牟少弟　李智國　李樂營

[摘 要] 隨著列車提速，列車輕量化一直是對設(shè)計人員提出的更高的要求，列車減重對提高車輛運行速度和節(jié)能降耗起著關(guān)鍵的作用。文章以動車組行李架為例，詳細(xì)闡述輕量化行李架研究過程。從對比典型材料性能開始，輔助必要的仿真計算，歷經(jīng)載荷、沖擊、振動等一系列驗證試驗，擇優(yōu)選取材料研制輕量化行李架，實現(xiàn)動車組用輕量化行李架優(yōu)化目的。

[關(guān)鍵詞] 高速動車組；輕量化行李架；結(jié)構(gòu)仿真；驗證試驗

[作者簡介] 牟少弟，南車青島四方機車車輛股份有限公司工程師，山東 青島，266111；李智國，南車青島四方機車車輛股份有限公司高級工程師，山東 青島，266111；李樂營，南車青島四方機車車輛股份有限公司工程師，山東 青島，266111

[中圖分類號] U270.38+8 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1007-7723（2012）12-0013-0004

對于高速列車來說，阻力主要來自于機械摩擦和空氣阻力，而機械摩擦阻力除了與摩擦系數(shù)有關(guān)，還和列車質(zhì)量有關(guān)。因此，減小列車質(zhì)量可以減小運行中的機械阻力，達(dá)到提高牽引加速能力和節(jié)能的目的；還可以減小運行過程中的輪軌相互作用，改善相關(guān)零部件的服役條件。正因為如此，高速列車輕量化設(shè)計已經(jīng)成為高速列車的關(guān)鍵技術(shù)之一。車內(nèi)行李架約占客車總質(zhì)量的1%，輕量化具有重要意義。本文主要針對行李架的輕量化進行研究，主要通過新材料的應(yīng)用，在保證其性能的前提下，在高速列車內(nèi)飾產(chǎn)品輕量化方面進行應(yīng)用性深入研究。

一、研究目標(biāo)

現(xiàn)有動車組的行李架均為框架加隔板結(jié)構(gòu)，行李架作為內(nèi)裝產(chǎn)品中的重要組成部分，在保證其性能的前提條件下，通過改變隔板材質(zhì)來實現(xiàn)輕量化，對整車減重具有十分重要的意義。本文主要對現(xiàn)有動車組用行李架進行輕量化優(yōu)化開發(fā)，主要目的有：通過引進新材料：超薄玻璃和PC板，在保證產(chǎn)品使用性能的前提下，實現(xiàn)行李架設(shè)計輕量化，單位面密度降低3kg以上。

二、方法及流程

輕量化行李架研究主要從材料入手，首先確定對比方案，進行重量對比，然后通過仿真計算、地面試驗等手段，確保行李架在實現(xiàn)輕量化的同時，保證其功能、性能滿足設(shè)計要求，保證高速列車安全可靠運營。

行李架設(shè)計要求主要包括：行李物品擱放功能、行李架強度性能、行李架表面耐磨性能及行李架材料防火性能等。由于本文輕量化行李架研究主要從材料入手，行李架功能、性能分析及驗證主要從行李架強度、行李架表面耐磨性能及行李架防火性能方面進行重點分析。主要流程如下：

（1）確定行李架輕量化設(shè)計對比方案；

（2）材料耐磨及防火性能分析及驗證；

（3）通過仿真分析篩選，并通過靜載及隨機振動、沖擊、極限承載等試驗驗證行李架設(shè)計方案。

三、輕量化行李架研究過程

（一）行李架輕量化設(shè)計方案

行李架重量主要包括承載機構(gòu)及隔板結(jié)構(gòu)，本文主要對行李架隔板結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，對行李架進行輕量化設(shè)計，主要體現(xiàn)在對玻璃隔板結(jié)構(gòu)和材料的優(yōu)化。

現(xiàn)有動車組行李架隔板是夾膠玻璃，共有兩種，弧形夾膠玻璃：4mm玻璃+1.52膠膜+4mm玻璃；平板夾膠玻璃：4mm玻璃+0.76膠膜+3mm玻璃?；⌒尾Ａ欣罴苤饕钦嚸拦ばЧ厥庖螅梢栽龃髣偠?，但價格較平面玻璃貴，目前多采用平板方案。經(jīng)對比分析，初步確定三個方案：方案一：超薄玻璃，采用3mm玻璃+2mm膠膜+2mm玻璃；方案二：采用10mmPC板新材料；方案三：采用8mmPC板新材料，其重量對比見下表1：

（二）材料耐磨及防火性能

1. 材料防火性能

根據(jù)高速列車設(shè)計統(tǒng)一要求，任何材料需滿足防火要求，夾膠玻璃及PC方案均具有很好的防火性能，均滿足DIN5510相關(guān)要求，即滿足設(shè)計要求。

2. 材料耐磨性能

考慮行李架的使用方式，所選取材料需滿足表面硬度及耐磨要求，夾膠玻璃和PC板材料均滿足要求。

（三）行李架強度分析

采用仿真計算及試驗驗證方式對超薄玻璃和PC板的性能進行驗證，主要項目包括結(jié)構(gòu)強度仿真分析、靜載試驗、隨機振動、沖擊、極限承載試驗驗證等。

為確保實驗順利進行，下述前期試驗中均采用10mm厚PC板進行試驗，若前期試驗未對行李架產(chǎn)生破壞，則在極限承載的破壞性試驗中采用8mm厚的PC板進行，即可全面驗證本文中所有方案的適用情況。

1. 結(jié)構(gòu)強度仿真分析

載荷：行李架均布載荷1000N/m+850N集中力。

方案一：超薄玻璃結(jié)構(gòu)仿真計算

結(jié)構(gòu)強度仿真計算結(jié)果為：玻璃隔板為3+2+2結(jié)構(gòu)，中部形變最大為92.75mm，前型材存在部分屈服狀態(tài)。

方案二：PC隔板結(jié)構(gòu)強度仿真計算

結(jié)構(gòu)強度仿真計算結(jié)果為：PC板（10mm厚）行李架中部最大變形為25.8mm。

對比結(jié)論表明，超薄玻璃結(jié)構(gòu)行李架變形量較大，且前型材已存在部分屈服狀態(tài)，不滿足要求，PC板行李架未存在屈服狀態(tài)，且變形量較小，滿足要求。

2. 靜載試驗驗證

靜載試驗為行李架承載力驗證的基礎(chǔ)，如果行李架沒有通過靜載試驗驗證，則無須在進行其他試驗。

按照UIC 566-1990《客車車體及其部件的載荷（第3版）OR》試驗標(biāo)準(zhǔn)進行對比試驗測試。

試驗方法及要求：行李架裝車后在行李架上施加1000N/m的均布載荷并在前端任意位置施加850N集中載荷；合格條件為行李架無永久性變形或損壞。

（1）方案一（超薄玻璃隔板）

試驗結(jié)論：

從超薄玻璃隔板的行李架靜載數(shù)據(jù)上分析，同仿真分析結(jié)果一樣，行李架已發(fā)生永久變形，無須再進行其他試驗，因此更換為PC板隔板進行行李架的長壽命隨機振動及沖擊試驗。

（2）方案二（PC隔板）

試驗結(jié)論：

從以上數(shù)據(jù)分析厚10mm的PC隔板滿足行李架靜載強度要求；與仿真分析結(jié)果吻合。

3. 長壽命隨機振動及沖擊試驗

按照 JIS E 4031-1994《鐵道車輛部件-振動試驗方法》試驗標(biāo)準(zhǔn)進行長壽命隨機振動及沖擊試驗。

試驗方法：

長壽命隨機振動： PC隔板行李架均布載荷1000N/m（超薄玻璃均布載500N/m），按照標(biāo)準(zhǔn)進要求行試驗，長壽命隨機振動三向加速度分別為垂向：5.9m/s2；橫向：2.9m/s2；縱向：3.9m/s2；試驗頻率f1=5Hz；f2=150Hz；試驗時間在三個相互垂直的方向分別做5h。

沖擊試驗： PC隔板行李架均布載荷1000N/m（超薄玻璃均布載500N/m）， 垂向峰值加速度30m/s2，持續(xù)時間為30/ms；橫向峰值加速度30m/s2，持續(xù)時間為30ms；縱向峰值加速度50m/s2，持續(xù)時間為30ms。

合格條件：行李架無永久變形和損壞。

試驗數(shù)據(jù)及結(jié)論：PC隔板行李架試驗后沒有產(chǎn)生永久變形和損壞。

超薄玻璃行李架試驗結(jié)束后存在永久變形，數(shù)據(jù)如下（表6）：

PC板滿足試驗要求，超薄玻璃不滿足設(shè)計要求。

4. 極限承載試驗

為進一步驗證PC隔板強度性能，對PC隔板行李架進行了極限承載試驗。

試驗方法：PC隔板行李架上放置均布載荷（1000N/m），在此基礎(chǔ)上逐步增加行李架負(fù)載，直至行李架破壞；同時對行李架前型材兩端點、中間點及PC隔板中間點進行測量。

更換8mm厚PC隔板，安裝到CRH6型城際車行李架按照上述試驗方法進行了極限承載試驗，數(shù)據(jù)如下（表7）：

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可以看出，行李架型材已經(jīng)發(fā)生了塑性變形，拆分行李架后，PC板沒有任何裂紋和破損。

（四）試驗結(jié)論

從以上的試驗結(jié)果可以看出，超薄玻璃不能滿足行李架強度要求，PC隔板滿足要求。

四、結(jié)論和展望

本課題對高速列車行李架隔板部件在進行輕量化研究方面進行了探討，通過對新材料和行李架組成進行的相關(guān)試驗，驗證了PC隔板在行李架上的適用性。若將現(xiàn)有動車組列車的行李架隔板改成PC板，一節(jié)車廂將減重約130kg，若采用8輛編組，則一列車可減重約1040kg， 那么在高速列車輕量化方面起到積極的作用。

在行李架輕量化方面，除行李架隔板外，在框架方面也可以通過新材料、新工藝等方面進行減重，如使用鎂合金等。在滿足使用條件的情況下，應(yīng)盡可能地輕量化。

[參考文獻(xiàn)]

[1]李強，金新燦.動車組設(shè)計[M].北京：中國鐵道出版社，2008.

[2]田紅旗.列車空氣動力學(xué)[M].北京：中國鐵道出版社，2007.