動(dòng)車組輕量化鋁合金車體結(jié)構(gòu)研究

楊惠民,邢海英（長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司技術(shù)中心,長(zhǎng)春130062）

動(dòng)車組輕量化鋁合金車體結(jié)構(gòu)研究

楊惠民,邢海英
（長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司技術(shù)中心,長(zhǎng)春130062）

摘要：本文結(jié)合長(zhǎng)客股份自主研發(fā)的CRH3A型城際動(dòng)車組,針對(duì)城際動(dòng)車組大載客量的城際運(yùn)用特點(diǎn),從車體材料、車體結(jié)構(gòu)、車體強(qiáng)度、車體模態(tài)、車體剛度、車體疲勞等幾方面入手對(duì)輕量化車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對(duì)車體輕量化設(shè)計(jì)具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：城際動(dòng)車組；輕量化車體；結(jié)構(gòu)研究

0　引言

我國(guó)高速鐵路的具有高寒、風(fēng)沙、高溫、高濕等多樣化的特點(diǎn)[1]。為了適應(yīng)不同區(qū)域、不同路網(wǎng)和不同旅客群對(duì)高速動(dòng)車組的技術(shù)、服役性能和運(yùn)營(yíng)模式提出差別巨大的要求，需要不同的個(gè)性化、系列化高速動(dòng)車組技術(shù)與之適應(yīng)，輕量化鋁合金車體技術(shù)是其中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

1　輕量化車體結(jié)構(gòu)研究的必要性

1.1 動(dòng)車組輕量化技術(shù)

高速動(dòng)車組作為高速鐵路系統(tǒng)的重大移動(dòng)裝備，其整體輕量化與整車性能的提升一直都是國(guó)內(nèi)外高速鐵路技術(shù)領(lǐng)域不斷深入研究、探索和解決的重大課題[2]。由于高速列車涉及系統(tǒng)集成、鋁合金車體、轉(zhuǎn)向架、制動(dòng)系統(tǒng)及內(nèi)裝結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)及重要配套技術(shù)，其中每一項(xiàng)技術(shù)及其對(duì)應(yīng)的車輛系統(tǒng)的輕量化和性能提升，都對(duì)高速列車的整體輕量化與整車性能的提升產(chǎn)生重大的影響。輕量化技術(shù)無(wú)不與結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料創(chuàng)新和先進(jìn)制造技術(shù)息息相關(guān)，突破和掌握高速列車關(guān)鍵技術(shù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、性能提升、材料創(chuàng)新和先進(jìn)制造技術(shù)，是突破和牢牢掌握高速動(dòng)車組關(guān)鍵技術(shù)及重要配套技術(shù)的重要保證[3]。

1.2 車體輕量化優(yōu)勢(shì)

實(shí)現(xiàn)車體輕量化可以降低原材料消耗，降低車輛的制造成本；節(jié)省牽引動(dòng)能，降低列車的運(yùn)行費(fèi)用；減少車輛對(duì)線路的沖擊及減輕線路維護(hù)工作量；提高車輛的啟動(dòng)加速度及制動(dòng)減速度，提高列車的運(yùn)行速度及曲線通過(guò)速度。城際動(dòng)車組除了要求定員載客量外，還要求大站立區(qū)載客量，而車輛軸重卻要求低于干線動(dòng)車組。所以，車體結(jié)構(gòu)不但要具備干線動(dòng)車組的強(qiáng)度、剛度，而且要求實(shí)現(xiàn)比干線動(dòng)車組更大程度的輕量化。

2　動(dòng)車組輕量化車體結(jié)構(gòu)

動(dòng)車組為了適應(yīng)大載客量、空重車變化大的需求，盡量降低鋁合金車體的自重，從而提高整車的載客量；動(dòng)車組主要從鋁合金車體材料、鋁型材斷面、車體結(jié)構(gòu)等幾方面入手考慮車體的輕量化技術(shù)。

2.1車體材料

目前，適合于鐵路車輛用的鋁合金主要有Al-Mg-Si(6000系列，如6005，6005A，6082等)及Al-Zn-Mg(7000系列)兩大系列。日本鋁合金車體結(jié)構(gòu)材料使用最多的是7N0l（7005)合金。作為中等強(qiáng)度結(jié)構(gòu)材料，它具有良好的擠壓性能和焊接性能。7N0l型材用于端面梁、底座、檻、偶面構(gòu)件骨架、車體枕粱、車端墻等。近幾年日本開發(fā)了擠壓性能、焊接性能和耐腐蝕性能更好的6N0l合金(即6005合金的日產(chǎn)化)生產(chǎn)的多孔復(fù)雜壁空心型材，廣泛代替7N0l、7003型材作車體地、側(cè)板和頂板結(jié)構(gòu)。西歐鋁合金車體大量采用Al-Mg-Si6005A擠壓型材，其主要原因是6005A的擠壓性能更好，生產(chǎn)來(lái)的復(fù)雜型材使車輛結(jié)構(gòu)更合理，使用性能更優(yōu)。其他牌號(hào)如606l、6063、6082、6085擠型材也被采用。結(jié)合國(guó)外車體材料的發(fā)展趨勢(shì)，以及我國(guó)CRH系列動(dòng)車組車體材料的不同特點(diǎn)，CRH3A型城際動(dòng)車組車體結(jié)構(gòu)材料按DIN 5513標(biāo)準(zhǔn)選擇，型材鋁合金牌號(hào)為6005A-T6、6082-T6鋁鎂合金，板材為5083-H111、5754-H22和板型材6082-T6，上述材料在保證材料焊接性能和腐蝕性能基礎(chǔ)上，由于具有較好的擠壓性能，可以適當(dāng)減薄型材的厚度，降低車體的重量。

2.2 車體型材

鋁合金車體斷面結(jié)構(gòu)對(duì)車體輕量化起到至關(guān)重要的作用，輕量化車體斷面要求其在滿足滿足功能要求及旅客舒適度的前提下盡量小巧。CRH3型動(dòng)車組車體斷面具有良好的氣動(dòng)外形，車內(nèi)空間較寬敞，旅客舒適度較好，但斷面型材設(shè)計(jì)過(guò)于笨重；CRH5型動(dòng)車組車體斷面?zhèn)葔κ战禽^大，車內(nèi)空間需要改進(jìn)，但斷面型材設(shè)計(jì)輕巧，內(nèi)外蒙皮、內(nèi)筋厚度較CRH3型動(dòng)車組小，內(nèi)筋分布較CRH3型動(dòng)車組稀疏，對(duì)減重貢獻(xiàn)很大。

2.3 車體結(jié)構(gòu)

車體結(jié)構(gòu)形式包括普通中間車、帶受電弓的中間車和帶司機(jī)室的頭車三種，中間車為基礎(chǔ)車型，其基本結(jié)構(gòu)由底架、側(cè)墻、車頂、外端墻幾大部件組成；頭車由中間車演變而來(lái)，結(jié)構(gòu)上僅以空氣動(dòng)力學(xué)端部結(jié)構(gòu)取代了中間車的前端外端墻。

車體主斷面型材間的連接形式同CRH380BL型車，用插接或搭接形式。如側(cè)墻和底架、側(cè)墻和車頂?shù)倪B接如圖1和圖2所示。

地板和邊梁采用插接形式，地板由6塊型材拼焊而成，頭車底架一位端部采用CRH5型車成熟結(jié)構(gòu)，滿足玻璃鋼車頭外殼的安裝。

3　試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)車體材料的選擇、型材斷面優(yōu)化、車體結(jié)構(gòu)改進(jìn)，達(dá)到了車體輕量化的目的，為確保車體靜強(qiáng)度、車體剛度、車體模態(tài)和車體疲勞均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，隨后又開展了試驗(yàn)驗(yàn)證工作；試驗(yàn)在靜強(qiáng)度試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)備和儀器包括：靜強(qiáng)度試驗(yàn)臺(tái)、靜態(tài)數(shù)據(jù)采集裝置、稱重傳感器、力傳感器、應(yīng)變式位移傳感器、應(yīng)變片和應(yīng)變花。

4　試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果表明有限元分析的數(shù)據(jù)接近靜強(qiáng)度實(shí)測(cè)所得的數(shù)據(jù)，證明了優(yōu)化方案的可行性。

5　結(jié)束語(yǔ)

動(dòng)車組車體輕量化和大載客量設(shè)計(jì)，與CRH系列動(dòng)車組車體平均自重相比，降低重量約8%左右，車體性能指標(biāo)均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。不同運(yùn)用需求的動(dòng)車組將對(duì)車體結(jié)構(gòu)提出不同的要求，可根據(jù)需求特征和實(shí)際情況對(duì)車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理調(diào)整。但是，恰當(dāng)?shù)貙⒉牧虾徒Y(jié)構(gòu)合理匹配，在簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的前提下最有效地分散應(yīng)力并實(shí)現(xiàn)輕量化是城際動(dòng)車組車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)堅(jiān)持的原則。

參考文獻(xiàn)：

[1]張衛(wèi)華.高速列車頂層設(shè)計(jì)指標(biāo)研究[J].成都：鐵道學(xué)報(bào)，2012(09).

[2]權(quán)高峰，李瑞淳，張英波.軌道列車車體新材料輕量化應(yīng)用效益研究[OL].中國(guó)科技論文在線，2012(01).

[3]鐵路技術(shù)管理規(guī)程[M].中國(guó)鐵道出版社，2010(10).