城際動(dòng)車(chē)組車(chē)體結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

馮延成

中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司

城際動(dòng)車(chē)組車(chē)體結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

馮延成

中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司

本文基于長(zhǎng)客股份自主研發(fā)的CJ-1城際動(dòng)車(chē)組，針對(duì)其大載客量的運(yùn)用特點(diǎn)，從車(chē)體的強(qiáng)度、剛度、模態(tài)、疲勞及車(chē)體所采用的材料、車(chē)體主結(jié)構(gòu)等幾方面入手，對(duì)車(chē)體結(jié)構(gòu)輕量化進(jìn)行分析，為設(shè)計(jì)輕量化車(chē)體提供參考。

城際動(dòng)車(chē)組；輕量化車(chē)體

1 引言

高速鐵路運(yùn)輸是旅客運(yùn)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(fèi)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(shì)在必行；據(jù)統(tǒng)計(jì)，按京滬線每天開(kāi)通50對(duì)高鐵，人均百公里耗能3.64度電計(jì)算，那么京滬線年平均耗能17.5億度左右，如果動(dòng)車(chē)組能節(jié)能2.5%，那么每年即可節(jié)約4500萬(wàn)度電，每年可節(jié)約用電2250萬(wàn)元。因此，在我國(guó)推進(jìn)高鐵低碳化，發(fā)展動(dòng)車(chē)組節(jié)能技術(shù)顯得尤為重要；車(chē)體作為動(dòng)車(chē)組的承載結(jié)構(gòu)，占據(jù)了整車(chē)重量約20%-25%的比重，因此，對(duì)車(chē)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，是動(dòng)車(chē)組節(jié)能降耗的關(guān)鍵。

2 車(chē)體結(jié)構(gòu)輕量化研究的必要性

2.1 我國(guó)高速鐵路發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)幅員遼闊，地貌復(fù)雜，這樣也就造就成了我國(guó)高速動(dòng)車(chē)組運(yùn)營(yíng)環(huán)境多樣化的特點(diǎn)。針對(duì)不同的鐵路線路環(huán)境，對(duì)于高速動(dòng)車(chē)組的運(yùn)營(yíng)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(gè)性化的動(dòng)車(chē)組與之適應(yīng)，輕量化是其中關(guān)鍵技術(shù)之一。

2.2 動(dòng)車(chē)組輕量化技術(shù)

由于高速列車(chē)涉及鋁合金車(chē)體、內(nèi)裝結(jié)構(gòu)、制動(dòng)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(xiàng)技術(shù)及其對(duì)應(yīng)的列車(chē)(車(chē)輛)系統(tǒng)的輕量化和性能提升都對(duì)高速列車(chē)的整體輕量化與整車(chē)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(wú)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(chē)體輕量化技術(shù)

對(duì)于動(dòng)車(chē)組來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)降低牽引能耗和鋁合金車(chē)體輕量化這一特點(diǎn)與車(chē)體的強(qiáng)度和焊接接頭的疲勞強(qiáng)度又是相互矛盾的，那么如何在保證高速列車(chē)不斷提速的情況下，降低動(dòng)車(chē)組鋁合金車(chē)體的重量，同時(shí)又能保證車(chē)體結(jié)構(gòu)的可靠性，這是一個(gè)重要的課題；這對(duì)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(qiáng)度、抗裂紋能力強(qiáng)，還要有良好的焊接性能、吸音性和吸能性等；這也是對(duì)高速動(dòng)車(chē)組鋁合金車(chē)體的制造工藝的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

3 車(chē)體結(jié)構(gòu)輕量化

CJ-1型城際動(dòng)車(chē)組為了滿足城際車(chē)大載客量的需求，盡量降低鋁合金車(chē)體的自重，借此來(lái)提高運(yùn)輸性能；該城際動(dòng)車(chē)組主要從鋁合金車(chē)體材料、鋁型材斷面、車(chē)體結(jié)構(gòu)等幾方面入手，在保證車(chē)體強(qiáng)度等自身性能的同時(shí)降低自身重量。

3.1 CJ-1動(dòng)車(chē)組車(chē)體材料

目前，適用于制造鐵路車(chē)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(chē)體列車(chē)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(chē)體枕粱、車(chē)端墻等部位。近幾年開(kāi)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(chē)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(chē)體用它來(lái)生產(chǎn)復(fù)雜型材，這樣使用性能更優(yōu)，也使車(chē)輛結(jié)構(gòu)更合理。結(jié)合國(guó)外車(chē)體材料的發(fā)展趨勢(shì)，根據(jù)我國(guó)CRH系列動(dòng)車(chē)組車(chē)體使用材料的特點(diǎn)，CJ-1型城際動(dòng)車(chē)組車(chē)體結(jié)構(gòu)材料按DIN 5513標(biāo)準(zhǔn)選擇，型材鋁合金牌號(hào)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(chē)體的重量。

3.2 車(chē)體型材

車(chē)體型材長(zhǎng)度與車(chē)體等長(zhǎng)，側(cè)墻型材5種，厚度為50mm；車(chē)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(chē)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(zhǎng)的型材。

3.3 車(chē)體結(jié)構(gòu)

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

車(chē)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(jì)算分析驗(yàn)證

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

4.1 車(chē)體靜強(qiáng)度及模態(tài)

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

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

圖1 TP車(chē)車(chē)體一階垂向彎曲模態(tài)

圖2 MC車(chē)車(chē)體一階垂向彎曲模態(tài)

4.3 車(chē)體剛度

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 1335-1996(鐵道車(chē)輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)與試驗(yàn)鑒定規(guī)范)對(duì)車(chē)體剛度進(jìn)行計(jì)算，AW3工況下車(chē)體中部邊梁下翼緣的垂向位移為7.28mm。

4.4 車(chē)體疲勞

根據(jù)美國(guó)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(duì)中間車(chē)車(chē)體焊縫進(jìn)行了應(yīng)力集中分析疲勞壽命預(yù)測(cè)，均滿足車(chē)體疲勞壽命的設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

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

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