動車組車體的輕量化設計

(武漢高速鐵路職業技能訓練段　湖北　武漢　430070)

一、車體結構的輕量化技術

車體結構輕量化的設計最重要目的：

(1)車輛自重減輕可以降低運行阻力，節約牽引力和制動力；

(2)可減小對鋼軌的壓力，從而減少輪對和鋼軌的磨耗；

(3)降低列車對線路損壞的程度；

(4)直接減少車輛材料損耗等。

車體結構的輕量化設計方法：

1.合理優化的車體結構設計

德國ICE車長26.4米，鋼結構自重為8.5-8.65噸

我國25A型車長25.5米，鋼結構自重為13.1-13.2噸

2.采用新材料

采用抗腐蝕的不銹鋼和耐候鋼、鋁合金材料。

當前采用鋁合金材料是車體結構輕量化設計的最普遍的方法

3.鋁合金連接性能的解決方法

鋁合金接合與鋼的相比，施工難度比較大。

但是，隨著近年來鋁合金擠壓型材的輕薄化和大型化，車體結構能夠由大型輕薄的擠壓型材的組合構成，縱向可以采用自動焊接，提高了生產率和質量。高速動車組的車輛越來越多地采用鋁合金車體結構。

與鋼材相比，鋁合金的縱彈性系數(楊氏模量)及比重約為1/3。因此，與全部是鋼制車相比，鋁合金車體重量就能夠輕很多。但是，車體結構的等效彎曲剛度也降低至1/3，增大了車體的撓度，從而影響車輛的基本性能(特別是乘車舒適度)。

單層車體結構

最初采用擠壓型材是以使用薄型材的單殼車體結構為主流，在車頂和側墻為中心的外板上安裝加強材料形狀的薄型材。也有部分底架結構采用中空型材的，但是，由于中空型材本質上就比單殼的重，因此要在限制的許可質量中有限度地使用。

圖1　單層車體結構

雙殼結構

以中空型材為中心構成的結構，稱為雙殼結構，相對于單殼結構，質量要重。中空材料根據材料本身所具有的面外剛度高的特性，可以省略在單殼結構中必須使用的加強材料，從而能夠減少材料數量，也即降低成本。

近年來，由于重視車輛的舒適性，有觀點認為也可以適當增加車體結構的重量。因此，高速車輛的車頂部車體結構和側墻部車體結構開始使用雙殼結構。

雙殼結構的優點

①能夠達到車體高剛性要求、衰減噪音傳遞，從而提高車內的乘車舒適度。

② 大幅減少零件數量，擴大自動化焊接范圍，從而降低制造成本，提高質量。

總之，綜合來看，這可以稱為目前最好的車體結構。

二、車內設備的輕量化技術

車內設備材料，首先應滿足功能要求和防火阻燃要求，裝飾板應反映時代感，車內設備約占客車總重量的20%，輕量化具有重要意義。

1.車內設備如門、窗、行李架、座椅、供水設備、衛生設備等等，均可選用輕合金或高分子工程材料和復合材料，使設備重量大大減輕。

僅座椅一項，日本采用鋁-鋼合制或全鋁制雙人座椅，其重量由原鋼制的56kg分別降為32kg和24kg，聚碳酸脂(PC)板材作為透明車窗材料，重量約為同厚度玻璃的1/15，而且透光、耐壓、耐沖擊均較普通玻璃好，能方便地制作車輛通長的車窗。

2.車內裝飾板材廣泛采用薄膜鋁合金墻板，工程塑料頂板等。

3.頂板使用了輕質而且剛度高的鋁制復合面板，表面敷貼防火板。車頂上粘貼密胺類抗振支持材料，密胺類抗振支持材料具有較好的隔熱性能,因此同時作為隔熱材料使用。中頂板采用泡沫復合裝飾板，采用螺釘與車頂型材固定。

4.其它設備的輕量化：如日本100系采用直流牽引電機，每臺重量為825kg(功率為230kw)，而300系采用交流感應電機后，每臺重量僅為390kg(功率增至300kw)。

德國(ICE3)的主變壓器鐵芯采用優質鐵-鋁合金，使導磁率提高4-5倍，又將銅編線改為鋁編線，冷卻使用硅油，這樣其總重由11.5噸降為7噸等等。

結論

不同運用需求的動車組將對車體結構提出不同要求，可根據需求特征和實際情況對車體結構進行合理調整。但是，恰當地將材料和結構合理匹配，在簡化結構的前提下最有效地分散應力并實現輕量化是動車組車體結構設計堅持的原則。

【參考文獻】

[1]張衛華.高速列車頂層設計指標研究[J].成都：鐵道學報，2012(09).

[2]權高峰，李瑞淳，張英波.軌道列車車體新材料輕量化應用效益研究[OL].中國科技論文在線，2012(01).