高速動車組鋁合金車體輕量化方向

尹華

摘要：高速動車組的速度在不斷提升，在提升牽引功率的同時，為了降低能耗，降低車輛的結構重量同樣關鍵。一列動車組，鋁合金車體的重量約占整車重量的五分之一。本文從計算和試驗評價標準、復合材料的應用、7000系鋁合金的應用三個方面闡述了高速動車組鋁合金車體的輕量化思路，供后續設計參考和研究。

關鍵詞：動車組;鋁合金;車體;輕量化

引言

目前，國內外超過200km/h速度等級的高速列車車體材料基本都是鋁合金，是因為鋁合金車體具有以下優點：1）能大幅度降低車輛自重，在相同條件下，與鋼質車相比自重降低約30%～35%。2）具有較小的密度及楊氏模量，對沖擊載荷有較高能量吸收能力。3）可運用大型中空擠壓型材進行氣密性設計，提高車輛密封性能。4）采用大型中空擠壓型材制造的板塊式結構，可減少車體同設備之間連接元件的重量與數量。5）可設計性強，成型容易，整車焊接量小，制造成本低。

盡管目前的鋁合金車體重量已經很輕，但隨著高速列車速度的不斷提升，為了節省牽引功率，降低列車的運行能耗，減少車輛對線路的沖擊，提高車輛的啟動加速度及制動減速度，仍需要對鋁合金車體做進一步的輕量化研究，根據近幾年的大量試驗及實際車輛運用經驗分析，高速動車組鋁合金車體可以從計算和試驗評價標準優化、復合材料應用、7000系鋁合金應用、工況優化等方面進行輕量化。

1.計算和試驗評價標準優化

近幾年研發的高速動車組中，大部分鋁合金車體都采用了攪拌摩擦焊技術，但是只用到了攪拌摩擦的焊接變形小及焊縫成型穩定的優點，并沒有應用到焊接接頭強度更高的優勢。在進行車體結構強度校核和試驗時，攪拌摩擦焊焊接接頭的疲勞強度和靜強度是用相對應的弧焊標準進行替代的，偏于保守。通過大量的攪拌摩擦焊與MIG焊的焊接接頭性能對比（軌道車輛的車鉤座和裙板）表明，采用攪拌摩擦焊的鋁合金焊接接頭性能明顯優于傳統MIG焊，MIG焊接頭的屈服強度約為母材的65%，FSW接頭的屈服強度可達到母材的80%。同時，攪拌摩擦焊焊接接頭的疲勞性能也優于MIG焊。如果后續用攪拌摩擦焊的實際數據進行計算和試驗，牽枕緩區域的結構不僅可以得到優化，重量也會降低很多。

在對鋁合金車體靜強度分析和試驗時，目前采用的評價標準為EN 1999-1-2007，以EN AW-6005A-T6狀態鋁合金為例，母材的屈服強度為200MPa，焊接接頭的屈服強度為115MPa，而在眾多的實際測試中，焊接接頭的屈服強度都能達到母材的65%。說明在目前焊接工藝水平、工藝穩定性、原材料品質都得到提升的情況下，焊接接頭的性能也得到了改善，而標準中的數據為不同的工藝水平總結出的過于安全、偏保守的數據。所以，建議以后的車體計算和試驗評價標準值應該用試驗值，因為這樣更能反應出樣件的實際工藝影響和具體結構影響。同時，用此方法進行評價，能更有效的降低車體的重量。

在對鋁合金車體疲勞強度進行分析時，目前采用的評價標準為國際焊接學會的IIW2008標準或德國的DVS標準。在計算時，首先要確定焊接接頭形狀，與標準中的接頭類型進行對比，確定許用應力或S-N曲線。實際在具體的項目執行過程中發現，標準中的焊接接頭與項目中應用的焊接接頭很多都不一致，等于在開始計算時已經做了假定，而且為了保守起見，一般都選偏安全的焊接接頭為參考對象，導致余量過大。所以，建議以后的車體計算評價標準值應該用試驗S-N曲線，這樣更能反應出樣件的實際工藝影響和具體結構影響。同時，用此方法進行評價，能更有效降低車體的重量。

國內的動車組都要對鋁合金車體進行氣動載荷的承受能力評估，包括靜強度和疲勞氣密強度，250km/h速度等級的動車組一般按±4000Pa進行校核，350km/h速度等級的動車組一般按±6000Pa進行校核。通過線路空氣動力學測試發現，計算時車身全部區域都按同一數值校核偏于保守，實際車身大部分區域的氣動載荷值都達不到這個值。其次，疲勞氣密強度都按1000萬次進行評估過于苛刻，根據目前中國高鐵的線路建設情況及每年列車的服役情況進行分析，疲勞氣密強度的次數在25萬次左右比較合適。如果按1000萬次或200萬次進行校核，會導致車體結構過設計。所以根據車輛實際運用線路條件及車體不同區域受載不同去校核鋁合金車體的氣密強度更有利于車體結構的輕量化。

2.復合材料應用

近幾年，國內的工業用復合材料發展非常迅速，尤其是碳纖維材料，而且也在軌道交通行業陸續進行了嘗試，雖然尚未大批量應用到所有結構，但其一些優良性能已經得以充分的展示和驗證。碳纖維很輕而且強度高，這些都是制造車體結構的優勢，但是受制于目前生產工藝的穩定性、失效檢測手段欠缺、驗證評價標準不統一、實際運用經驗較少等因素的制約，碳纖維材料還不能完全替代鋁合金應用到高速動車組的車體主體結構上，但高速動車組車體上的一些附屬結構完全可以用碳纖維材料進行替代，比如車內的連接件和密封件，如果這些連接件用復合材料進行替代，在保證強度的同時，其減振效果更加優良，而且為車體的輕量化貢獻顯著，板梁結構車體減重效果更加明顯。

37000系鋁合金應用

7000系鋁合金在軌道交通行業已經有很多年的應用業績，尤其是日本的高速公車組，為了車體的輕量化和高承載需求，車體很多主承載結構用的都是7000系鋁合金，這得益于日本7000系鋁合金的質量較高，無論是板材還是型材，其性能遠遠優于國內同等牌號的材料。國內很多車輛的車體結構也應用了7000系鋁合金，包括高速動車組的車體和城鐵車的車體，但因為一些原材料的質量問題，目前用量在逐漸的減少。分析7000系鋁合金曾經在車輛上出現的問題，其實主要有兩方面的原因，一是國內的材料抗腐蝕能力較差，包括抗疲勞腐蝕、抗應力腐蝕和抗剝離腐蝕，二是對材料的焊接工藝控制還不是很成熟，當原材料的質量不是很好時，再加上焊接的影響，問題就會更加突出。以上問題如果從原材料加以控制，并加以充分的試驗驗證，完全可以得到解決。7000系鋁合金中的7020牌號鋁合金的焊接接頭屈服強度為205MPa，而6005A的焊接接頭屈服強度為115MPa，如果7000系鋁合金替代目前的6000系鋁合金在車體上得以大批量的使用，車體至少能減重0.6t。

4.結語

抓住設計過程中的主要矛盾和次要矛盾，仔細分解車輛運行環境和應用工況，充分發揮材料的可設計性，通過對評價標準的優化、復合材料的應用和7000系鋁合金的應用，可進一步的降低高速動車組鋁合金車體的重量。

參考文獻

[1] 常樹民，馬紀軍，鋁合金車體結構設計構思，2004，9。

[2] 王立航，方吉，馬紀軍. 鋁合金車體疲勞壽命預測新方法及其應用，2010，6。

（作者單位：中車長客股份有限公司車體研發部）