動車組輕量化鋁合金車體結構研究

楊惠民,邢海英（長春軌道客車股份有限公司技術中心,長春130062）

動車組輕量化鋁合金車體結構研究

楊惠民,邢海英
（長春軌道客車股份有限公司技術中心,長春130062）

摘要：本文結合長客股份自主研發的CRH3A型城際動車組,針對城際動車組大載客量的城際運用特點,從車體材料、車體結構、車體強度、車體模態、車體剛度、車體疲勞等幾方面入手對輕量化車體結構進行分析，對車體輕量化設計具有借鑒意義。

關鍵詞：城際動車組；輕量化車體；結構研究

0　引言

我國高速鐵路的具有高寒、風沙、高溫、高濕等多樣化的特點[1]。為了適應不同區域、不同路網和不同旅客群對高速動車組的技術、服役性能和運營模式提出差別巨大的要求，需要不同的個性化、系列化高速動車組技術與之適應，輕量化鋁合金車體技術是其中一項關鍵技術。

1　輕量化車體結構研究的必要性

1.1 動車組輕量化技術

高速動車組作為高速鐵路系統的重大移動裝備，其整體輕量化與整車性能的提升一直都是國內外高速鐵路技術領域不斷深入研究、探索和解決的重大課題[2]。由于高速列車涉及系統集成、鋁合金車體、轉向架、制動系統及內裝結構等關鍵技術及重要配套技術，其中每一項技術及其對應的車輛系統的輕量化和性能提升，都對高速列車的整體輕量化與整車性能的提升產生重大的影響。輕量化技術無不與結構優化、材料創新和先進制造技術息息相關，突破和掌握高速列車關鍵技術系統的結構優化、性能提升、材料創新和先進制造技術，是突破和牢牢掌握高速動車組關鍵技術及重要配套技術的重要保證[3]。

1.2 車體輕量化優勢

實現車體輕量化可以降低原材料消耗，降低車輛的制造成本；節省牽引動能，降低列車的運行費用；減少車輛對線路的沖擊及減輕線路維護工作量；提高車輛的啟動加速度及制動減速度，提高列車的運行速度及曲線通過速度。城際動車組除了要求定員載客量外，還要求大站立區載客量，而車輛軸重卻要求低于干線動車組。所以，車體結構不但要具備干線動車組的強度、剛度，而且要求實現比干線動車組更大程度的輕量化。

2　動車組輕量化車體結構

動車組為了適應大載客量、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；動車組主要從鋁合金車體材料、鋁型材斷面、車體結構等幾方面入手考慮車體的輕量化技術。

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。日本鋁合金車體結構材料使用最多的是7N0l（7005)合金。作為中等強度結構材料，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、偶面構件骨架、車體枕粱、車端墻等。近幾年日本開發了擠壓性能、焊接性能和耐腐蝕性能更好的6N0l合金(即6005合金的日產化)生產的多孔復雜壁空心型材，廣泛代替7N0l、7003型材作車體地、側板和頂板結構。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，生產來的復雜型材使車輛結構更合理，使用性能更優。其他牌號如606l、6063、6082、6085擠型材也被采用。結合國外車體材料的發展趨勢，以及我國CRH系列動車組車體材料的不同特點，CRH3A型城際動車組車體結構材料按DIN 5513標準選擇，型材鋁合金牌號為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上，由于具有較好的擠壓性能，可以適當減薄型材的厚度，降低車體的重量。

2.2 車體型材

鋁合金車體斷面結構對車體輕量化起到至關重要的作用，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型動車組車體斷面具有良好的氣動外形，車內空間較寬敞，旅客舒適度較好，但斷面型材設計過于笨重；CRH5型動車組車體斷面側墻收角較大，車內空間需要改進，但斷面型材設計輕巧，內外蒙皮、內筋厚度較CRH3型動車組小，內筋分布較CRH3型動車組稀疏，對減重貢獻很大。

2.3 車體結構

車體結構形式包括普通中間車、帶受電弓的中間車和帶司機室的頭車三種，中間車為基礎車型，其基本結構由底架、側墻、車頂、外端墻幾大部件組成；頭車由中間車演變而來，結構上僅以空氣動力學端部結構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。如側墻和底架、側墻和車頂的連接如圖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型車成熟結構，滿足玻璃鋼車頭外殼的安裝。

3　試驗驗證

通過車體材料的選擇、型材斷面優化、車體結構改進，達到了車體輕量化的目的，為確保車體靜強度、車體剛度、車體模態和車體疲勞均滿足相關標準的要求，隨后又開展了試驗驗證工作；試驗在靜強度試驗臺上進行，試驗設備和儀器包括：靜強度試驗臺、靜態數據采集裝置、稱重傳感器、力傳感器、應變式位移傳感器、應變片和應變花。

4　試驗結果

通過車體靜強度試驗，結果表明有限元分析的數據接近靜強度實測所得的數據，證明了優化方案的可行性。

5　結束語

動車組車體輕量化和大載客量設計，與CRH系列動車組車體平均自重相比，降低重量約8%左右，車體性能指標均滿足相關標準的要求。不同運用需求的動車組將對車體結構提出不同的要求，可根據需求特征和實際情況對車體結構進行合理調整。但是，恰當地將材料和結構合理匹配，在簡化結構的前提下最有效地分散應力并實現輕量化是城際動車組車體結構設計堅持的原則。

參考文獻：

[1]張衛華.高速列車頂層設計指標研究[J].成都：鐵道學報，2012(09).

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

[3]鐵路技術管理規程[M].中國鐵道出版社，2010(10).