摘" 要：為保障列車的綠色環(huán)保，需對(duì)城軌車輛進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。該文對(duì)城軌車輛內(nèi)裝輕量化進(jìn)行研究，以現(xiàn)有B型不銹鋼城軌車輛內(nèi)裝平臺(tái)為研究對(duì)象，介紹內(nèi)裝系統(tǒng)應(yīng)用的新材料、新工藝，舉例說(shuō)明內(nèi)裝系統(tǒng)應(yīng)用新材料及安裝新結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的輕量化效果，討論未來(lái)城軌車輛的輕量化發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：城軌車輛；內(nèi)裝；輕量化；優(yōu)化結(jié)構(gòu)；性能對(duì)比

中圖分類號(hào)：U270.3" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）13-0122-04

Abstract： In order to protect the green and environmental protection of the train， it is necessary to carry on the lightweight design of urban rail vehicles. This paper studies the lightweight of urban rail vehicle interior， takes the existing B-type stainless steel urban rail vehicle interior platform as the research object， introduces the new materials and new processes used in the interior system. Examples are given to illustrate the lightweight effect brought by the application of new materials and the installation of new structure in the built-in system， and the development trend of lightweight of urban rail vehicles in the future is discussed.

Keywords： urban rail vehicle; built-in; lightweight; optimized structure; performance comparison

客室內(nèi)裝包括中頂板、側(cè)頂板、送風(fēng)格柵、側(cè)墻板、立罩板、端墻板、地板、地板布及隔音隔熱材料。其中裝飾類墻板涉及的材料主要有以鋁板、鋁型材和鋁蜂窩為主的金屬類材料和以玻璃鋼、玻纖預(yù)浸料為主的復(fù)合材料。隔音隔熱材料主要涉及保溫棉制材料及橡膠類隔音墊和多孔吸聲材料。內(nèi)裝的輕量化主要依靠?jī)?yōu)化結(jié)構(gòu)及新工藝、新材料的選型來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也要統(tǒng)籌兼顧成本及功能性指標(biāo)。內(nèi)裝系統(tǒng)的輕量化設(shè)計(jì)對(duì)于改善車輛運(yùn)行質(zhì)量和效益具有重要作用。

1" 內(nèi)裝輕量化研究

1.1" 中頂

中頂板作為內(nèi)裝頂部裝飾板，需要外形美觀，且外露表面須平整，沿車體縱向分塊排布，每一塊的中頂都需要保證平面度不大于1 mm，因此中頂常用材質(zhì)為夾心復(fù)合結(jié)構(gòu)，常用材質(zhì)有鋁蜂窩板[1]。考慮輕量化材料，可選用同樣是蜂窩結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料芳綸紙蜂窩[2]，如圖1所示，2種材料的性能對(duì)比見(jiàn)表1，相比于鋁蜂窩板，選用紙蜂窩替代可達(dá)到減重50%以上的效果。

1.2" 側(cè)頂板

側(cè)頂板是車輛重要的檢修通道，同時(shí)也為安全錘、揚(yáng)聲器和動(dòng)態(tài)地圖等設(shè)備提供安裝接口，考慮到側(cè)頂?shù)拿拦ば螤罴肮δ芤?，城軌車輛側(cè)頂板一般采用3 mm的鋁型材，面密度8.1 kg/m2。為了達(dá)到輕量化要求，可考慮使用玻璃鋼、碳纖維和玻纖預(yù)浸料等復(fù)合材料代替[3]，有關(guān)玻璃鋼、碳纖維及玻纖預(yù)浸料的性能對(duì)比見(jiàn)表2。

預(yù)浸料是增強(qiáng)纖維（玻璃纖維、碳纖維和芳綸纖維等）浸漬樹(shù)脂基體后制備的一種具有優(yōu)異性能的半成品，具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐疲勞、耐腐蝕、隔熱、耐磨和可成型性強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，且重量設(shè)計(jì)可控，正在成為軌道交通車輛內(nèi)裝輕量化設(shè)計(jì)中越來(lái)越重要的一類材料。通過(guò)對(duì)比證明，玻璃鋼、碳纖維和玻纖預(yù)浸料的硬度、纖維含量、樹(shù)脂含量和吸水率等性能差別不大，預(yù)浸料制品比傳統(tǒng)復(fù)合材料制品強(qiáng)度要高2倍左右。碳纖維及其制品比強(qiáng)度要高于玻璃纖維制品，但從沖擊韌性來(lái)看，作為衡量材料脆性的重要指標(biāo)，玻纖預(yù)浸料大于玻璃鋼大于碳纖維。

3 mm玻璃鋼面密度約為5～6 kg/m2。而采用先進(jìn)工藝制造的玻纖預(yù)浸料，在滿足強(qiáng)度要求的前提下，可將厚度減至2.5 mm，面密度達(dá)到4～4.5 kg/m2。除了玻纖制品，碳纖維也是輕量化設(shè)計(jì)的一個(gè)發(fā)展方向，但目前由于技術(shù)不成熟、成品率低，導(dǎo)致并未廣泛使用。

1.3" 送風(fēng)格柵

現(xiàn)有城軌車輛上的送風(fēng)格柵主要是通過(guò)螺栓固定于二次骨架下部，常用材料為鋁合金6063-T5?？紤]輕量化設(shè)計(jì)，可使用鎂合金格柵[4]，在斷面一致的前提下減重約30%。常用鋁合金和鎂合金牌號(hào)的性能對(duì)比見(jiàn)表3。

對(duì)現(xiàn)有城軌車輛，鋁合金5052、5083板材常用于頂板地板；鋁合金6063型材常用于車體、骨架和格柵。而鎂合金AZ31、ZK60和AZ91等力學(xué)性能已超過(guò)常用鋁合金，制品重量約為鋁材的2/3。在國(guó)內(nèi)外高速動(dòng)車上，座椅、行李架等設(shè)備零部件已經(jīng)有了鎂合金的應(yīng)用實(shí)例[5]。但鎂合金焊接性能不好，且難以制造出大斷面擠壓型材，因此應(yīng)用于小斷面的送風(fēng)格柵是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，同時(shí)對(duì)于鎂合金的連接結(jié)構(gòu)適宜采用螺栓連接型材，取消焊接結(jié)構(gòu)。

1.4" 側(cè)墻板、立罩板

側(cè)墻板、立罩板常見(jiàn)材料有玻璃鋼板（圖2）、鋁板（圖3），鋁板由于其可回收利用的特性，是城軌車輛側(cè)墻板的一個(gè)主要選擇。常用鋁板厚度為2 mm，表面噴漆。選用先進(jìn)的制造工藝，控制特定的溫度和應(yīng)變速率，鋁合金的延展性可以由常規(guī)的20%提高到500%，這種現(xiàn)象稱為“超塑性”，超塑成型工藝可使鋁合金材料按照復(fù)雜造型成型，且材料恢復(fù)常溫后依然保持良好的機(jī)械性能，可將鋁板厚度減薄至1.5 mm，進(jìn)一步減輕重量。

1.5" 端墻板

老式城軌車輛端墻板常用實(shí)心玻璃鋼，需要達(dá)到一定的厚度才能保證安裝厚墻板的強(qiáng)度及平整度。為了達(dá)到減重效果，可將端墻板材質(zhì)優(yōu)化為鋁蜂窩夾層或紙蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，不僅能提高安裝效果，減少多余加強(qiáng)筋的使用，對(duì)于車輛的隔音效果也有幫助。紙蜂窩相比鋁蜂窩重量更輕，相同厚度的情況下可減重60%。

1.6" 地板

地板組成分為地板布、地板及地板支撐結(jié)構(gòu)。城軌車輛地板布常用材料為橡膠地板布、PVC地板布，為了提升乘客舒適性，地板布的厚度一般為3 mm，且具有耐磨、抗沖擊、防火、防滑、美觀和易于清潔的特性。PVC地板布主要成分是PVC，同時(shí)配以塑化劑、阻燃劑等；橡膠地板布主要成分是天然橡膠，加入耐火劑、抗老化劑等。為了更進(jìn)一步提高地板布減重效果，可選用TPU地板布，主要成分是TPU（熱塑性聚氨酯彈性體橡膠），同時(shí)配以阻燃劑等，上述地板布材質(zhì)的性能對(duì)比見(jiàn)表4。

以3 mm橡膠地板布為例，B型城軌車輛一節(jié)車地板布總重約為230 kg，選用TPU地板布可減重90 kg，減重率約為40%。

地板是通過(guò)支撐結(jié)構(gòu)安裝在車體底架上，作為乘客及部分車內(nèi)設(shè)備的承載。城軌車輛常用地板材料為18 mm厚鋁蜂窩地板，采用硬質(zhì)鋁合金面板黏接在正六邊形蜂窩上的結(jié)構(gòu)，綜合面密度約為14 kg/m2。在鋁蜂窩地板制造過(guò)程中，可將傳統(tǒng)黏接方式改為高溫膠膜黏接，優(yōu)化冗余的黏接膠帶來(lái)的重量增加。

除了傳統(tǒng)的黏接方式，也可以選擇使用焊接工藝，在焊接中的加熱溫度高于焊料熔融溫度而低于母材熔融溫度，即焊料熔融而母材不熔，過(guò)程中熔化的焊料在毛細(xì)吸引作用下浸潤(rùn)填充在兩母材之間，并與母材相互溶解、擴(kuò)散及冷卻凝固后將兩母材焊接為一體。該材料中鋁蜂窩芯與鋁蜂窩芯之間、鋁蜂窩芯與鋁面板之間的所有節(jié)點(diǎn)均為金屬焊接連接，中間不添加任何諸如膠黏劑等非金屬材料。這一改變使鋁蜂窩板的性能大大改變，形成一種獨(dú)立的新型金屬結(jié)構(gòu)性材料，而不是傳統(tǒng)意義上的鋁蜂窩復(fù)合材料，在達(dá)到更優(yōu)良的力學(xué)性能的前提下，完全取消了黏接膠用量，達(dá)到更好的減重效果。

選用復(fù)合材料可以在焊接鋁蜂窩的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步減重，新型復(fù)合材料地板主要有輕芯鋼地板，如圖4所示，由高強(qiáng)度酚醛布層壓板和低密度輕芯鋼芯層組成[6]，整體面密度可達(dá)到11 kg/m2，以B型城軌車輛1輛車為例，可比傳統(tǒng)鋁蜂窩地板減重約160 kg，同時(shí)在隔音、隔熱方面具備金屬類地板材料所不具備的優(yōu)異性能，直接體現(xiàn)車輛在節(jié)能降噪、更多承載及舒適性方面的提升，可使得車輛底架隔音隔熱材料用量進(jìn)一步減重，上述3種地板材料的性能對(duì)比見(jiàn)表5。

除了新材料的應(yīng)用，對(duì)于地板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化也同樣能起到減重的效果，鋁蜂窩地板同時(shí)也為立罩板等結(jié)構(gòu)提供安裝接口，傳統(tǒng)安裝方式為鋁蜂窩地板預(yù)埋鋼板，而為了輕量化設(shè)計(jì)，可考慮在鋁蜂窩地板封邊型材中設(shè)計(jì)鑰匙孔，減少鋼板用量。

1.7" 隔音隔熱材料

城軌車輛常用的隔音隔熱材料主要有玻璃絲棉、三聚氰胺保溫棉、預(yù)氧絲棉、福樂(lè)斯泡棉和阻尼隔聲氈等，如圖5、圖6所示。在車輛整體的隔熱設(shè)計(jì)中，盡量選擇環(huán)保性能優(yōu)良的保溫棉，以減少鋁箔包布的用量，且對(duì)于整車隔熱材料的安裝，設(shè)計(jì)輔助安裝的固定絲及防寒釘，應(yīng)避免大量施膠所造成的重量增加。

在隔音設(shè)計(jì)中，通過(guò)仿真計(jì)算等方案提前判斷重點(diǎn)區(qū)域，對(duì)重點(diǎn)聲源區(qū)域著重處理，比如在底架轉(zhuǎn)向架、空壓機(jī)區(qū)域和車頂空調(diào)機(jī)組區(qū)域重點(diǎn)鋪設(shè)[7]，避免隔音過(guò)設(shè)計(jì)。在部分區(qū)域可選擇兼具隔音、隔熱性能的吸音棉，進(jìn)一步減重。

2" 結(jié)論

針對(duì)城軌車輛內(nèi)裝輕量化的研究是一個(gè)涉及多個(gè)系統(tǒng)的持續(xù)性課題，不僅僅要探討各種新材料、新工藝的應(yīng)用，對(duì)于傳統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)也要推陳出新，同時(shí)兼顧設(shè)計(jì)成本及各項(xiàng)功能性指標(biāo)。輕量化的列車可以帶來(lái)更多的綠色環(huán)保效益，是未來(lái)城軌車輛內(nèi)裝的發(fā)展方向。

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