高速動車組輕量化技術與應用研究

李國順，郭力榮，陳 璨，張義超，張紅衛

(中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京 100081)

高速動車組輕量化不僅能降低輪軌間的相互作用力，有利于提速降噪，而且可以改善輪軌的磨損與變形，降低動車組與線路的維護成本，同時還能改善車輛的振動水平，提高車輛的運行穩定性和旅客乘坐舒適性。此外，高速動車組的質量與運行阻力密切相關，降低車輛質量能有效降低機械阻力和坡道阻力，同時減小加減速條件下車輛間的沖擊作用。動車組質量減小10%，運行能耗可降低7%[1]。由于動能與質量成正比，動車組輕量化可減小隨運行速度提高而增大的制動吸收能，改善列車制動性能，提高運行安全性[2]。若動車組運行速度從220 km/h提高至270 km/h，列車動能增加約50%。在上述基礎上，如果動車組質量降低30%，則列車動能僅增加5%[3]。

輕量化水平已成為評價世界各國高速動車組綜合實力的重要指標。事實上，高鐵技術發達國家的高速動車組均以節能降耗、輕量化作為基本訴求，采用的技術包括新型輕質高強度材料、新型結構和新型電子元器件等。日本的N700系列車車體頂部采用了玻璃纖維復合材料(CFRP)，實現了減重500 kg且降低了車輛重心，改善了氣密性能[4]。韓國的TTX(Title Train eXpress)車體采用碳纖維三明治復合材料構建鋁蜂窩夾芯結構，與傳統鋁合金車體相比，實現了減重40%[5]。法國的TGV雙層車體采用蜂窩夾層復合材料和真空袋固化成型，相較鋁合金車體減重25%以上[6]。

我國高速動車組輕量化技術起步較晚，但發展迅速，基本實現了非承載結構、次承載結構以及零部件的輕量化，并已開展主承載結構的輕量化研究。中國標準動車組設備艙采用碳纖維復合材料，相較于鋁合金設備艙減重35%[7]。車內設備方面，如采用鋁-鋼合制或全鋁制雙人座椅，質量將由原鋼制座椅56 kg分別降低至32 kg和24 kg；車窗如采用聚碳酸酯材料，質量僅為相同厚度玻璃車輛質量的1/15。牽引系統方面，采用新型高頻電力電子變壓器，與傳統牽引變壓器相比，質量降低了50%且節省安裝空間10%以上。

隨著高速動車組運行速度的提升，動車組輕量化在減少能耗和碳排放、提升旅客乘坐舒適性、改善制動性能等方面的優勢逐漸凸顯。由此可見，發展輕量化技術具有重要的科學和工程意義。

1 動車組質量組成

掌握動車組質量組成和分布情況是輕量化設計的必要條件。高速動車組主要由車體、轉向架、牽引系統、制動系統、車端連接系統、給水衛生系統、空調系統等組成。圖1給出了相同速度等級的A型、B型高速動車組各系統質量占比情況，圖中的其他是指動車組的連接電纜、螺栓、管路、支架等附屬設施。A型高速動車組總質量為438.9 t，B型高速動車組總質量為455.2 t，二者總質量相差16.3 t。從圖1中可以看出，盡管不同型號動車組總質量相差較大，但各系統的質量占比趨勢基本相同。值得注意的是，由于螺栓、管路等附屬設施統計方法不同，導致其他部分的質量占比略有差異。

圖1 動車組各系統質量占比

根據動車組各系統質量情況，可以將其分為主承載結構、大型設備設施、非承載結構及次承載結構。主承載結構主要包括車體和轉向架，總質量占比超過了40%。其中，轉向架質量占比分別為21.8%和24.6%；車體質量占比分別為20.5%和18.7%。通過采用輕量化材料和優化結構，可以有效降低主承載結構的質量。大型設備設施主要涉及牽引系統、車上設施和制動系統，質量占比超過了20%。通過采用新技術可以實現大型設備設施的集成化、小型化和輕量化。非承載結構、次承載結構主要有設備艙、座椅和空調系統等，質量占比一般不超過15%。非承載結構、次承載結構的輕量化技術相對比較成熟，并且已取得了良好的減重效果。

為了實現更高水平的輕量化，針對車體、轉向架等大質量、大體積的主承載結構以及大型關鍵設備設施的輕量化研究，將是新一代動車組輕量化研究的重點和難點。

2 輕量化原則及難點

高速動車組是一個復雜的互相耦合的大系統，必須從系統工程的角度考慮輕量化技術以及其帶來的影響。以車體輕量化為例，若采用新型輕量化材料降低車體質量，則必須考慮車體結構的剛度、強度、模態等性能指標是否符合要求，以及對車體流固耦合關系的影響。同樣的，對轉向架進行輕量化設計也必須考慮對輪軌關系的影響。在保障運行安全的前提下，動車組輕量化設計仍面臨很多難點。

2.1 結構安全性難點

近年來，高速動車組部件疲勞斷裂事故時有發生，嚴重影響行車安全。無論采用新型復合材料還是對結構進行優化，往往都會對結構的疲勞強度性能產生重大影響。與金屬材料相比，復合材料結構更加復雜，強度分析理論尚不完善，缺乏充足的試驗支撐，尚未建立統一有效的強度評價體系。輕量化設計原則的頂層設計指標仍存在分歧，焊接質量及焊接后連接件的結構安全仍需進一步的研究，由此導致的一系列結構安全性問題將是動車組輕量化必須解決的關鍵問題。

2.2 復合材料運維難點

新型復合材料是實現動車組輕量化的關鍵技術，但其輕量化設計思路和制造工藝與傳統金屬材料差異較大。傳統金屬材料結構承受拉力的結構為關鍵部位，而新型復合材料結構不同，其承受壓力的結構為關鍵部位，尤其是沖擊損傷。目前，普遍采用損傷容限理論進行新型復合材料的設計和維護，對于結構微小損傷進行監控但不處理，由此導致2個關鍵問題：臨界損傷尺寸如何確定；微小損傷擴展至臨界損傷尺寸的擴展速度如何預測。

針對傳統金屬材料，上述2個問題可以利用豐富的試驗數據，提出科學合理的評估措施。但新型復合材料的臨界損傷尺寸和擴展速度尚缺乏足夠的試驗數據支撐，這給動車組的運用與維護帶來了巨大挑戰。如何制定科學合理的運維策略，保證行車安全，降低運維成本，將是輕量化面臨的又一難點。

2.3 與整車性能的匹配關系

車體輕量化會降低車體剛度，加劇車體彈性振動，增大動車組振動水平，嚴重影響旅客乘坐舒適性[8]。高速動車組結構的空氣動力學性能對列車的運行穩定性有顯著影響，輕量化結構或新型復合材料是否滿足空氣動力學要求，仍需進行大量試驗驗證。輕量化與噪聲指標的交叉分析在不考慮聲學參數優化設計的情況下，型材結構的輕量化會導致其隔聲性能降低、振動輻射噪聲增加。隨著車體結構質量的降低，地板型材、平頂型材的計權隔聲量也有所降低。低頻結構噪聲控制與輕量化的矛盾突出，導致有限空間和質量對減振降噪結構設計的限制，而既有傳統降噪技術難以解決中低頻噪聲問題。輕量化設計時，需利用聲學超結構定制化設計開發新型降噪結構，協調與輕量化的取舍問題。因此，輕量化對舒適度、振動、噪聲、氣動性能以及隔熱等的影響機制將是未來研究的重點和難點。

3 輕量化關鍵技術

在滿足高速動車組整體性能要求的前提下，采用更輕、更強、更穩定耐候的輕量化材料進行動車組車輛結構優化，減少過冗余設計，研發集成化、小型化設備設施，是實現高速動車組輕量化的關鍵技術。

3.1 輕量化材料

3.1.1高性能鋁合金

高速動車組車體主要采用6000系鋁合金，5000系鋁合金和7000系鋁合金用量較少。與6000系鋁合金相比，7000系鋁合金具有更高的強度和抗疲勞性能，如表1所示。

表1 6000系和7000系材料性能對比

圖2為采用6000系和7000系鋁合金牽引梁橫截面對比情況。與6000系鋁合金牽引梁相比，7000系鋁合金牽引梁的壁厚減少了2～4 mm，質量由74.4 kg降低至68.8 kg，減重7.5%。強度仿真計算結果表明，6000系鋁合金牽引梁的安全系數為1.4，7000系鋁合金牽引梁的安全系數為1.6，二者的安全系數接近。如果將7000系鋁合金應用于枕梁、牽引梁、門立柱、空調安裝框等主承載部件，整列車預期可實現減重1 000 kg。

3.1.2復合材料

表2為復合材料與金屬材料性能參數對比。從表2中可以看出，相比于傳統金屬材料，復合材料密度更小，力學性能更加優異，拉伸強度更高。此外，復合材料還具有抗疲勞、耐腐蝕、阻尼性能好、抗蠕變、可設計性強、易于整體成型等諸多優勢，已廣泛應用于航空航天、汽車和無人機等領域，為高速動車組輕量化提供了先行指導。高速動車組輕量化設計時，根據結構技術要求、材料性能、制造工藝等因素，選擇復合材料的應用場景。例如，主承載結構可以采用碳纖維復合材料，次承載結構可以采用玻璃纖維復合材料，抗沖擊要求高的部位可以采用芳綸纖維復合材料。

表2 復合材料與金屬材料性能參數對比

在軌道交通領域，復合材料的應用場景正逐漸從內飾、司機室外罩、座椅、設備艙裙板等非承載結構和次承載結構，擴到車體、構架等主承載結構。日本研制了采用CFRP層壓材料疊層結構的輕量化構架，構架側梁板厚為16.4 mm，橫梁采用纏繞成型，構架自重僅為300 kg，與傳統鋼結構構架相比，減重70%。此外，日本在N700系列車車體結構中采用了大量的CFRP，如車頭、車頂導流罩、車底降噪板、貫通道連接板、裙板等，車體主結構為鋁合金，采用攪拌摩擦焊，較其上一代減重近10 t。德國下一代高速列車AeroLiner 3000車體采用玻璃纖維增強板材(GFK)三明治填充結構和輕金屬結構，與金屬材料結構的質量相比，減重30%。

我國復興號動車組車內頂板、間壁門板等采用預浸料復合材料，較瓦楞板或鋁蜂窩間壁板減重30%以上，且具有更好的理化性能和耐候性能。對于設備艙彎梁，通過結構優化設計，采用工字形盒梁，同時采用T700級預浸料復合材料，不僅結構簡單，而且質量比傳統鋁合金彎梁降低了50%，如圖3所示。

圖3 設備艙彎梁與上下邊梁的連接關系

此外，利用復合材料可設計性強的優點，通過優化部件的結構布局和連接節點等，可以設計制造出質量輕、零部件少的設備設施。例如，采用碳纖維復合材料設計的座椅面板和加強筋，厚度僅為3 mm，與鋁合金座椅相比，可實現減重50%。

3.2 結構輕量化

在保證動車組整體性能要求并滿足一定約束條件下，通過優化設計變量，不僅可以提升結構整體性能，還可以實現動車組輕量化目標[9-11]。結構優化手段主要有尺寸優化、形狀優化和拓撲優化。結構輕量化對于車體、構架等大型承載結構通常可以取得較好的減重效果。

對于車體結構，在保證結構強度、剛度、模態等關鍵性能指標的基礎上，通常采用適當降低車輛高度、采用大斷面型材、結構優化等措施有效降低車體質量。圖4為某型動車組車體結構優化圖。以既有動車組車體承載結構特征為基礎，結合車體設計標準，研究車體結構在縱向、垂向和橫向3個方向下的力流傳遞路徑，構造利于三向力流傳遞特征的高負載車體主承載結構方案，優化車體結構實現輕量化目標。復興號CR400型動車組車體通過優化車體型材斷面，對型材壁厚、加強筋布置進行合理設計，在車體長、寬、高均增加的情況下，其質量與CRH380B型動車組車體質量基本相同。CR400AF/BF型動車組主體結構采用鋁合金材料，車體高度為3 950 mm，其他外輪廓尺寸保持一致。若采用拓撲優化手段對車體結構進行優化，每輛車可實現減重0.4 t。如果局部結構使用高強金屬材料或復合材料，每輛車可實現減重1.0 t。

圖4 某型動車組車體結構優化圖

在轉向架方面，日本川崎重工研制了efWING轉向架(圖5)，該轉向架構架側梁采用碳纖維復合材料，做成弓形的板狀復合材料彈簧，整合了側梁與一系彈簧的功能，不僅改善了一系懸掛性能，同時降低了轉向架質量，與金屬側梁相比，減重約40%[12]。

圖5 efWING轉向架

此外，對于強度裕量較大的零部件，增加減重孔、減小材料板厚也是實現結構輕量化的重要措施。

3.3 設備輕量化

對于牽引變流器等大型關鍵設備，通過采用新技術、新型元器件、輕質材料以及結構優化設計等方法，可以實現集成化、小型化、輕量化。例如，復興號京張智能動車組牽引系統采用的主輔一體牽引輔助變流器，采用鋁合金輕量化機箱、無LC諧振支路技術、中頻輔助技術等措施，并對電氣部件進行了集成優化設計。與主輔分離式牽引變流器和輔助變流器相比，主輔一體牽引輔助變流器不僅節省了車下空間，同時降低了質量，減重約30%。

對于制動系統，通過優化氣動部件結構和布局、取消非必要的功能模塊、優化部分控制模塊結構、采用新材料和結構優化的承載箱體、采用電子控制單元板卡功能集成和布局優化的小型化電子機箱等措施可以實現輕量化。例如，制動夾鉗質量為67.8 kg，結構優化后減重27.3%，質量僅為49.3 kg，如圖6所示。

圖6 制動夾鉗輕量化

4 結論及展望

目前，我國高速鐵路蓬勃發展，高速動車組輕量化水平不斷提升。隨著輕量化材料、結構優化技術、設備輕量化等輕量化技術的發展，我國高速動車組已基本實現了內飾、裙板等非承載結構的輕量化，正在逐步開展車體、轉向架、牽引變流器等主承載結構和關鍵設備的輕量化研究，并取得了一定成果。值得注意的是，隨著高速動車組運行速度和智能化水平的提升，輕量化與高速動車組綜合性能的矛盾日益突出。因此，從系統工程的角度出發，研究輕量化與結構安全、乘坐舒適性等性能指標的關聯關系，提出科學合理的輕量化設計評價體系，將是未來輕量化研究的重點和難點。