新型磁浮車鋁合金車體型材設計與分析

王國靜 劉宇 崔凱

（中車唐山機車車輛有限公司產品研發中心，河北唐山 063035）

新型磁浮車鋁合金車體型材設計與分析

王國靜 劉宇 崔凱

（中車唐山機車車輛有限公司產品研發中心，河北唐山 063035）

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

磁浮車體 鋁合金型材 輕量化 材料

磁浮車輛是近年來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行的列車，具有乘坐舒適、運行安全、選線靈活、節地環保、噪聲低振動小、維護簡單等顯著優勢。這種新型綠色交通磁浮車輛不僅要安全可靠更要輕量化，因此對車體選材及車體設計提出了較高的要求。本文主要對磁浮車輛車體選材及車體型材設計方法進行了研究，為今后的磁浮車輛車體的設計工作起到一定的指導作用。

1 磁浮車體選材及車體設計流程

根據某磁浮項目車輛安全可靠性要求以及輕量化理念，結合鋁合金自身的優越性，此磁浮車車體選取鋁合金材料。根據總體技術規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。詳見圖1車體選材及設計流程圖。經靜強度校核，底架地板型材厚60mm，側墻型材厚50mm，車頂型材厚30mm滿足強度和剛度的要求，同時為降低成本，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 車體型材的設計

2.1 型腔類型的設計

磁浮車車體鋁型材實現了安全性、可靠性和輕量化的設計理念。車體鋁型材型腔主要使用矩形型腔。經靜強度計算驗證了矩形型腔不僅滿足車體強度和剛度的要求，而且實現了車體的輕量化。磁浮車車體主要采用矩形型材，整個車體重量約3.7噸。比三角形型材為主體的同樣車長的地鐵大概要輕1.5噸。

2.2 型材立筋的設計

磁浮車在設計型材的立筋時，同樣實現了輕量化。在不受載荷或載荷很小的部位均將型材立筋設計為2mm。而在底架邊梁和車頂邊梁受力較大位置將立筋設計成3mm和3.5mm。

2.3 型材圓角的設計

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

3 型材壁厚的設計

3.1 載荷對型材壁厚的影響

型材的壁厚設計原則取決于車體自身的強度要求，按照磁浮車總體設計要求及磁浮車輕量化要求，將側墻、車頂以及底架的地板型材的壁厚均設計為2.3mm，通過強度計算驗證，2.3mm的壁厚能夠滿足車體強度要求。而在底架邊梁承受縱向受力及車下裙板的吊裝要求位置，型材壁厚的設計要特殊考慮，不僅要實現安裝的功能性和安全性同時要實現輕量化，此位置的型材壁厚設計為3mm和4mm。

3.2 吊裝C槽的設計

承載C型槽，主要是滿足安裝座椅和吊裝設備，受力較大，為此在設計承載用C槽時，將連接C槽的根部進行局部加厚，同時考慮滑塊的大小，根據總體要求，除空調安裝有特殊要求外，此磁浮車車體鋁型材自帶C槽實現通用性，采取了相同的尺寸。

3.3 擠壓工藝對型材壁厚的影響

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。對于復雜型材，型材壁厚要設計厚一些，便于擠壓；同時型材的壁厚還需考慮截面的變化對擠壓的影響［3-4］。

4 型材插口及接頭的設計

4.1 型材插口的設計

磁浮車車體鋁型材的插口設計對焊接和車體組裝工藝很重要。型材插口的設計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，用于調整底架的寬度，搭接插口調整量比較大，插口間采用角焊縫。地板型材之間通過對接形式的插口，其調整量較少，焊接收縮量由底架邊梁與地板型材的調整量去滿足，同理車頂部位型材與型材之間也采用對接的插口形式。側墻與底架以及側墻與車頂之間采取對接的插口方式，組裝方便且能夠很好的滿足外觀要求。

4.2 型材焊接接頭的設計

對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，型材自身設計成帶有焊接接頭，一方面能夠減少焊接量，另一方面能夠減少焊接變形，因此型材自身設計成帶有焊接接頭后減少車間工作量的同時提高了焊縫的質量。

5 結語

本文主要敘述了磁浮車輛車體的選材及對選材后的鋁車體型材在設計時要考慮的幾種因素：型腔類型、立筋厚度、型材內部圓角、型材插口和焊接接頭、承載C型槽以及型材材料的選取，同時鋁型材的擠壓工藝性以及鋁型材的承載結構等在設計時也要考慮。在設計鋁型材時，應根據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計出滿足車體要求的鋁型材。

［1］總體技術規范［S］.

［2］EN12663.鐵道應用-軌道車身的結構要求［S］.

［3］劉靜安.大型工業鋁合金型材的擠壓生產工藝與關鍵技術［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發與應用［M］.長沙∶中國工業大學學報出版社，1995.

時速160公里新型中速磁浮試驗車研制.項目編號：5212302-X243

王國靜（1981—），女，滿族，天津人，碩士，工程師，研究方向：車體結構設計。