新型磁浮車鋁合金車體型材設(shè)計(jì)與分析

王國(guó)靜 劉宇 崔凱

（中車唐山機(jī)車車輛有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心，河北唐山 063035）

新型磁浮車鋁合金車體型材設(shè)計(jì)與分析

王國(guó)靜 劉宇 崔凱

（中車唐山機(jī)車車輛有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心，河北唐山 063035）

車體的設(shè)計(jì)是軌道交通車輛最重要的一部位，而車體型材設(shè)計(jì)體現(xiàn)了車體的基本安全性能。本文介紹了磁浮車車體鋁型材設(shè)計(jì)的幾種因素：型腔的設(shè)計(jì)，立筋的設(shè)計(jì)，圓角的設(shè)計(jì)，插口和焊接接頭的設(shè)計(jì)，承載C型槽的設(shè)計(jì)以及鋁型材材料的選取等，對(duì)磁浮車車體鋁型材的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

磁浮車體 鋁合金型材 輕量化 材料

磁浮車輛是近年來(lái)快速興起的新的軌道交通車輛。它是一種依靠磁力懸浮在空中運(yùn)行的列車，具有乘坐舒適、運(yùn)行安全、選線靈活、節(jié)地環(huán)保、噪聲低振動(dòng)小、維護(hù)簡(jiǎn)單等顯著優(yōu)勢(shì)。這種新型綠色交通磁浮車輛不僅要安全可靠更要輕量化，因此對(duì)車體選材及車體設(shè)計(jì)提出了較高的要求。本文主要對(duì)磁浮車輛車體選材及車體型材設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究，為今后的磁浮車輛車體的設(shè)計(jì)工作起到一定的指導(dǎo)作用。

1 磁浮車體選材及車體設(shè)計(jì)流程

根據(jù)某磁浮項(xiàng)目車輛安全可靠性要求以及輕量化理念，結(jié)合鋁合金自身的優(yōu)越性，此磁浮車車體選取鋁合金材料。根據(jù)總體技術(shù)規(guī)范要求以及輕量化理念和工藝性［1］，車體型材主要選用薄壁大斷面矩形鋁型材。詳見(jiàn)圖1車體選材及設(shè)計(jì)流程圖。經(jīng)靜強(qiáng)度校核，底架地板型材厚60mm，側(cè)墻型材厚50mm，車頂型材厚30mm滿足強(qiáng)度和剛度的要求，同時(shí)為降低成本，車頂平頂采取6塊共3種鋁型材組成。底架為7塊4種型材組成［2］。

2 車體型材的設(shè)計(jì)

2.1 型腔類型的設(shè)計(jì)

磁浮車車體鋁型材實(shí)現(xiàn)了安全性、可靠性和輕量化的設(shè)計(jì)理念。車體鋁型材型腔主要使用矩形型腔。經(jīng)靜強(qiáng)度計(jì)算驗(yàn)證了矩形型腔不僅滿足車體強(qiáng)度和剛度的要求，而且實(shí)現(xiàn)了車體的輕量化。磁浮車車體主要采用矩形型材，整個(gè)車體重量約3.7噸。比三角形型材為主體的同樣車長(zhǎng)的地鐵大概要輕1.5噸。

2.2 型材立筋的設(shè)計(jì)

磁浮車在設(shè)計(jì)型材的立筋時(shí)，同樣實(shí)現(xiàn)了輕量化。在不受載荷或載荷很小的部位均將型材立筋設(shè)計(jì)為2mm。而在底架邊梁和車頂邊梁受力較大位置將立筋設(shè)計(jì)成3mm和3.5mm。

2.3 型材圓角的設(shè)計(jì)

型材的立筋與壁板連接及立筋間的圓角設(shè)計(jì)也是非常重要的，首先要考慮避免應(yīng)力集中；其次由于立筋與壁板或立筋間相交地方的應(yīng)力較大，因而這一區(qū)域的材料厚度通過(guò)倒圓角的方式來(lái)增加；同時(shí)還要考慮該處是否有直接受力情況。

3 型材壁厚的設(shè)計(jì)

3.1 載荷對(duì)型材壁厚的影響

型材的壁厚設(shè)計(jì)原則取決于車體自身的強(qiáng)度要求，按照磁浮車總體設(shè)計(jì)要求及磁浮車輕量化要求，將側(cè)墻、車頂以及底架的地板型材的壁厚均設(shè)計(jì)為2.3mm，通過(guò)強(qiáng)度計(jì)算驗(yàn)證，2.3mm的壁厚能夠滿足車體強(qiáng)度要求。而在底架邊梁承受縱向受力及車下裙板的吊裝要求位置，型材壁厚的設(shè)計(jì)要特殊考慮，不僅要實(shí)現(xiàn)安裝的功能性和安全性同時(shí)要實(shí)現(xiàn)輕量化，此位置的型材壁厚設(shè)計(jì)為3mm和4mm。

3.2 吊裝C槽的設(shè)計(jì)

承載C型槽，主要是滿足安裝座椅和吊裝設(shè)備，受力較大，為此在設(shè)計(jì)承載用C槽時(shí)，將連接C槽的根部進(jìn)行局部加厚，同時(shí)考慮滑塊的大小，根據(jù)總體要求，除空調(diào)安裝有特殊要求外，此磁浮車車體鋁型材自帶C槽實(shí)現(xiàn)通用性，采取了相同的尺寸。

3.3 擠壓工藝對(duì)型材壁厚的影響

型材的壁厚除了受型材自身所受載荷的影響外，還受到擠壓工藝的影響。對(duì)于復(fù)雜型材，型材壁厚要設(shè)計(jì)厚一些，便于擠壓；同時(shí)型材的壁厚還需考慮截面的變化對(duì)擠壓的影響［3-4］。

4 型材插口及接頭的設(shè)計(jì)

4.1 型材插口的設(shè)計(jì)

磁浮車車體鋁型材的插口設(shè)計(jì)對(duì)焊接和車體組裝工藝很重要。型材插口的設(shè)計(jì)一方面要考慮型材的連接，另一方面還要考慮焊接的性能，常見(jiàn)大部件型材之間的連接采用的插口有插接和搭接兩種方式。底架邊梁與地板型材通常采用搭接方式，用于調(diào)整底架的寬度，搭接插口調(diào)整量比較大，插口間采用角焊縫。地板型材之間通過(guò)對(duì)接形式的插口，其調(diào)整量較少，焊接收縮量由底架邊梁與地板型材的調(diào)整量去滿足，同理車頂部位型材與型材之間也采用對(duì)接的插口形式。側(cè)墻與底架以及側(cè)墻與車頂之間采取對(duì)接的插口方式，組裝方便且能夠很好的滿足外觀要求。

4.2 型材焊接接頭的設(shè)計(jì)

對(duì)于焊透的型材母材與焊接墊板融為一體，形成帶有熔池的焊接接頭，型材自身設(shè)計(jì)成帶有焊接接頭，一方面能夠減少焊接量，另一方面能夠減少焊接變形，因此型材自身設(shè)計(jì)成帶有焊接接頭后減少車間工作量的同時(shí)提高了焊縫的質(zhì)量。

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要敘述了磁浮車輛車體的選材及對(duì)選材后的鋁車體型材在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的幾種因素：型腔類型、立筋厚度、型材內(nèi)部圓角、型材插口和焊接接頭、承載C型槽以及型材材料的選取，同時(shí)鋁型材的擠壓工藝性以及鋁型材的承載結(jié)構(gòu)等在設(shè)計(jì)時(shí)也要考慮。在設(shè)計(jì)鋁型材時(shí)，應(yīng)根據(jù)型材的使用功能和具體的受力情況，考慮以上各種因素，只有比較全面的綜合考慮各方面的因素才能設(shè)計(jì)出滿足車體要求的鋁型材。

［1］總體技術(shù)規(guī)范［S］.

［2］EN12663.鐵道應(yīng)用-軌道車身的結(jié)構(gòu)要求［S］.

［3］劉靜安.大型工業(yè)鋁合金型材的擠壓生產(chǎn)工藝與關(guān)鍵技術(shù)［J］.鋁加工，2001（2）∶1-6.

［4］劉靜安，張勝華.鋁材在鐵道車輛輕量化中的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用［M］.長(zhǎng)沙∶中國(guó)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)出版社，1995.

時(shí)速160公里新型中速磁浮試驗(yàn)車研制.項(xiàng)目編號(hào)：5212302-X243

王國(guó)靜（1981—），女，滿族，天津人，碩士，工程師，研究方向：車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。