馮延成

中車長春軌道客車股份有限公司

城際動車組車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

馮延成

中車長春軌道客車股份有限公司

本文基于長客股份自主研發(fā)的CJ-1城際動車組，針對其大載客量的運用特點，從車體的強度、剛度、模態(tài)、疲勞及車體所采用的材料、車體主結(jié)構(gòu)等幾方面入手，對車體結(jié)構(gòu)輕量化進(jìn)行分析，為設(shè)計輕量化車體提供參考。

城際動車組；輕量化車體

1 引言

高速鐵路運輸是旅客運輸?shù)闹匾袠I(yè)，已經(jīng)作為人們出行的首選交通方式，但其耗費能源巨大，目前能源緊缺，所以在高鐵行業(yè)進(jìn)行節(jié)能勢在必行；據(jù)統(tǒng)計，按京滬線每天開通50對高鐵，人均百公里耗能3.64度電計算，那么京滬線年平均耗能17.5億度左右，如果動車組能節(jié)能2.5%，那么每年即可節(jié)約4500萬度電，每年可節(jié)約用電2250萬元。因此，在我國推進(jìn)高鐵低碳化，發(fā)展動車組節(jié)能技術(shù)顯得尤為重要；車體作為動車組的承載結(jié)構(gòu)，占據(jù)了整車重量約20%-25%的比重，因此，對車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計，是動車組節(jié)能降耗的關(guān)鍵。

2 車體結(jié)構(gòu)輕量化研究的必要性

2.1 我國高速鐵路發(fā)展現(xiàn)狀

我國幅員遼闊，地貌復(fù)雜，這樣也就造就成了我國高速動車組運營環(huán)境多樣化的特點。針對不同的鐵路線路環(huán)境，對于高速動車組的運營模式、技術(shù)及服役性能提出的要求也就差別巨大，所以需要根據(jù)不同的條件配以不同技術(shù)、不同系列化及個性化的動車組與之適應(yīng)，輕量化是其中關(guān)鍵技術(shù)之一。

2.2 動車組輕量化技術(shù)

由于高速列車涉及鋁合金車體、內(nèi)裝結(jié)構(gòu)、制動系統(tǒng)、系統(tǒng)集成及轉(zhuǎn)向架等關(guān)鍵技術(shù)及其他重要配套技術(shù)，其中每一項技術(shù)及其對應(yīng)的列車(車輛)系統(tǒng)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(chǎn)生重大的影響。上述關(guān)鍵技術(shù)的輕量化無不與先進(jìn)制造技術(shù)、材料創(chuàng)新、結(jié)構(gòu)優(yōu)化息息相關(guān)。

2.3 車體輕量化技術(shù)

對于動車組來說，實現(xiàn)降低牽引能耗和鋁合金車體輕量化這一特點與車體的強度和焊接接頭的疲勞強度又是相互矛盾的，那么如何在保證高速列車不斷提速的情況下，降低動車組鋁合金車體的重量，同時又能保證車體結(jié)構(gòu)的可靠性，這是一個重要的課題；這對鋁合金材料提出了一系列的要求，如抗沖擊吸能性好，抗疲勞、強度、抗裂紋能力強，還要有良好的焊接性能、吸音性和吸能性等；這也是對高速動車組鋁合金車體的制造工藝的一項挑戰(zhàn)。

3 車體結(jié)構(gòu)輕量化

CJ-1型城際動車組為了滿足城際車大載客量的需求，盡量降低鋁合金車體的自重，借此來提高運輸性能；該城際動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，在保證車體強度等自身性能的同時降低自身重量。

3.1 CJ-1動車組車體材料

目前，適用于制造鐵路車輛的鋁合金主要有Al-Mg-Si及Al-Zn-Mg兩大系列。日本鋁合金車體列車所用材料主要為7N0l(7005)合金，它具有良好的擠壓性能和焊接性能，主要應(yīng)用于端面梁、底座、檻、偶面構(gòu)件骨架、車體枕粱、車端墻等部位。近幾年開始用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，作為車體、頂板和側(cè)板結(jié)構(gòu)的型材材料。由于Al-Mg-Si 6005A的擠壓性能更好，西歐鋁合金車體用它來生產(chǎn)復(fù)雜型材，這樣使用性能更優(yōu)，也使車輛結(jié)構(gòu)更合理。結(jié)合國外車體材料的發(fā)展趨勢，根據(jù)我國CRH系列動車組車體使用材料的特點，CJ-1型城際動車組車體結(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。

3.2 車體型材

車體型材長度與車體等長，側(cè)墻型材5種，厚度為50mm；車頂型材6種、共10塊，厚度為50mm；底架型材5種、共8塊，厚度為70mm。車體斷面根據(jù)不同位置結(jié)構(gòu)不同，由16種共28塊擠壓鋁型材組焊而成，擠壓型材為中空、閉口、薄壁、通長的型材。

3.3 車體結(jié)構(gòu)

車體主要由三種不同的車型組成，包括普通的中間車、帶有司機室的頭車和帶受電弓的中間車。以中間車為例，這是最基本的車型，其由車頂、側(cè)墻、端墻、底架幾個大部件構(gòu)成；頭車是在中間車的基礎(chǔ)上增加了空氣動力學(xué)前端，取消了中間車一位端的端墻。

車體主斷面型材間的連接形式用插接或搭接形式。如地板和邊梁用插接形式連接，地板由6塊型材拼焊而成。

4 計算分析驗證

為達(dá)到減輕車體重量的目的，對車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，優(yōu)化了型材斷面，對車體材料的選擇又重新優(yōu)化，最后，車體結(jié)構(gòu)及材料輕量化還要保證車體剛度、車體疲勞、體靜強度、車體模態(tài)均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，隨后又開展了試驗驗證工作。

4.1 車體靜強度及模態(tài)

依據(jù)EN 12663規(guī)定，車體靜強度工況的計算結(jié)果滿足其所提出的強度要求。

中間車車體一階垂向彎曲模態(tài) 15.809Hz，頭車車體一階垂向彎曲 17.818Hz，如圖1和圖2所示。

圖1 TP車車體一階垂向彎曲模態(tài)

圖2 MC車車體一階垂向彎曲模態(tài)

4.3 車體剛度

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 1335-1996(鐵道車輛強度設(shè)計與試驗鑒定規(guī)范)對車體剛度進(jìn)行計算，AW3工況下車體中部邊梁下翼緣的垂向位移為7.28mm。

4.4 車體疲勞

根據(jù)美國ASME標(biāo)準(zhǔn)中的結(jié)構(gòu)應(yīng)力法及BS EN12663-1：2010中提供的疲勞載荷，對中間車車體焊縫進(jìn)行了應(yīng)力集中分析疲勞壽命預(yù)測，均滿足車體疲勞壽命的設(shè)計要求。

5 結(jié)束語

通過對型材斷面、拉伸方向、車體輪廓、型材加強筋厚度的優(yōu)化，在保證車體疲勞、模態(tài)、強度、剛度等條件的前提下，車體重量降低重量近0.9噸，達(dá)到了車體輕量化的目標(biāo)。

[1]嚴(yán)雋耄，傅茂海.車輛工程(第三版)[M].北京：中國鐵道出版社，2009.