新型磁浮车铝合金车体型材设计与分析

王国静 刘宇 崔凯

（中车唐山机车车辆有限公司产品研发中心，河北唐山 063035）

新型磁浮车铝合金车体型材设计与分析

王国静 刘宇 崔凯

（中车唐山机车车辆有限公司产品研发中心，河北唐山 063035）

车体的设计是轨道交通车辆最重要的一部位，而车体型材设计体现了车体的基本安全性能。本文介绍了磁浮车车体铝型材设计的几种因素：型腔的设计，立筋的设计，圆角的设计，插口和焊接接头的设计，承载C型槽的设计以及铝型材材料的选取等，对磁浮车车体铝型材的设计具有一定的指导意义。

磁浮车体 铝合金型材 轻量化 材料

磁浮车辆是近年来快速兴起的新的轨道交通车辆。它是一种依靠磁力悬浮在空中运行的列车，具有乘坐舒适、运行安全、选线灵活、节地环保、噪声低振动小、维护简单等显著优势。这种新型绿色交通磁浮车辆不仅要安全可靠更要轻量化，因此对车体选材及车体设计提出了较高的要求。本文主要对磁浮车辆车体选材及车体型材设计方法进行了研究，为今后的磁浮车辆车体的设计工作起到一定的指导作用。

1 磁浮车体选材及车体设计流程

根据某磁浮项目车辆安全可靠性要求以及轻量化理念，结合铝合金自身的优越性，此磁浮车车体选取铝合金材料。根据总体技术规范要求以及轻量化理念和工艺性［1］，车体型材主要选用薄壁大断面矩形铝型材。详见图1车体选材及设计流程图。经静强度校核，底架地板型材厚60mm，侧墙型材厚50mm，车顶型材厚30mm满足强度和刚度的要求，同时为降低成本，车顶平顶采取6块共3种铝型材组成。底架为7块4种型材组成［2］。

2 车体型材的设计

2.1 型腔类型的设计

磁浮车车体铝型材实现了安全性、可靠性和轻量化的设计理念。车体铝型材型腔主要使用矩形型腔。经静强度计算验证了矩形型腔不仅满足车体强度和刚度的要求，而且实现了车体的轻量化。磁浮车车体主要采用矩形型材，整个车体重量约3.7吨。比三角形型材为主体的同样车长的地铁大概要轻1.5吨。

2.2 型材立筋的设计

磁浮车在设计型材的立筋时，同样实现了轻量化。在不受载荷或载荷很小的部位均将型材立筋设计为2mm。而在底架边梁和车顶边梁受力较大位置将立筋设计成3mm和3.5mm。

2.3 型材圆角的设计

型材的立筋与壁板连接及立筋间的圆角设计也是非常重要的，首先要考虑避免应力集中；其次由于立筋与壁板或立筋间相交地方的应力较大，因而这一区域的材料厚度通过倒圆角的方式来增加；同时还要考虑该处是否有直接受力情况。

3 型材壁厚的设计

3.1 载荷对型材壁厚的影响

型材的壁厚设计原则取决于车体自身的强度要求，按照磁浮车总体设计要求及磁浮车轻量化要求，将侧墙、车顶以及底架的地板型材的壁厚均设计为2.3mm，通过强度计算验证，2.3mm的壁厚能够满足车体强度要求。而在底架边梁承受纵向受力及车下裙板的吊装要求位置，型材壁厚的设计要特殊考虑，不仅要实现安装的功能性和安全性同时要实现轻量化，此位置的型材壁厚设计为3mm和4mm。

3.2 吊装C槽的设计

承载C型槽，主要是满足安装座椅和吊装设备，受力较大，为此在设计承载用C槽时，将连接C槽的根部进行局部加厚，同时考虑滑块的大小，根据总体要求，除空调安装有特殊要求外，此磁浮车车体铝型材自带C槽实现通用性，采取了相同的尺寸。

3.3 挤压工艺对型材壁厚的影响

型材的壁厚除了受型材自身所受载荷的影响外，还受到挤压工艺的影响。对于复杂型材，型材壁厚要设计厚一些，便于挤压；同时型材的壁厚还需考虑截面的变化对挤压的影响［3-4］。

4 型材插口及接头的设计

4.1 型材插口的设计

磁浮车车体铝型材的插口设计对焊接和车体组装工艺很重要。型材插口的设计一方面要考虑型材的连接，另一方面还要考虑焊接的性能，常见大部件型材之间的连接采用的插口有插接和搭接两种方式。底架边梁与地板型材通常采用搭接方式，用于调整底架的宽度，搭接插口调整量比较大，插口间采用角焊缝。地板型材之间通过对接形式的插口，其调整量较少，焊接收缩量由底架边梁与地板型材的调整量去满足，同理车顶部位型材与型材之间也采用对接的插口形式。侧墙与底架以及侧墙与车顶之间采取对接的插口方式，组装方便且能够很好的满足外观要求。

4.2 型材焊接接头的设计

对于焊透的型材母材与焊接垫板融为一体，形成带有熔池的焊接接头，型材自身设计成带有焊接接头，一方面能够减少焊接量，另一方面能够减少焊接变形，因此型材自身设计成带有焊接接头后减少车间工作量的同时提高了焊缝的质量。

5 结语

本文主要叙述了磁浮车辆车体的选材及对选材后的铝车体型材在设计时要考虑的几种因素：型腔类型、立筋厚度、型材内部圆角、型材插口和焊接接头、承载C型槽以及型材材料的选取，同时铝型材的挤压工艺性以及铝型材的承载结构等在设计时也要考虑。在设计铝型材时，应根据型材的使用功能和具体的受力情况，考虑以上各种因素，只有比较全面的综合考虑各方面的因素才能设计出满足车体要求的铝型材。

［1］总体技术规范［S］.

［2］EN12663.铁道应用-轨道车身的结构要求［S］.

［3］刘静安.大型工业铝合金型材的挤压生产工艺与关键技术［J］.铝加工，2001（2）∶1-6.

［4］刘静安，张胜华.铝材在铁道车辆轻量化中的开发与应用［M］.长沙∶中国工业大学学报出版社，1995.

时速160公里新型中速磁浮试验车研制.项目编号：5212302-X243

王国静（1981—），女，满族，天津人，硕士，工程师，研究方向：车体结构设计。