

“他们是基于新型环氧苯并恶嗪和杂化树脂，满足FST的要求，”朱贝特声称这将有助于生产创新的车身零件，包括新型的车门系统，以取代目前由蜂窝和铝或钢板制成的零件，这些零件在能耗、噪音和热传导方面存在缺陷。”

Mat4Rail还开发了一种新的座椅概念，由一个小框架结构组成，该框架结构容纳一个编织镶嵌结构。轻型框架系统采用悬臂悬挂或地板固定。

Jubete说:“预计这将使车身外壳部分的重量减少30%，车门系统的重量减少10%到20%。”“新的室内设计理念(将)允许最多增加30%的容量，减少维护成本，并由于减轻重量而减少能源消耗。”

ELG碳纤维有限公司的产品开发工程师Camille Seurat补充说:“碳纤维复合材料可用于铁路行业的结构和非结构应用。当需要满足特定机械要求时，它们是理想的轻质材料。”许多非结构的应用已经被证明，如门，侧壁和地板。”

修拉和她的同事最近开发了世界上第一个碳纤维转向架。它比传统的金属转向架轻50%，并优化了垂直和横向刚度。

Seurat解释说:“传统的180级转向架由两个对称的纵向梁和两个连接它们的横梁组成。”它还包括用于附加组件的括号。所有这些部件焊接在一起形成框架。

“我们的碳纤维转向架框架由两个对称的上半部和两个对称的下半部组成，”Seurat说。“这种方法是一种生产少量组件的成本效益高的方法。

“内部攻丝板用于将支架连接到框架上，”Seurat说。“四个复合材料部分被粘在一起。内部舱壁已经通过舱口连接和外部连接是层压。然后，对整个结构进行后期养护。”