B型不銹鋼城軌車輛內裝輕量化研究

摘" 要：為保障列車的綠色環保，需對城軌車輛進行輕量化設計。該文對城軌車輛內裝輕量化進行研究，以現有B型不銹鋼城軌車輛內裝平臺為研究對象，介紹內裝系統應用的新材料、新工藝，舉例說明內裝系統應用新材料及安裝新結構所帶來的輕量化效果，討論未來城軌車輛的輕量化發展趨勢。

關鍵詞：城軌車輛；內裝；輕量化；優化結構；性能對比

中圖分類號：U270.3" " " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）13-0122-04

Abstract： In order to protect the green and environmental protection of the train， it is necessary to carry on the lightweight design of urban rail vehicles. This paper studies the lightweight of urban rail vehicle interior， takes the existing B-type stainless steel urban rail vehicle interior platform as the research object， introduces the new materials and new processes used in the interior system. Examples are given to illustrate the lightweight effect brought by the application of new materials and the installation of new structure in the built-in system， and the development trend of lightweight of urban rail vehicles in the future is discussed.

Keywords： urban rail vehicle; built-in; lightweight; optimized structure; performance comparison

客室內裝包括中頂板、側頂板、送風格柵、側墻板、立罩板、端墻板、地板、地板布及隔音隔熱材料。其中裝飾類墻板涉及的材料主要有以鋁板、鋁型材和鋁蜂窩為主的金屬類材料和以玻璃鋼、玻纖預浸料為主的復合材料。隔音隔熱材料主要涉及保溫棉制材料及橡膠類隔音墊和多孔吸聲材料。內裝的輕量化主要依靠優化結構及新工藝、新材料的選型來實現，同時也要統籌兼顧成本及功能性指標。內裝系統的輕量化設計對于改善車輛運行質量和效益具有重要作用。

1" 內裝輕量化研究

1.1" 中頂

中頂板作為內裝頂部裝飾板，需要外形美觀，且外露表面須平整，沿車體縱向分塊排布，每一塊的中頂都需要保證平面度不大于1 mm，因此中頂常用材質為夾心復合結構，常用材質有鋁蜂窩板[1]。考慮輕量化材料，可選用同樣是蜂窩結構的復合材料芳綸紙蜂窩[2]，如圖1所示，2種材料的性能對比見表1，相比于鋁蜂窩板，選用紙蜂窩替代可達到減重50%以上的效果。

1.2" 側頂板

側頂板是車輛重要的檢修通道，同時也為安全錘、揚聲器和動態地圖等設備提供安裝接口，考慮到側頂的美工形狀及功能要求，城軌車輛側頂板一般采用3 mm的鋁型材，面密度8.1 kg/m2。為了達到輕量化要求，可考慮使用玻璃鋼、碳纖維和玻纖預浸料等復合材料代替[3]，有關玻璃鋼、碳纖維及玻纖預浸料的性能對比見表2。

預浸料是增強纖維（玻璃纖維、碳纖維和芳綸纖維等）浸漬樹脂基體后制備的一種具有優異性能的半成品，具有高比強度、高比模量、耐疲勞、耐腐蝕、隔熱、耐磨和可成型性強等一系列優點，且重量設計可控，正在成為軌道交通車輛內裝輕量化設計中越來越重要的一類材料。通過對比證明，玻璃鋼、碳纖維和玻纖預浸料的硬度、纖維含量、樹脂含量和吸水率等性能差別不大，預浸料制品比傳統復合材料制品強度要高2倍左右。碳纖維及其制品比強度要高于玻璃纖維制品，但從沖擊韌性來看，作為衡量材料脆性的重要指標，玻纖預浸料大于玻璃鋼大于碳纖維。

3 mm玻璃鋼面密度約為5～6 kg/m2。而采用先進工藝制造的玻纖預浸料，在滿足強度要求的前提下，可將厚度減至2.5 mm，面密度達到4～4.5 kg/m2。除了玻纖制品，碳纖維也是輕量化設計的一個發展方向，但目前由于技術不成熟、成品率低，導致并未廣泛使用。

1.3" 送風格柵

現有城軌車輛上的送風格柵主要是通過螺栓固定于二次骨架下部，常用材料為鋁合金6063-T5。考慮輕量化設計，可使用鎂合金格柵[4]，在斷面一致的前提下減重約30%。常用鋁合金和鎂合金牌號的性能對比見表3。

對現有城軌車輛，鋁合金5052、5083板材常用于頂板地板；鋁合金6063型材常用于車體、骨架和格柵。而鎂合金AZ31、ZK60和AZ91等力學性能已超過常用鋁合金，制品重量約為鋁材的2/3。在國內外高速動車上，座椅、行李架等設備零部件已經有了鎂合金的應用實例[5]。但鎂合金焊接性能不好，且難以制造出大斷面擠壓型材，因此應用于小斷面的送風格柵是一個不錯的選擇，同時對于鎂合金的連接結構適宜采用螺栓連接型材，取消焊接結構。

1.4" 側墻板、立罩板

側墻板、立罩板常見材料有玻璃鋼板（圖2）、鋁板（圖3），鋁板由于其可回收利用的特性，是城軌車輛側墻板的一個主要選擇。常用鋁板厚度為2 mm，表面噴漆。選用先進的制造工藝，控制特定的溫度和應變速率，鋁合金的延展性可以由常規的20%提高到500%，這種現象稱為“超塑性”，超塑成型工藝可使鋁合金材料按照復雜造型成型，且材料恢復常溫后依然保持良好的機械性能，可將鋁板厚度減薄至1.5 mm，進一步減輕重量。

1.5" 端墻板

老式城軌車輛端墻板常用實心玻璃鋼，需要達到一定的厚度才能保證安裝厚墻板的強度及平整度。為了達到減重效果，可將端墻板材質優化為鋁蜂窩夾層或紙蜂窩夾層結構，不僅能提高安裝效果，減少多余加強筋的使用，對于車輛的隔音效果也有幫助。紙蜂窩相比鋁蜂窩重量更輕，相同厚度的情況下可減重60%。

1.6" 地板

地板組成分為地板布、地板及地板支撐結構。城軌車輛地板布常用材料為橡膠地板布、PVC地板布，為了提升乘客舒適性，地板布的厚度一般為3 mm，且具有耐磨、抗沖擊、防火、防滑、美觀和易于清潔的特性。PVC地板布主要成分是PVC，同時配以塑化劑、阻燃劑等；橡膠地板布主要成分是天然橡膠，加入耐火劑、抗老化劑等。為了更進一步提高地板布減重效果，可選用TPU地板布，主要成分是TPU（熱塑性聚氨酯彈性體橡膠），同時配以阻燃劑等，上述地板布材質的性能對比見表4。

以3 mm橡膠地板布為例，B型城軌車輛一節車地板布總重約為230 kg，選用TPU地板布可減重90 kg，減重率約為40%。

地板是通過支撐結構安裝在車體底架上，作為乘客及部分車內設備的承載。城軌車輛常用地板材料為18 mm厚鋁蜂窩地板，采用硬質鋁合金面板黏接在正六邊形蜂窩上的結構，綜合面密度約為14 kg/m2。在鋁蜂窩地板制造過程中，可將傳統黏接方式改為高溫膠膜黏接，優化冗余的黏接膠帶來的重量增加。

除了傳統的黏接方式，也可以選擇使用焊接工藝，在焊接中的加熱溫度高于焊料熔融溫度而低于母材熔融溫度，即焊料熔融而母材不熔，過程中熔化的焊料在毛細吸引作用下浸潤填充在兩母材之間，并與母材相互溶解、擴散及冷卻凝固后將兩母材焊接為一體。該材料中鋁蜂窩芯與鋁蜂窩芯之間、鋁蜂窩芯與鋁面板之間的所有節點均為金屬焊接連接，中間不添加任何諸如膠黏劑等非金屬材料。這一改變使鋁蜂窩板的性能大大改變，形成一種獨立的新型金屬結構性材料，而不是傳統意義上的鋁蜂窩復合材料，在達到更優良的力學性能的前提下，完全取消了黏接膠用量，達到更好的減重效果。

選用復合材料可以在焊接鋁蜂窩的基礎上更進一步減重，新型復合材料地板主要有輕芯鋼地板，如圖4所示，由高強度酚醛布層壓板和低密度輕芯鋼芯層組成[6]，整體面密度可達到11 kg/m2，以B型城軌車輛1輛車為例，可比傳統鋁蜂窩地板減重約160 kg，同時在隔音、隔熱方面具備金屬類地板材料所不具備的優異性能，直接體現車輛在節能降噪、更多承載及舒適性方面的提升，可使得車輛底架隔音隔熱材料用量進一步減重，上述3種地板材料的性能對比見表5。

除了新材料的應用，對于地板結構的優化也同樣能起到減重的效果，鋁蜂窩地板同時也為立罩板等結構提供安裝接口，傳統安裝方式為鋁蜂窩地板預埋鋼板，而為了輕量化設計，可考慮在鋁蜂窩地板封邊型材中設計鑰匙孔，減少鋼板用量。

1.7" 隔音隔熱材料

城軌車輛常用的隔音隔熱材料主要有玻璃絲棉、三聚氰胺保溫棉、預氧絲棉、福樂斯泡棉和阻尼隔聲氈等，如圖5、圖6所示。在車輛整體的隔熱設計中，盡量選擇環保性能優良的保溫棉，以減少鋁箔包布的用量，且對于整車隔熱材料的安裝，設計輔助安裝的固定絲及防寒釘，應避免大量施膠所造成的重量增加。

在隔音設計中，通過仿真計算等方案提前判斷重點區域，對重點聲源區域著重處理，比如在底架轉向架、空壓機區域和車頂空調機組區域重點鋪設[7]，避免隔音過設計。在部分區域可選擇兼具隔音、隔熱性能的吸音棉，進一步減重。

2" 結論

針對城軌車輛內裝輕量化的研究是一個涉及多個系統的持續性課題，不僅僅要探討各種新材料、新工藝的應用，對于傳統安裝結構也要推陳出新，同時兼顧設計成本及各項功能性指標。輕量化的列車可以帶來更多的綠色環保效益，是未來城軌車輛內裝的發展方向。

參考文獻：

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[7] 張勇，解建坤，肖飛.地鐵列車車內噪聲特性試驗分析[J].鐵道機車車輛，2022，42（4）：144-148.