轨道交通车辆车体结构轻量化设计分析

厉濠阳

摘 要：通过将轨道交通车辆车体结构轻量化设计作为主要研究内容，在参考相关研究资料对轻量化设计基本内涵予以阐明的基础上，结合具体轨道交通车辆，围绕车辆当前车体结构，分别从车体结构与型材断面的优化设计、运用新技术等方面出发，尝试对如何有效进行轨道交通车辆车体结构轻量化设计提出几点策略以供参考。

关键词：轨道交通车辆;车体结构;轻量化设计

1 引言

轨道交通车辆车体结构轻量化设计，可以有效减轻整个车体质量，同时保障车体具有较高的刚度，对提高轨道交通车辆的整体性能，延长其使用寿命均具有十分重要的帮助作用。因此本文通过重点探究轨道交通车辆车体结构轻量化设计，一方面旨在帮助人们对轻量化设计形成正确认知，另一方面也能够为优化轨道交通车辆车体结构设计提供必要理论参考与实践指导。

2 轻量化设计基本内涵

在轨道交通车辆中，车体结构的轻量化设计并非单纯指的是使用各种轻量化材料，将减轻轨道交通车辆车体重量作为唯一设计目标。而是通过在确保轨道交通车辆具有良好整体性能的几乎上，通过灵活使用各种轻量化的制造技术与相关材料，对车体结构进行优化设计等，从而在有效控制轨道交通车辆车体结构设计成本的同时，将整车重量降至最低，实现全面提升轨道交通车辆安全性与功能性的目标[1]。由此可见，对轨道交通车辆车体结构进行轻量化设计，无论是对于优化轨道交通车辆车体结构设计本身，还是提高车辆的安全性能与使用性能，促进轨道交通车辆的可持续发展均具有积极意义。

3 轨道交通车辆车体概况

为有效说明轨道交通车辆车体结构轻量化设计，本文选择以本市正在运行使用的轨道交通车辆为例。该车辆车体车体采用铝合金全焊接结构，其在承载方式上不仅使用了框架型骨架，同时还采用了蒙皮。其中骨架负责承担车体纵向与垂向上的载荷，而车顶版和底架地板与侧墙板等共同组合而成的蒙皮结构，则主要负责承担车体剪切力，并完成乘客载荷的有效传递。该城市轨道交通车辆的车体断面呈“V”型，分别为长度为19600mm与19000mm的拖车与动车，其中前者带有司机室而后者则带有动力装置。在该车辆车体结构中，底架门槛位置处的宽度值最大，其宽度可以达到2800mm。为了能够实现车体所部位结构设计最优化，并充分利用各项现有材料，需要对该轨道交通车辆车体结构进行轻量化设计。

4 轨道交通车辆车体结构轻量化设计策略

4.1 优化车体结构设计

4.1.1 车顶板轻量化设计

考虑到原本作为车辆顶盖结构的车顶板，属于典型的单层开口型材结构，缺乏较高的刚度，在长期使用过程中极易出现形变等问题。同时下沉式空调安装平台的设计，使得车体在安装空调时必须专门设置相应的支撑梁，导致车体结构复杂程度大大增加，并且直接加重了车体结构重量。因此本文在对该轨道交通车辆车体结构进行轻量化设计中，將原本的车顶板结构设计成双层中空型材结构，在取消车顶弯梁设计的同时，改用平顶式空调安装平台，从而有效省略安装空调支撑梁[2]。在令空调与受电弓共用同一个安装平台下，将原本用于连接两个平台的结构设计取消，进而可以在保障力流简洁性的基础上，达到减轻顶盖重量的目的。

4.1.2 侧墙的轻量化设计

原轨道交通车辆车体结构中使用的门立柱厚度为85mm，在轻量化设计理念的指导下，本文在对该车辆车体结构进行优化设计中，改用厚度只有70mm的门立柱，由此达到减小连接门立柱的顶盖边梁型材厚度的效果。针对以往轨道交通车辆的门立柱连接位置处，设计使用顶盖边梁L型筋板，而在一定程度上增加车辆整体质量的情况，本文选择设计使用台阶状门立柱，在将其与顶盖进行搭接设计的同时，直接使用其型材筋板加工出门角。在保障门角强度与规定要求相符下，可以有效减轻每节车的质量。

4.1.3 底架的轻量化设计

由于该轨道交通车辆采用前置式安装的车辆车钩，虽然可以避免增加使用车钩安装板，达到减轻车辆质量的效果，但由于前置式车钩安装孔距较小，使得公司现有转向架安装位置无法实现同步移动，故而只能在由牵引梁型腔、盖板、立板共同组成的封闭结构外设置车钩安装孔，因此大大影响了车体原本的强度性能。针对这一情况，本文在轨道交通车辆车体结构的轻量化设计中，通过结合车体结构对车钩安装梁型材进行相应优化，从而将车钩处于工作状态下带给牵引梁的弯矩能够降至最小。对齐牵引导梁和牵引梁，并适当加工处理位于转向架安装孔周围的牵引梁外侧立板，以此有效扩大安装空间。在适当延伸牵引导梁并使其和底架端梁进行相互连接后，使之可以对其端墙立柱，以进一步提高传力路线的简洁性。

4.2 科学设计型材断面

该轨道交通车辆当中底架底板具有较大强度裕量，通过使用底架边梁悬挂式的车下设备，可取消原本负责重型设备安装的C型槽，所设置的C型槽只负责用于两排布线。但各C型槽均位于两个筋板节点位置处，这也使得在C型槽减少的情况下，均匀布置底架地板型材筋板，有助于减少筋板密度，使得底架地板强度冗余能够降至最低，最终达到减轻车体结构质量的效果。值得注意的是，在优化调整车体结构的过程中，同样需要进行顶盖边梁与长梁等其他相关部件型材的轻量化设计，在尽可能减小筋板厚度与密度下，实现车体有效减重。

4.3 改进相关工艺技术

本文在进行轨道交通车辆车体结构轻量化设计中，通过参考其他相关研究资料，发现搅拌摩擦焊焊缝无需填料，并且相比于普通弧焊缝，搅拌摩擦焊焊缝强度更高。为此，本文认为可以通过运用这一焊接技术以达到车辆侧墙减重的效果。具体来说，在该轨道交通车辆的车体结构轻量化设计过程中，对于所有侧墙板组焊统一选择使用搅拌摩擦焊技术，使得原本2.5mm厚的侧墙板型材内部筋板能够减小为2mm，由此达到车辆减重的目的。

4.4 优化车体结构细节

4.4.1 优化底架边梁

为更好地达到轨道交通车辆车体结构轻量化设计目标，同时有效增强车辆安全性能与使用性能，尽可能延长其使用寿命。本文在设计过程中，发现通过减小门立柱厚度，会在一定程度上导致厚度减小的门立柱内表面无法和底架边梁内侧的筋板保持对齐，因此有必要另将一筋板增设于底架边梁腔内侧，通过设计使用呈“人”字型的加强结构，为车体结构上方门立柱提供有效支撑。在筋板节点位置处设置焊缝后，在保障有充足空间可以有效安装转向架抗侧滚扭杆装置的前提下，向车体中心方向平移底架边缘内侧的直筋板，平移距离为10mm，以此有效增大型材内部各封闭腔面积，确保能够树立挤压生产型材。

4.4.2 优化连接结构

此外，朱鹏飞（2013）在探究地铁车辆轻量化设计中，指出司机室门上横梁连接门立柱的位置处，比较容易出现应力集中的情况[3]。一般情况下可以采用适当减小司机室门上横梁倾斜坡度的方式解决这一问题，但在结合该轨道交通车辆车体结构的基础上，本文通过参考其相关研究，提出可以在顶盖边梁和门立柱的端头位置处，各加工出相应的缺口，同时设置连接厚板，将一道a3角焊缝增设于顶盖边梁内侧台阶与连接厚板位置处。用以有效增强司机室上门角局部强度，从而避免这一连接结构因出现应力过度集中的情况而导致变形等问题。

5 结语

总而言之，在对轨道交通车辆车体结构进行轻量化设计时，设计人员需要充分结合车体实际结构特点，并严格参照相关设计规程要求，在合理优化车体结构设计的基础上，及时对型材断面以及底架边梁等车体结构细部进行相应优化。通过灵活运用各种轻量化材料及轻量化制造技术，以此有效达到车辆减重、提升轨道交通车辆整体使用性能的根本目的。

参考文献：

[1]张九高.轨道车辆车体结构用材现状及发展[J].哈尔滨铁道科技，2016（02）：4-5+19.

[2]苏柯，刘厚林，刘永强，周利，张长庚.长沙市轨道交通1号线车辆车体结构轻量化设计[J].电力机车与城轨车辆，2015，38（02）：29-32+64.

[3]朱鹏飞.北京地铁车辆轻量化设计研究[D].北京建筑大学，2013.