杜彥品,廖 平,鄧 銳

(中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司,江蘇 南京 210031)

0 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程加快,特大型城市和大中型城市相繼出現(xiàn)交通擁堵、環(huán)境污染和資源浪費(fèi)等問(wèn)題。城市建設(shè)規(guī)模的急劇擴(kuò)大,致使城市地面道路容量與道路需求之間的矛盾日益加劇,地面交通資源供給嚴(yán)重不足,地下交通發(fā)展受限。于是,人們將交通發(fā)展的目標(biāo)投向空中,懸掛式單軌車因而逐漸進(jìn)入人們的視野,其在某些適用條件下具有特殊的優(yōu)越性[1]。

懸掛式單軌車是一種設(shè)計(jì)理念先進(jìn)、技術(shù)成熟的交通工具,被譽(yù)為未來(lái)城市快速交通方式的重要代表之一。懸掛式單軌車車體輕量化是在保證車體強(qiáng)度及安全的前提下,盡可能降低車體的重量。通過(guò)對(duì)懸掛式單軌車車體進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì),可以提高列車的安全性和運(yùn)行平穩(wěn)性,提升列車的運(yùn)行速度,降低噪聲和運(yùn)行能耗。不僅如此,車體重量降低后,車輛行駛的阻力減小,對(duì)膠輪的磨耗也進(jìn)一步減少,進(jìn)而節(jié)約了運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本。很多專家和學(xué)者對(duì)車體輕量化進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[2-3]研究了懸掛式單軌車的車體強(qiáng)度工況及分析,車體采用鋁合金車體。文獻(xiàn)[4]研究了一種新型的鋁合金牽枕緩結(jié)構(gòu),減輕了車體重量。文獻(xiàn)[5]研究了跨坐式單軌車輛鋁合金車體采用結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化方法優(yōu)化構(gòu)件的板厚,以達(dá)到減重的目標(biāo)。文獻(xiàn)[6-8]研究了鋁合金車體的輕量化方案,采用基于靈敏度的數(shù)值分析方法,優(yōu)化型材板厚。文獻(xiàn)[9]研究了鋁合金車體型材輕量化的設(shè)計(jì)方法,因受均布載荷的鋁型材兩側(cè)固定部分筋板應(yīng)力高于中間位置筋板應(yīng)力,故將中間部分筋板厚度設(shè)計(jì)小一些,以減輕車體重量。文獻(xiàn)[10-11]研究了復(fù)合材料和鋁合金混合結(jié)構(gòu)的動(dòng)車組車體輕量化方案,司機(jī)室采用碳纖維復(fù)合材料,取得明顯的減重效果。文獻(xiàn)[12]研究了采用鋁合金型材和三明治泡沫夾層板相結(jié)合的磁浮列車車體輕量化設(shè)計(jì)。

在以上研究的基礎(chǔ)上,本文主要針對(duì)懸掛式單軌車,探討車體輕量化的有效措施。

1 國(guó)內(nèi)外懸掛車車體發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外懸掛車車體發(fā)展現(xiàn)狀

1901年,世界第一條現(xiàn)代化的懸掛式單軌交通在德國(guó)西部城市烏帕塔爾建成,該懸掛單軌車車體采用鋼骨架和木板結(jié)構(gòu)[13]。2001年,烏帕塔爾線車體的木板換成了纖維增強(qiáng)塑料[14]。1984年多特蒙德大學(xué)開始建造無(wú)人駕駛高空懸掛單軌車,車體采用鋁合金材料[15]。1950年,日本開始研究懸掛單軌交通,東京上野單軌40型車輛車體采用鋁合金制造[16],湘南線單軌5000系車輛采用鋁合金車體結(jié)構(gòu),千葉線單軌1000系車輛在湘南線基礎(chǔ)上開展車體輕量化設(shè)計(jì)[17]。

1.2 國(guó)內(nèi)懸掛車車體發(fā)展現(xiàn)狀

2016年9月10日,我國(guó)首列懸掛式單軌列車(簡(jiǎn)稱“熊貓列車”)在南京正式下線,該車體采用輕量化鋁合金骨架加復(fù)合材料蒙皮結(jié)構(gòu)[18],大大減輕了車體的重量。2017年,中車四方股份公司研制了可實(shí)現(xiàn)3～5輛靈活編組的懸掛式單軌車輛。該車車體采用輕量化鋁合金骨架加外蒙皮結(jié)構(gòu)。2019年,中鐵科工集團(tuán)聯(lián)合西南交通大學(xué)設(shè)計(jì)的“新時(shí)代”號(hào)懸掛車制造完成,該車采用輕量化鋁合金骨架加復(fù)合材料蒙皮結(jié)構(gòu),有效降低了車體承載結(jié)構(gòu)重量。

2 車體結(jié)構(gòu)材料的演變與發(fā)展

懸掛式單軌車車體結(jié)構(gòu)采用骨架加蒙皮的方案從1901年一直沿用至今。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,車體材料也由最開始的鋼骨架加木板蒙皮結(jié)構(gòu)發(fā)展到輕量化鋁合金加復(fù)合材料蒙皮結(jié)構(gòu)。懸掛式單軌車車體材料的發(fā)展過(guò)程如圖1所示。

圖1 懸掛式單軌車車體材料的演變過(guò)程

3 懸掛式單軌車體

懸掛式單軌車的車體結(jié)構(gòu)主要由車頂、底架、側(cè)墻、端墻和司機(jī)室骨架5個(gè)部分組成,如圖2所示。

圖2 懸掛式單軌車車體結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)跨坐式單軌車的轉(zhuǎn)向架、大部分電氣設(shè)備以及乘客均由底架承載,所以底架是車體結(jié)構(gòu)的主要承載結(jié)構(gòu)部件,其車頂、側(cè)墻為非主要承載結(jié)構(gòu)部件。而懸掛式單軌車的軌道梁位于車體上方,所以轉(zhuǎn)向架和大部分電氣設(shè)備由車頂承載,乘客和車內(nèi)設(shè)備由底架承載,車頂和底架通過(guò)側(cè)墻連接,其主要承載結(jié)構(gòu)部件轉(zhuǎn)變?yōu)檐図敗⒌准芎蛡?cè)墻。每一部件的重量減少對(duì)整車輕量化都具有重要意義。

4 懸掛式單軌車車體輕量化措施

本節(jié)從懸掛式單軌車的車頂、側(cè)墻、底架和端墻4個(gè)部件進(jìn)行輕量化分析。

4.1 車頂結(jié)構(gòu)輕量化

懸掛式單軌車的車頂主要由車頂邊梁、牽枕緩結(jié)構(gòu)、頂蓋以及車頂設(shè)備安裝座組成。

4.1.1車頂邊梁輕量化

車頂邊梁是牽枕緩結(jié)構(gòu)、頂蓋以及車頂其他部件的安裝基礎(chǔ),也是連接側(cè)墻的關(guān)鍵部位。目前懸掛式單軌車的車頂邊梁大部分呈“ㄏ”型,具體如圖3所示。

圖3 車頂邊梁截面

車頂邊梁從斷面看主要分為上、下2個(gè)部分,上半部分主要作為牽枕緩結(jié)構(gòu)和頂蓋的安裝基礎(chǔ),下半部分主要用于與側(cè)墻立柱的連接,上半部分的C型槽主要用于車頂設(shè)備和車門的安裝。車頂邊梁質(zhì)量占整個(gè)車頂總質(zhì)量的35%～45%左右,所以車頂邊梁的型材厚度和內(nèi)部筋板布置對(duì)車頂輕量化具有重大意義。

目前對(duì)型材筋板厚度的參數(shù)優(yōu)化技術(shù)已經(jīng)很成熟,在車體設(shè)計(jì)完成后可采用OPTISTRUCT對(duì)車頂邊梁的型材厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),在滿足各種工況的要求下盡可能減少型材厚度;但是對(duì)于車頂邊梁這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的內(nèi)部筋板布置的設(shè)計(jì)方法和拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)還不太成熟,主要依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。合理的筋板布置方式是減少型材厚度的重要前提條件,在對(duì)車頂邊梁內(nèi)部筋板布置進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)主要注意以下兩點(diǎn):

(1)筋板與型材外輪廓相交處的設(shè)計(jì):筋板與型材外輪廓的相交型式主要有以下3種,具體如圖4所示。

圖4 型材外輪廓與筋板相交型式

型式1是兩條筋板中線與外輪廓內(nèi)壁相交;型式2是兩條筋板中線與外輪廓中線相交;型式3是兩條筋板中線與外輪廓外壁相交。3種型式都能很好地傳遞力流,其中型式2的力流傳遞效果最好,但是考慮到筋板與筋板之間、筋板與外輪廓之間的圓角大小,采用型式3的筋板布置有利于輕量化。

(2)筋板的設(shè)計(jì)要兼顧C(jī)型槽的位置:邊梁內(nèi)部筋板盡量與C型槽根部相接,如圖5所示,這樣可以增加C型槽強(qiáng)度,更好地傳力。

圖5 C型槽筋板連接

4.1.2牽枕緩輕量化

枕梁是連接車體與轉(zhuǎn)向架并傳遞垂向、縱向和橫向載荷的關(guān)鍵部件,其質(zhì)量占整個(gè)牽枕緩結(jié)構(gòu)質(zhì)量的50%以上,故枕梁的輕量化對(duì)于降低質(zhì)量尤為重要,本節(jié)重點(diǎn)闡述枕梁的輕量化方案。

枕梁的尺寸和結(jié)構(gòu)形式主要由轉(zhuǎn)向架決定,目前懸掛車的轉(zhuǎn)向架主要有德國(guó)的H-Bahn轉(zhuǎn)向架和日本的SAFEGE轉(zhuǎn)向架兩大類[19],如圖6和圖7所示。

圖6 德國(guó)H-Bahn轉(zhuǎn)向架

圖7 日本SAFEGE轉(zhuǎn)向架

德國(guó)H-Bahn轉(zhuǎn)向架的空氣彈簧位于懸吊梁上,由于空氣彈簧體積的限制,懸吊梁縱向跨度較大,導(dǎo)致枕梁在縱向的長(zhǎng)度較長(zhǎng),大幅度增加枕梁重量;若轉(zhuǎn)向架采用體積較小的空氣彈簧,可以減少枕梁內(nèi)的筋板數(shù)量,從而減少枕梁的重量。

而日本SAFEGE轉(zhuǎn)向架的空氣彈簧位于軌道梁內(nèi),懸吊梁的體積相對(duì)較小,可以減少枕梁在縱向上的長(zhǎng)度,大幅降低枕梁重量。

4.1.3頂蓋輕量化

頂蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮密封性、自承載結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度以及與車頂邊梁、枕梁的連接形式[20]。目前懸掛式單軌車的頂蓋主要有鋁合金擠壓型材頂蓋、復(fù)合材料頂蓋以及板梁結(jié)構(gòu)頂蓋3種型式。

鋁合金擠壓型材頂蓋由通長(zhǎng)的中空鋁合金擠壓型材插接拼焊而成,如圖8所示。頂蓋與車頂邊梁、枕梁之間采用搭接形式焊接在一起,在安裝時(shí)有充裕的調(diào)整余量,有良好的工藝性和密封性。

圖8 擠壓型材頂蓋

復(fù)合材料頂蓋主要由輕質(zhì)高強(qiáng)度泡沫芯材和上、下面板復(fù)合而成,如圖9所示。相較于鋁合金擠壓型材,復(fù)合材料頂蓋能減重15%～20%左右。復(fù)合材料頂蓋通過(guò)膠黏和鉚接與車頂邊梁和枕梁連接在一起。

板梁結(jié)構(gòu)頂蓋采用復(fù)合材料蓋板,通過(guò)膠接黏在車頂邊梁、枕梁和橫梁上,如圖10所示,能夠大幅減少頂蓋重量。

圖10 板梁結(jié)構(gòu)車頂蓋

不同型式的頂蓋各有優(yōu)劣,但從輕量化角度來(lái)看,板梁結(jié)構(gòu)頂蓋重量最輕,復(fù)合材料頂蓋次之,鋁合金擠壓型材頂蓋最重。

4.2 側(cè)墻結(jié)構(gòu)輕量化

懸掛式單軌車的側(cè)墻主要由立柱和橫梁組成。立柱承受來(lái)自底架的全部垂向載荷并保證在各種工況下車體變形滿足設(shè)計(jì)要求。橫梁主要是用于座椅、車窗以及車內(nèi)電氣設(shè)備柜體的安裝。立柱的截面尺寸主要由車體的強(qiáng)度和剛度決定,在滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)盡量減少型材的厚度。另外還可以通過(guò)減少零件的數(shù)量對(duì)側(cè)墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

如圖11所示,某懸掛車的中部側(cè)墻由3根立柱、4根座椅安裝橫梁和4根車窗橫梁組成。橫梁數(shù)量過(guò)多導(dǎo)致側(cè)墻結(jié)構(gòu)復(fù)雜且重量較重,通過(guò)以下方式可以減少側(cè)墻橫梁數(shù)量:

圖11 側(cè)墻結(jié)構(gòu)圖

(1)采用帶腳撐的座椅可以將座椅安裝橫梁減少至1根。

(2)采用大視野車窗可以使車窗下橫梁與座椅安裝橫梁合二為一,窗上橫梁與車頂邊梁合二為一。

4.3 底架結(jié)構(gòu)輕量化

底架結(jié)構(gòu)主要由側(cè)梁、地板和橫梁組成。側(cè)梁和橫梁的輕量化方法參考車頂邊梁,本節(jié)主要考慮地板輕量化設(shè)計(jì)。

目前懸掛式單軌車的地板大多數(shù)都是采用鋁合金擠壓型材,少數(shù)采用框架結(jié)構(gòu)。

鋁合金擠壓型材的筋板布置方式主要有三角形、梯形、矩形3種,從截面橫向變形和整體變形來(lái)看,三角形筋板布置方式的變形最小,矩形筋板布置方式的變形最大。因此在對(duì)地板進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),采用大角度的梯形筋板布置方式,既可以保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,又可以通過(guò)減少筋板數(shù)目減輕地板的重量,如圖12所示。

圖12 地板型材截面

由于鋁合金擠壓型材的工藝限制,整車地板一般由多塊型材拼焊而成。中間型材的筋板承受載荷較兩側(cè)靠近邊梁型材的筋板要小很多,因此在設(shè)計(jì)地板時(shí),將兩側(cè)型材受力較大的筋板設(shè)計(jì)得厚一些,而中間型材的筋板則可以盡量薄一點(diǎn),以達(dá)到輕量化的目的。

框架結(jié)構(gòu)底架,通過(guò)設(shè)置多根橫梁和縱梁形成地板骨架,在地板骨架上面安裝復(fù)合材料地板或玻璃。采用框架結(jié)構(gòu)底架相較于擠壓型材底架減重幅度不大,若在橫梁和縱梁上面安裝玻璃,則重量會(huì)超過(guò)擠壓型材結(jié)構(gòu)。但框架結(jié)構(gòu)底架橫梁與側(cè)墻立柱以及車頂橫梁形成圓環(huán)結(jié)構(gòu),使車體具有更好的強(qiáng)度和剛度。

4.4 端墻結(jié)構(gòu)輕量化

端墻除了需要滿足車體承載要求的同時(shí),還要保證貫通道的安裝[21],使乘客能在車廂內(nèi)自由通行。沿車體的縱向方向,端墻不是主要的承載部件,所以擠壓型材一般采用矩形筋板的截面設(shè)計(jì),另外在有安裝接口的位置,局部面板進(jìn)行加厚,如圖13所示,可以滿足車體承載要求和貫通道安裝,同時(shí)減輕端墻的重量。

圖13 端墻截面

5 結(jié)論

懸掛式單軌列車作為一種高效、快速、環(huán)保、舒適的交通工具,對(duì)城市發(fā)展具有重要的意義。其輕量化的車體結(jié)構(gòu),對(duì)節(jié)能減排、減振降噪具有積極的影響。

1)采用空氣彈簧位于軌道梁內(nèi)的轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)思路,能大幅減少枕梁重量。

2)采用復(fù)合材料頂蓋和板梁結(jié)構(gòu)頂蓋均可以有效減少車頂重量。

3)采用帶腳撐的座椅和增加車窗高度尺寸能夠減少側(cè)墻橫梁數(shù)量,降低側(cè)墻重量。

4)地板型材采用大角度梯形筋板布置,能夠降低地板重量。

5)端墻型材采用矩形筋板分布,面板局部加厚的方式,可以在滿足車體承載和貫通道安裝要求的同時(shí),減輕端墻重量。

6)隨著車體輕量化的不斷深入,采用傳統(tǒng)金屬材料的車體減重空間越來(lái)越小,需要尋求新型輕質(zhì)材料,才能更大程度地降低車體重量。碳纖維復(fù)合材料是未來(lái)軌道交通車輛最具應(yīng)用前景的新材料;因其具有密度低、比強(qiáng)度和比模量高、耐疲勞和耐腐蝕等多種優(yōu)勢(shì),在軌道交通車輛上的用量逐漸增加;隨著其技術(shù)的發(fā)展及成本的不斷降低,日后會(huì)成為車體新型材料的首選。采用碳纖維復(fù)合材料車體,可大幅度降低車體重量。