輕量化設(shè)計在地鐵車輛上的應(yīng)用探討及分析

蔣百威

摘要：輕量化是響應(yīng)國家節(jié)能減排要求的重要舉措，是衡量車輛先進與否的重要參數(shù)。在滿足用戶需求并保證車輛有足夠的強度裕量前提下，對車輛進行輕量化設(shè)計，是先進的城軌地鐵車輛設(shè)計理念、成熟的制造工藝性體現(xiàn)。本文從既有成熟的城軌地鐵車輛上借鑒經(jīng)驗，結(jié)合城市軌道車輛的發(fā)展技術(shù)方向，分別從材料選型、部件設(shè)計、連接技術(shù)、系統(tǒng)功能整合等方面就車輛輕量化設(shè)計提出相應(yīng)措施進行探討分析。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛;輕量化;結(jié)構(gòu)設(shè)計

0 ?引言

城市軌道交通的發(fā)展是解決國家交通擁堵問題的有效途徑。統(tǒng)計資料顯示，在線運行、在建和規(guī)劃建設(shè)的城市軌道交通線路中地鐵制式占比接近80%，將近其它軌道交通制式總和的4倍。表明現(xiàn)階段地鐵仍是我國城市軌道交通的主體部分，當前解決了中國地鐵的問題相當于解決了我國城市軌道交通的問題。

“十三五”發(fā)展以來，國家大力倡導(dǎo)發(fā)展軌道交通系統(tǒng)，構(gòu)建綜合、綠色、安全、智能的立體化世界一流現(xiàn)代化城市交通系統(tǒng)，國內(nèi)的軌道交通行業(yè)開展自主創(chuàng)新，在軌道交通裝備方面取得了長足的進步，逐步突破制約行業(yè)發(fā)展的核心技術(shù)，車輛實現(xiàn)自主設(shè)計、制造、試驗、驗證。重量作為衡量整車的一個參數(shù)，合理的控制重量是改善車輛運行工況的重要因素。其中車輛輕量化方面，在符合合理的成本條件下，降低車輛自重，減少運動阻力，就是起到對整車車輛使用時經(jīng)濟的效益最大化，從而響應(yīng)了國家環(huán)保節(jié)能的重要舉措。

本文從車輛系統(tǒng)及部件的最新發(fā)展技術(shù)角度，對車輛可實現(xiàn)輕量化的措施和輕量化方向進行介紹。

1 ?車輛輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計的措施探討

1.1 特殊材料的選型設(shè)計

車輛實現(xiàn)輕量化，首先在確保車輛結(jié)構(gòu)的剛度和強度，選用合理的材料越發(fā)重要。目前在車內(nèi)的復(fù)合材料應(yīng)用比例越來越多，像P3板、AIR-PLU板、酚醛樹脂發(fā)泡板、輕芯鋼等材料逐步發(fā)展起來。輕芯鋼是一種新型復(fù)合材料，圖1所示，密度約為玻璃鋼的五分之一，具有輕質(zhì)度高、隔音降噪、保溫阻燃、耐腐功能，可應(yīng)用在城軌道車輛上的風(fēng)道、地板、頂板、側(cè)墻上，從而實現(xiàn)地鐵車輛局部的減重。

在車輛頂部空調(diào)、車輛下部材料選用方面，從傳統(tǒng)的碳鋼、不銹鋼材料，到目前可應(yīng)用輕質(zhì)鋁合金、鋁基復(fù)合材料，如圖2、圖3所示。其中鋁基合金材料重量輕，摩擦系數(shù)穩(wěn)定、散熱性好，在車輛頂部和車下適當位置的應(yīng)用可降低約60%的重量。

近年來鎂合金材料在軌道車輛上也有應(yīng)用案例，如圖4所示，此產(chǎn)品為我司某項目車輛內(nèi)部的縱橫梁。鎂合金具有質(zhì)量輕、強度、振動衰減特性優(yōu)良的特點，但同時對加工工藝、耐火、耐腐蝕提出較高要求。它的比重約鋁合金的68%，其成本與鋁合金差異不是很多，應(yīng)用推廣具有較大前景。

1.2 輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計

當前城市軌道交通車輛車體所用材料主要為鋁合金、不銹鋼，車體結(jié)構(gòu)包括由上部承力梁、下部承力梁、立柱、側(cè)梁而構(gòu)成框架結(jié)構(gòu)。車體結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計，主要通過優(yōu)化車輛斷面型材，簡化內(nèi)部安裝接口，適當減少底架地板等部件的強度冗余，在強度薄弱的位置加強，使車體滿足高抗拉壓性能的同時，從而實現(xiàn)車體的輕量化的目的。例如在相同高度等條件下，采用鼓型斷面將比直型斷面更重，如圖5所示。在提供大的客室空間并滿足車輛載客需求下，選用優(yōu)化后的車體斷面對整車的重量是有重要意義的。因此，采用優(yōu)化后的鼓型、直形車輛斷面，直接決定了內(nèi)部的安裝接口，根據(jù)設(shè)定合理的接口和簡化安裝的附件，同樣能達到降重量的目的。

在軌道車輛上，通過各系統(tǒng)標準化、模塊化的集成設(shè)計，可以實現(xiàn)部件有效降重。例如某車型的制動供風(fēng)模組設(shè)計，模塊安裝與控制功能實現(xiàn)一體化，有效降低框架使用量。

此外軌道車輛上，部分結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，可實現(xiàn)輕量化目的。例如車頭位置的防爬裝置如圖7、圖8所示，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)及原理設(shè)計，在有限空間下，其采用刨削式吸能原理和玻璃纖維增強型的吸能裝置，滿足一定的碰撞力條件下，其結(jié)構(gòu)設(shè)計相對輕便。

1.3 車體新型的表面工藝及連接技術(shù)

當前城市軌道交通車輛的發(fā)展以綠化環(huán)保、低碳節(jié)能、可持續(xù)發(fā)展為目標，其車體材料以鋁合金為主體的技術(shù)方案越來多，但鋁合金車體的涂裝等也是車輛考慮的工藝之一。這是由鋁合金材料耐腐蝕性能決定的，目前已在開展鋁合金免涂裝車體工藝研究，免涂裝車體表面處理可采用拉絲或涂納米陶瓷等新型的工藝。隨著技術(shù)的發(fā)展，未來的免涂裝車體將是綠化環(huán)保的發(fā)展技術(shù)方向，也是對整車輕量化的技術(shù)設(shè)計體現(xiàn)。此外車體連接的新技術(shù)如攪拌摩擦焊、電阻點焊已逐漸成熟應(yīng)用，激光焊、新型釬焊等連接技術(shù)不斷發(fā)展，隨著工藝技術(shù)發(fā)展，逐步實現(xiàn)簡化車體接頭設(shè)計，減少填充材料，推動車體結(jié)構(gòu)的輕量化向前發(fā)展。

1.4 車輛系統(tǒng)功能整合

①通過合理配置牽引系統(tǒng)，使系統(tǒng)功能的設(shè)備總質(zhì)量下降。以碳化硅為功率模塊的牽引系統(tǒng)，實現(xiàn)輕量化的箱體設(shè)計;永磁同步牽引技術(shù)，具有能耗低、噪聲低等特點;永磁電機具有體積小、重量輕、過載能力強、效率高等優(yōu)點，使車輛更節(jié)能環(huán)保、平穩(wěn)舒適，如圖9所示。

②改善車輛輔助系統(tǒng)，實現(xiàn)小型化和輕量化。如車輛上電池輔助系統(tǒng)，若采用鋰電池的應(yīng)用，則相比鉛酸、鎳鎘蓄電池，在重量、尺寸、循環(huán)壽命等方面具有優(yōu)勢，如圖10所示;高頻輔變的應(yīng)用，則提高輔助電源功率密度，降低系統(tǒng)電磁噪聲，實現(xiàn)箱體的小型化及輕量化。

采用集成式模塊化設(shè)計方案。

③車內(nèi)多功能技術(shù)的整合。例如在車內(nèi)門立柱上整合局部加熱裝置等，如圖11。此外在整車上除上述提及的還有熱泵變頻空調(diào)技術(shù)、LED照明技術(shù)等集成從而實現(xiàn)列車輕量化目的。

總之，從車輛總體到系統(tǒng)部件進行統(tǒng)計分析，結(jié)合各系統(tǒng)主要技術(shù)特點，提取主要特征及性能參數(shù)的主流配置，分析歸納出實現(xiàn)可實現(xiàn)車輛輕量特征的技術(shù)路線，從而實現(xiàn)整車自重的控制。

2 ?結(jié)論

通過上述的探討分析，整車節(jié)約重量潛力可從以下幾方面進行：

①選用新材料和設(shè)計新結(jié)構(gòu)實現(xiàn)整車的輕量化;

②在滿足載客空間下，對車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化及輕量化設(shè)計，并選用合理斷面;

③采用新型工藝技術(shù)，重點關(guān)注表面處理技術(shù)的改進及新型的連接工藝;

④牽引輔助、制動等系統(tǒng)的合理配置，功能系統(tǒng)的整合，降低系統(tǒng)重量。

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