高速列車內飾件輕量化設計

摘 要：高速列車內飾作為面向乘客的界面，在整車性能及乘客安全性、舒適性等方面都有著不可替代的作用。合理選用內飾材料，使用新材料、新工藝，實現最大程度的輕量化設計。對提高高速列車的舒適性、安全性都有著重要的作用。

關鍵詞：高速列車 輕量化 復合材料

中圖分類號：U271.42 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）03（b）-00-02

在當今中國高速列車發展的背景下，內飾產品作為列車的一個重要組成部分，不但要滿足在列車高速運行中的安全要求，還要最大限度的保證乘客的舒適度。在此前提下，輕量化設計及制造是高速軌道交通發展的重要方向，其必要性在于：輕量化對降低動力耗能成本費用有顯著地作用；降低地基震動，提高減震降噪的性能；有利于提高舒適度，提高車輛的行走性能，特別是減輕簧下重量，減少車輛高速運行時輪軌沖擊載荷；輕量化能減輕軌道載荷，減小鋼軌的磨耗及軌道變形，可顯著降低線路建設及鐵路維護的費用。

復合材料已在航空航天、軌道交通、基礎建設中發揮了巨大的作用，除了作為內部設備和裝飾材料外，在承載結構上應用也越來越廣泛。高速列車內飾結構件應用的是三明治結構的鋁蜂窩、泡沫芯材等芯材。復合材料做成的構件，有重量輕、強度高、剛性大等特點。

1 瓦楞板在高速列車內飾中的應用

現階段在高速列車內飾中大量使用的復合結構為鋁蜂窩、PVC塑料泡沫作為芯材復合鋁板制作而成，在使用過程中雖然表現出很好的性能，但是和瓦楞板相比無論實在減輕重量，還是在設計、制作等環節都存在許多不足之處。以新一代8編組動車組端部平頂板為例，瓦楞板重量為407 kg/列，而鋁蜂窩、PVC塑料泡沫作為芯材的復合結構重量為560 kg/列。相比之下瓦楞板結構重量減少153 kg/列，重量減輕了27%，可見瓦楞板對于減重方面所作出的貢獻是非常巨大的。

鋁蜂窩、PVC塑料泡沫作為芯材的結構設計者不但需要內飾件的功能和結構，還需要花費大量的時間去考慮內飾件補強預埋、開孔預埋等以保證安裝強度。由于大量預埋件的存在，不但增加了內飾件的加工難度，降低了表面質量，也增加了內飾件的重量。而瓦楞板本身具有較好的強度和機械性能，設計者可以將精力更多的集中在產品的使用功能和外觀要求上。

1.1 機械性能對比

在制造過程中，鋁蜂窩、PVC塑料泡沫芯材復合鋁合金面板、背板、預埋件等都需要花費大量的時間，且一旦涂膠開始復合，操作者對于產品外觀質量的控制難以進行控制，偶然性因素較多。相比之下，瓦楞板對于內飾件來說已經屬于半成品，制造過程中只需要加工產品外形、安裝配件。整個過程工序少、省去了復合的時間、產品的尺寸及外觀要求能夠得到很好保證。為了驗證鋁蜂窩、PVC塑料泡沫芯材復合鋁板是否滿足高速列車對內飾件的性能要求，對這三種材料進行了試驗測試。

數據表明瓦楞板在機械性能方面除拉伸強度低于于PVC塑料泡沫芯材外，抗壓強度、彎曲強度、剝離強度均高于鋁蜂窩、PVC塑料泡沫芯材復結構（表1）。

1.2 動力學特性對比

對比使用三種材料制成的內飾件模態試驗和振動放大系數測試實驗的數據，鋁蜂窩、PVC塑料泡沫芯、瓦楞板的結構固有頻率為：43 Hz、45.5 Hz和44.9 Hz，使用同一種傳感器實驗測得的三種結構在各自固有頻率附近的放大系數分別為6.5、10.5、13.5。

通過以上數據可以得出結論：在相同條件下瓦楞板結構振動最小，其次為PVC塑料泡沫芯和鋁蜂窩結構。鑒于瓦楞板結構在振動放大系數實驗中的優異性能，進一步對瓦楞板結構進行了疲勞強度測試、三點彎曲測試、高低溫干濕度實驗、振動實驗等。疲勞實驗方面對實驗樣件施加10 Hz，大小為170N±10N的交變載荷500000次。

通過500000次交變載荷測試之后，實驗樣件沒有發生可見的損壞。根據瓦楞板結構本身的特點，分別在縱向和橫向兩個方向對實驗樣件進行了三點彎曲實驗。測試結果在縱向和橫向兩個方向的彎曲強度分別達到346 MPa和164 MPa。

為了驗證瓦楞板結構在惡劣環境下的可靠性，對瓦楞板樣件進行了高低溫干濕度測試，實驗結束后瓦楞板沒有出現起泡、起皺、變色、發霉等現象。振動實驗方面，將樣件按實車形式安裝在垂直振動臺上，設定振動臺的振動條件為0.4 g振動加速度、5～60 Hz頻率范圍內以5 Hz頻率間隔輸入對實驗樣件進行單頻振動實驗，每次振動實驗時間為10 min。實驗結束后樣件無可見損壞，樣件的附件為發生松動、脫落等。

1.3 結語

通過以上對比，使用瓦楞板結構制作高速列車內飾件比傳統的鋁蜂窩、PVC塑料泡沫芯復合結構更容易實現輕量化設計，而且在制作工藝、機械性能方面也有大幅度的提升，能夠滿足高速列車內飾件的使用要求。

2 纖維預浸料復合材料在高速列車內飾中的應用

2.1 優異的機械性能

纖維預浸復合材料是由基體材料（支撐增強材料，并以剪應力形式將外載傳遞給增強材料）、夾心材料（結構泡沫、鋁蜂窩、聚合物材料等）和纖維增強體（承載作用，主要有碳纖維、芳綸、硼纖維、碳化硅纖維和玻璃纖維）復合而成具有優異性能的新型材料，是迅速發展的一種新型材料。纖維預浸復合材料可以根據需求，通過選擇合適的基體夾心材料進行復合，充分發揮復合材料性能優勢。纖維預浸復合材料具有單一材料（金屬、陶瓷等）難以達到的綜合性能，如高比強度、高比剛度、高比模量、結構穩定、抗疲勞、耐腐蝕、結構易設計、低裂紋擴展速率、較好的結構阻尼、隔熱、耐磨性、良好的尺寸穩定性、良好的成型工藝等。

纖維預浸料復合材料產品制造工藝多數是近終形成型，制造出的產品，不需進行機械加工，成產效率高，制造成本低。目前纖維預浸料復合材料在高速軌道列車的結構中還應用較少，且纖維預浸料及其復合材料主要靠進口。隨著國產纖維技術的成熟應用及市場化的發展，必將帶動國內纖維復合材料應用的發展。纖維復合材料在高速軌道列車輕量化、降低成本方面的應用也將更為廣泛。

2.2 相關技術發展趨勢

在國外纖維預浸料復合材料已在軌道交通中廣泛應用，隨著軌道車輛綜合性能的提高，

其使用材料也逐漸發生變化。法國國營鐵路公司（SNCF）對未來的TVG高速列車，考慮到

迫切需要進行進一步減輕車體重量，認為只能采用碳纖維復合材料，并進行了進行線路運營試驗，對其防火性能、抗沖擊強度等進行測試，證實了碳纖維復合材料車體的制造工藝是有效的，用碳纖維復合材料制成的車體比鋁合金重量減少25%。同時也證實了碳纖維復合材料車體在振動性能、透聲性能和隔熱性能方面等也有優勢，提高了乘客的舒適度，碳纖維復合材料不可避免的將取代鋁合金。

3 結語

隨著高速鐵路在我國迅速的發展，無論是車輛內飾件還是車體結構的輕量化設計，都提出了更高要求。更多新型的復合材料以其優異的性能，將在高速鐵路中有更廣闊的應用空間，高速鐵路也朝著更安全、更環保、更安全的趨勢發展。