軌道交通車輛車體結構輕量化設計分析

厲濠陽

摘 要：通過將軌道交通車輛車體結構輕量化設計作為主要研究內容，在參考相關研究資料對輕量化設計基本內涵予以闡明的基礎上，結合具體軌道交通車輛，圍繞車輛當前車體結構，分別從車體結構與型材斷面的優化設計、運用新技術等方面出發，嘗試對如何有效進行軌道交通車輛車體結構輕量化設計提出幾點策略以供參考。

關鍵詞：軌道交通車輛;車體結構;輕量化設計

1 引言

軌道交通車輛車體結構輕量化設計，可以有效減輕整個車體質量，同時保障車體具有較高的剛度，對提高軌道交通車輛的整體性能，延長其使用壽命均具有十分重要的幫助作用。因此本文通過重點探究軌道交通車輛車體結構輕量化設計，一方面旨在幫助人們對輕量化設計形成正確認知，另一方面也能夠為優化軌道交通車輛車體結構設計提供必要理論參考與實踐指導。

2 輕量化設計基本內涵

在軌道交通車輛中，車體結構的輕量化設計并非單純指的是使用各種輕量化材料，將減輕軌道交通車輛車體重量作為唯一設計目標。而是通過在確保軌道交通車輛具有良好整體性能的幾乎上，通過靈活使用各種輕量化的制造技術與相關材料，對車體結構進行優化設計等，從而在有效控制軌道交通車輛車體結構設計成本的同時，將整車重量降至最低，實現全面提升軌道交通車輛安全性與功能性的目標[1]。由此可見，對軌道交通車輛車體結構進行輕量化設計，無論是對于優化軌道交通車輛車體結構設計本身，還是提高車輛的安全性能與使用性能，促進軌道交通車輛的可持續發展均具有積極意義。

3 軌道交通車輛車體概況

為有效說明軌道交通車輛車體結構輕量化設計，本文選擇以本市正在運行使用的軌道交通車輛為例。該車輛車體車體采用鋁合金全焊接結構，其在承載方式上不僅使用了框架型骨架，同時還采用了蒙皮。其中骨架負責承擔車體縱向與垂向上的載荷，而車頂版和底架地板與側墻板等共同組合而成的蒙皮結構，則主要負責承擔車體剪切力，并完成乘客載荷的有效傳遞。該城市軌道交通車輛的車體斷面呈“V”型，分別為長度為19600mm與19000mm的拖車與動車，其中前者帶有司機室而后者則帶有動力裝置。在該車輛車體結構中，底架門檻位置處的寬度值最大，其寬度可以達到2800mm。為了能夠實現車體所部位結構設計最優化，并充分利用各項現有材料，需要對該軌道交通車輛車體結構進行輕量化設計。

4 軌道交通車輛車體結構輕量化設計策略

4.1 優化車體結構設計

4.1.1 車頂板輕量化設計

考慮到原本作為車輛頂蓋結構的車頂板，屬于典型的單層開口型材結構，缺乏較高的剛度，在長期使用過程中極易出現形變等問題。同時下沉式空調安裝平臺的設計，使得車體在安裝空調時必須專門設置相應的支撐梁，導致車體結構復雜程度大大增加，并且直接加重了車體結構重量。因此本文在對該軌道交通車輛車體結構進行輕量化設計中，將原本的車頂板結構設計成雙層中空型材結構，在取消車頂彎梁設計的同時，改用平頂式空調安裝平臺，從而有效省略安裝空調支撐梁[2]。在令空調與受電弓共用同一個安裝平臺下，將原本用于連接兩個平臺的結構設計取消，進而可以在保障力流簡潔性的基礎上，達到減輕頂蓋重量的目的。

4.1.2 側墻的輕量化設計

原軌道交通車輛車體結構中使用的門立柱厚度為85mm，在輕量化設計理念的指導下，本文在對該車輛車體結構進行優化設計中，改用厚度只有70mm的門立柱，由此達到減小連接門立柱的頂蓋邊梁型材厚度的效果。針對以往軌道交通車輛的門立柱連接位置處，設計使用頂蓋邊梁L型筋板，而在一定程度上增加車輛整體質量的情況，本文選擇設計使用臺階狀門立柱，在將其與頂蓋進行搭接設計的同時，直接使用其型材筋板加工出門角。在保障門角強度與規定要求相符下，可以有效減輕每節車的質量。

4.1.3 底架的輕量化設計

由于該軌道交通車輛采用前置式安裝的車輛車鉤，雖然可以避免增加使用車鉤安裝板，達到減輕車輛質量的效果，但由于前置式車鉤安裝孔距較小，使得公司現有轉向架安裝位置無法實現同步移動，故而只能在由牽引梁型腔、蓋板、立板共同組成的封閉結構外設置車鉤安裝孔，因此大大影響了車體原本的強度性能。針對這一情況，本文在軌道交通車輛車體結構的輕量化設計中，通過結合車體結構對車鉤安裝梁型材進行相應優化，從而將車鉤處于工作狀態下帶給牽引梁的彎矩能夠降至最小。對齊牽引導梁和牽引梁，并適當加工處理位于轉向架安裝孔周圍的牽引梁外側立板，以此有效擴大安裝空間。在適當延伸牽引導梁并使其和底架端梁進行相互連接后，使之可以對其端墻立柱，以進一步提高傳力路線的簡潔性。

4.2 科學設計型材斷面

該軌道交通車輛當中底架底板具有較大強度裕量，通過使用底架邊梁懸掛式的車下設備，可取消原本負責重型設備安裝的C型槽，所設置的C型槽只負責用于兩排布線。但各C型槽均位于兩個筋板節點位置處，這也使得在C型槽減少的情況下，均勻布置底架地板型材筋板，有助于減少筋板密度，使得底架地板強度冗余能夠降至最低，最終達到減輕車體結構質量的效果。值得注意的是，在優化調整車體結構的過程中，同樣需要進行頂蓋邊梁與長梁等其他相關部件型材的輕量化設計，在盡可能減小筋板厚度與密度下，實現車體有效減重。

4.3 改進相關工藝技術

本文在進行軌道交通車輛車體結構輕量化設計中，通過參考其他相關研究資料，發現攪拌摩擦焊焊縫無需填料，并且相比于普通弧焊縫，攪拌摩擦焊焊縫強度更高。為此，本文認為可以通過運用這一焊接技術以達到車輛側墻減重的效果。具體來說，在該軌道交通車輛的車體結構輕量化設計過程中，對于所有側墻板組焊統一選擇使用攪拌摩擦焊技術，使得原本2.5mm厚的側墻板型材內部筋板能夠減小為2mm，由此達到車輛減重的目的。

4.4 優化車體結構細節

4.4.1 優化底架邊梁

為更好地達到軌道交通車輛車體結構輕量化設計目標，同時有效增強車輛安全性能與使用性能，盡可能延長其使用壽命。本文在設計過程中，發現通過減小門立柱厚度，會在一定程度上導致厚度減小的門立柱內表面無法和底架邊梁內側的筋板保持對齊，因此有必要另將一筋板增設于底架邊梁腔內側，通過設計使用呈“人”字型的加強結構，為車體結構上方門立柱提供有效支撐。在筋板節點位置處設置焊縫后，在保障有充足空間可以有效安裝轉向架抗側滾扭桿裝置的前提下，向車體中心方向平移底架邊緣內側的直筋板，平移距離為10mm，以此有效增大型材內部各封閉腔面積，確保能夠樹立擠壓生產型材。

4.4.2 優化連接結構

此外，朱鵬飛（2013）在探究地鐵車輛輕量化設計中，指出司機室門上橫梁連接門立柱的位置處，比較容易出現應力集中的情況[3]。一般情況下可以采用適當減小司機室門上橫梁傾斜坡度的方式解決這一問題，但在結合該軌道交通車輛車體結構的基礎上，本文通過參考其相關研究，提出可以在頂蓋邊梁和門立柱的端頭位置處，各加工出相應的缺口，同時設置連接厚板，將一道a3角焊縫增設于頂蓋邊梁內側臺階與連接厚板位置處。用以有效增強司機室上門角局部強度，從而避免這一連接結構因出現應力過度集中的情況而導致變形等問題。

5 結語

總而言之，在對軌道交通車輛車體結構進行輕量化設計時，設計人員需要充分結合車體實際結構特點，并嚴格參照相關設計規程要求，在合理優化車體結構設計的基礎上，及時對型材斷面以及底架邊梁等車體結構細部進行相應優化。通過靈活運用各種輕量化材料及輕量化制造技術，以此有效達到車輛減重、提升軌道交通車輛整體使用性能的根本目的。

參考文獻：

[1]張九高.軌道車輛車體結構用材現狀及發展[J].哈爾濱鐵道科技，2016（02）：4-5+19.

[2]蘇柯，劉厚林，劉永強，周利，張長庚.長沙市軌道交通1號線車輛車體結構輕量化設計[J].電力機車與城軌車輛，2015，38（02）：29-32+64.

[3]朱鵬飛.北京地鐵車輛輕量化設計研究[D].北京建筑大學，2013.