動車組車體的輕量化設(shè)計(jì)

(武漢高速鐵路職業(yè)技能訓(xùn)練段　湖北　武漢　430070)

一、車體結(jié)構(gòu)的輕量化技術(shù)

車體結(jié)構(gòu)輕量化的設(shè)計(jì)最重要目的：

(1)車輛自重減輕可以降低運(yùn)行阻力，節(jié)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(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)方法：

1.合理優(yōu)化的車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

德國ICE車長26.4米，鋼結(jié)構(gòu)自重為8.5-8.65噸

我國25A型車長25.5米，鋼結(jié)構(gòu)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(dāng)前采用鋁合金材料是車體結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)能夠由大型輕薄的擠壓型材的組合構(gòu)成，縱向可以采用自動焊接，提高了生產(chǎn)率和質(zhì)量。高速動車組的車輛越來越多地采用鋁合金車體結(jié)構(gòu)。

與鋼材相比，鋁合金的縱彈性系數(shù)(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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

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

圖1　單層車體結(jié)構(gòu)

雙殼結(jié)構(gòu)

以中空型材為中心構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，稱為雙殼結(jié)構(gòu)，相對于單殼結(jié)構(gòu)，質(zhì)量要重。中空材料根據(jù)材料本身所具有的面外剛度高的特性，可以省略在單殼結(jié)構(gòu)中必須使用的加強(qiáng)材料，從而能夠減少材料數(shù)量，也即降低成本。

近年來，由于重視車輛的舒適性，有觀點(diǎn)認(rèn)為也可以適當(dāng)增加車體結(jié)構(gòu)的重量。因此，高速車輛的車頂部車體結(jié)構(gòu)和側(cè)墻部車體結(jié)構(gòu)開始使用雙殼結(jié)構(gòu)。

雙殼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

①能夠達(dá)到車體高剛性要求、衰減噪音傳遞，從而提高車內(nèi)的乘車舒適度。

② 大幅減少零件數(shù)量，擴(kuò)大自動化焊接范圍，從而降低制造成本，提高質(zhì)量。

總之，綜合來看，這可以稱為目前最好的車體結(jié)構(gòu)。

二、車內(nèi)設(shè)備的輕量化技術(shù)

車內(nèi)設(shè)備材料，首先應(yīng)滿足功能要求和防火阻燃要求，裝飾板應(yīng)反映時(shí)代感，車內(nèi)設(shè)備約占客車總重量的20%，輕量化具有重要意義。

1.車內(nèi)設(shè)備如門、窗、行李架、座椅、供水設(shè)備、衛(wèi)生設(shè)備等等，均可選用輕合金或高分子工程材料和復(fù)合材料，使設(shè)備重量大大減輕。

僅座椅一項(xiàng)，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(nèi)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(zhì)而且剛度高的鋁制復(fù)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(shí)作為隔熱材料使用。中頂板采用泡沫復(fù)合裝飾板，采用螺釘與車頂型材固定。

4.其它設(shè)備的輕量化：如日本100系采用直流牽引電機(jī)，每臺重量為825kg(功率為230kw)，而300系采用交流感應(yīng)電機(jī)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(yōu)質(zhì)鐵-鋁合金，使導(dǎo)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(jié)論

不同運(yùn)用需求的動車組將對車體結(jié)構(gòu)提出不同要求，可根據(jù)需求特征和實(shí)際情況對車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理調(diào)整。但是，恰當(dāng)?shù)貙⒉牧虾徒Y(jié)構(gòu)合理匹配，在簡化結(jié)構(gòu)的前提下最有效地分散應(yīng)力并實(shí)現(xiàn)輕量化是動車組車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)堅(jiān)持的原則。

【參考文獻(xiàn)】

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