动车组轻量化铝合金车体结构研究

杨惠民,邢海英（长春轨道客车股份有限公司技术中心,长春130062）

动车组轻量化铝合金车体结构研究

杨惠民,邢海英
（长春轨道客车股份有限公司技术中心,长春130062）

摘要：本文结合长客股份自主研发的CRH3A型城际动车组,针对城际动车组大载客量的城际运用特点,从车体材料、车体结构、车体强度、车体模态、车体刚度、车体疲劳等几方面入手对轻量化车体结构进行分析，对车体轻量化设计具有借鉴意义。

关键词：城际动车组；轻量化车体；结构研究

0　引言

我国高速铁路的具有高寒、风沙、高温、高湿等多样化的特点[1]。为了适应不同区域、不同路网和不同旅客群对高速动车组的技术、服役性能和运营模式提出差别巨大的要求，需要不同的个性化、系列化高速动车组技术与之适应，轻量化铝合金车体技术是其中一项关键技术。

1　轻量化车体结构研究的必要性

1.1 动车组轻量化技术

高速动车组作为高速铁路系统的重大移动装备，其整体轻量化与整车性能的提升一直都是国内外高速铁路技术领域不断深入研究、探索和解决的重大课题[2]。由于高速列车涉及系统集成、铝合金车体、转向架、制动系统及内装结构等关键技术及重要配套技术，其中每一项技术及其对应的车辆系统的轻量化和性能提升，都对高速列车的整体轻量化与整车性能的提升产生重大的影响。轻量化技术无不与结构优化、材料创新和先进制造技术息息相关，突破和掌握高速列车关键技术系统的结构优化、性能提升、材料创新和先进制造技术，是突破和牢牢掌握高速动车组关键技术及重要配套技术的重要保证[3]。

1.2 车体轻量化优势

实现车体轻量化可以降低原材料消耗，降低车辆的制造成本；节省牵引动能，降低列车的运行费用；减少车辆对线路的冲击及减轻线路维护工作量；提高车辆的启动加速度及制动减速度，提高列车的运行速度及曲线通过速度。城际动车组除了要求定员载客量外，还要求大站立区载客量，而车辆轴重却要求低于干线动车组。所以，车体结构不但要具备干线动车组的强度、刚度，而且要求实现比干线动车组更大程度的轻量化。

2　动车组轻量化车体结构

动车组为了适应大载客量、空重车变化大的需求，尽量降低铝合金车体的自重，从而提高整车的载客量；动车组主要从铝合金车体材料、铝型材断面、车体结构等几方面入手考虑车体的轻量化技术。

2.1车体材料

目前，适合于铁路车辆用的铝合金主要有Al-Mg-Si(6000系列，如6005，6005A，6082等)及Al-Zn-Mg(7000系列)两大系列。日本铝合金车体结构材料使用最多的是7N0l（7005)合金。作为中等强度结构材料，它具有良好的挤压性能和焊接性能。7N0l型材用于端面梁、底座、槛、偶面构件骨架、车体枕粱、车端墙等。近几年日本开发了挤压性能、焊接性能和耐腐蚀性能更好的6N0l合金(即6005合金的日产化)生产的多孔复杂壁空心型材，广泛代替7N0l、7003型材作车体地、侧板和顶板结构。西欧铝合金车体大量采用Al-Mg-Si6005A挤压型材，其主要原因是6005A的挤压性能更好，生产来的复杂型材使车辆结构更合理，使用性能更优。其他牌号如606l、6063、6082、6085挤型材也被采用。结合国外车体材料的发展趋势，以及我国CRH系列动车组车体材料的不同特点，CRH3A型城际动车组车体结构材料按DIN 5513标准选择，型材铝合金牌号为6005A-T6、6082-T6铝镁合金，板材为5083-H111、5754-H22和板型材6082-T6，上述材料在保证材料焊接性能和腐蚀性能基础上，由于具有较好的挤压性能，可以适当减薄型材的厚度，降低车体的重量。

2.2 车体型材

铝合金车体断面结构对车体轻量化起到至关重要的作用，轻量化车体断面要求其在满足满足功能要求及旅客舒适度的前提下尽量小巧。CRH3型动车组车体断面具有良好的气动外形，车内空间较宽敞，旅客舒适度较好，但断面型材设计过于笨重；CRH5型动车组车体断面侧墙收角较大，车内空间需要改进，但断面型材设计轻巧，内外蒙皮、内筋厚度较CRH3型动车组小，内筋分布较CRH3型动车组稀疏，对减重贡献很大。

2.3 车体结构

车体结构形式包括普通中间车、带受电弓的中间车和带司机室的头车三种，中间车为基础车型，其基本结构由底架、侧墙、车顶、外端墙几大部件组成；头车由中间车演变而来，结构上仅以空气动力学端部结构取代了中间车的前端外端墙。

车体主断面型材间的连接形式同CRH380BL型车，用插接或搭接形式。如侧墙和底架、侧墙和车顶的连接如图1和图2所示。

地板和边梁采用插接形式，地板由6块型材拼焊而成，头车底架一位端部采用CRH5型车成熟结构，满足玻璃钢车头外壳的安装。

3　试验验证

通过车体材料的选择、型材断面优化、车体结构改进，达到了车体轻量化的目的，为确保车体静强度、车体刚度、车体模态和车体疲劳均满足相关标准的要求，随后又开展了试验验证工作；试验在静强度试验台上进行，试验设备和仪器包括：静强度试验台、静态数据采集装置、称重传感器、力传感器、应变式位移传感器、应变片和应变花。

4　试验结果

通过车体静强度试验，结果表明有限元分析的数据接近静强度实测所得的数据，证明了优化方案的可行性。

5　结束语

动车组车体轻量化和大载客量设计，与CRH系列动车组车体平均自重相比，降低重量约8%左右，车体性能指标均满足相关标准的要求。不同运用需求的动车组将对车体结构提出不同的要求，可根据需求特征和实际情况对车体结构进行合理调整。但是，恰当地将材料和结构合理匹配，在简化结构的前提下最有效地分散应力并实现轻量化是城际动车组车体结构设计坚持的原则。

参考文献：

[1]张卫华.高速列车顶层设计指标研究[J].成都：铁道学报，2012(09).

[2]权高峰，李瑞淳，张英波.轨道列车车体新材料轻量化应用效益研究[OL].中国科技论文在线，2012(01).

[3]铁路技术管理规程[M].中国铁道出版社，2010(10).