城市轨道交通车辆轻量化设计研究

上海轨道交通设备发展有限公司 上海 200245

1 城市轨道交通车辆轻量化概述

1.1 城市轨道交通能耗

城市轨道交通是一种安全、舒适、节能、环保的绿色交通,已成为各大城市公共交通的重要组成部分。随着城市轨道交通建设规模的扩大、运营网络的增多,能耗大幅增加。据统计,牵引能耗占总能耗的30%,而车辆质量减轻10%,牵引能耗可以减少6%[1-2]。

1.2 城市轨道交通车辆轻量化意义

城市轨道交通车辆轻量化不但可以提速降噪,减少能源消耗和碳排放[3],而且可以减少轮轨磨耗,降低轨道线路维护费用,从而带来巨大的社会和经济效益。

1.3 城市轨道交通车辆轻量化技术路线

城市轨道交通车辆轻量化遵循自顶向下的原则,主要技术路线如图1所示。

图1 城市轨道交通车辆轻量化技术路线

1.4 城市轨道交通车辆轻量化关键技术

城市轨道交通车辆轻量化关键技术主要包括:① 系统集成化;② 使用轻量化材料;③ 结构轻量化优化。

2 系统集成设计

2.1 制动控制模块

制动辅助控制模块和附加气室模块集成在一个制动控制模块中,减轻10.9%质量。集成后的制动控制模块如图2所示。

图2 制动控制模块

2.2 能耗记录系统

优化能耗记录系统拓扑架构,将每列四个能耗主机减少为两个,质量可减轻50%。优化后的能耗记录系统拓扑架构如图3所示。图3中,XUD为受电弓电压传感器,EGM为能耗记录仪,TCMS为列车网络控制系统,XI1D为受电弓输入电流传感器,XI2D为制动电流传感器,XI3D为辅助电流传感器,MVB为多功能车辆总线。

3 轻量化材料

在设计之初,为城市轨道交通车辆各系统主要零部件选择材料时,应在保证功能和性能的前提下,采用轻型材料,以实现轻量化设计。

图3 能耗记录系统拓扑架构

3.1 碳纤维复合材料

3.1.1 减重效果

碳纤维密度不足钢的1/4,碳纤维树脂复合材料抗拉强度是钢的3～5倍,比强度是钢的15～20倍,具有耐候性强、消声效果好、防火性能优异、缺口敏感度低、可设计性好等诸多优势,适合用作城市轨道交通车辆的轻量化环保材料。

近年来,随着材料成本的降低、制造工艺的进步、结构设计的发展,碳纤维树脂复合材料的应用越来越广泛,正逐步从车辆内装设备、裙板、头罩等装饰件向车体、转向架等大型承载结构发展[4]。法国TGV列车车体采用碳纤维和玻璃纤维混合织物复合材料,质量较铝合金车体减轻25%。日本E4列车司机室采用碳纤维复合材料,质量减轻30%,同时降低了噪声,减小了振动[5]。

3.1.2 减少零部件数量

由碳纤维复合材料制作零部件,材料的机械性能和制造工艺是可设计的,零部件的开发过程既是材料的开发过程,也是工艺的开发过程。采用结构拓扑优化方法,优化结构布局和连接节点,可设计出质量轻、性能优、零部件少的产品[6]。

采用碳纤维制作客室座椅面板和加强筋,厚度可减小至3 mm,相对铝型材框架加强玻璃钢座椅,整体质量可减轻50%,如图4所示。

图4 碳纤维客室座椅

3.2 聚碳酸酯材料

聚碳酸酯由有机大分子链组成,常作为玻璃替代材料使用,优点如下[7]:

(1) 质量轻,密度仅为玻璃的1/2;

(2) 韧性好,强度大,不会自爆,安全性更高;

(3) 抗划伤,经硬化涂敷处理的聚碳酸酯材料,其抗划伤性能接近玻璃。

采用聚碳酸酯材料制作挡风屏、装饰板、灯罩、灯壳等零部件,在轻量化方面有较大优势。

3.3 铝箔复合板

城市轨道交通车辆空调送风道主要有两种设计,一种是铝板加保温隔热材料,另一种是铝箔复合板。铝箔复合板风道外层为压花铝箔,中间为高分子发泡保温层,内层为光面铝箔。铝箔复合板与传统铝板保温材料风道性能对比见表1。

由表1可知,选用铝箔复合板风道不但可以通过优良的保温性能减少空调能耗,而且可以减轻质量。经核算,铝箔复合板风道比铝板保温材料风道质量减轻30%。

表1 铝箔复合板风道与铝板保温材料风道性能对比

3.4 铝合金材料

铝的密度仅为钢的1/3,添加镁和硅等成分的铝合金硬度和强度提高,是一种既轻又硬的金属。

3.4.1 扶手

客室扶手是乘客在车内的主要抓扶设备。用铝合金扶手替换不锈钢扶手,质量可以减轻30%左右。铝合金扶手表面采用耐磨金属漆和清漆,有金属质感,美观高档,如图5所示。

图5 铝合金扶手

3.4.2 空调机组壳体

目前,城市轨道交通车辆空调机组多为不锈钢壳体,质量约占整个机组总质量的40%。空调机组壳体采用铝合金材料,空调机组质量可减轻15%,效果显著,如图6所示。

图6 铝合金空调机组壳体

对壳体进行有限元仿真计算,如图7所示,确认在保证强度、刚度和振动模态等性能的基础上,结构得到进一步优化。

图7 空调机组壳体应力云图

3.4.3 贯通道踏板

国内城市轨道交通车辆的贯通道踏板多采用不锈钢花纹板。采用铝合金花纹板替代不锈钢花纹板,每套贯通道质量可减轻6%,如图8所示。

图8 铝合金贯通道踏板

3.4.4 车下分线箱

车下分线箱材质由钢板改为铝板。为保证强度,连接器安装面采用4 mm厚铝板,其余箱体蒙皮采用3 mm厚铝板,箱体质量可减轻40%,如图9所示。

图9 铝合金车下分线箱

4 结构轻量化

4.1 车体结构优化

车体是城市轨道交通车辆的主要承载结构,质量占整个车辆的15%～20%。采用先进的计算机仿真技术,对车体结构和型材厚度进行多次反复迭代优化,在满足整车刚度、强度、模态性能等边界条件的前提下,进行轻量化设计[8]。车体结构的有限元仿真应力云图如图10所示。

图10 车体结构应力云图

随着型材厂家技术装备水平的提高,大断面铝型材的开发成为可能。采用大断面铝型材,铝地板由六块型材拼焊改为五块型材拼焊[9],减轻了焊接工作量,减小了焊接变形和型材拼接口结构,提高了轻量化水平,如图11所示。

图11 大断面铝型材拼焊

此外,铣削加工去除不必要的滑槽,并在强度裕量大的部件上开减重孔,也是行之有效的轻量化措施。这些减重孔可用作过线孔、过管孔或工艺孔,实现科学利用,如图12所示。

车体结构优化后,中间车车体质量比优化前至少减轻5%,轻量化效果明显。

4.2 内装设备优化

内装设备质量占整车质量的11%～13%,零部件众多,有很大的轻量化空间。

图12 减重孔的应用

4.2.1 客室座椅

客室座椅若考虑成本,可采用轻量化玻璃钢座椅,强度和刚度主要由框架保证。面板厚度适当减薄,由5 mm厚度减小至4 mm,轻量化后座椅质量减轻12%,如图13所示。

图13 轻量化玻璃钢客室座椅

4.2.2 车顶吊座

全宽型内顶模块通过吊座固定在车顶滑槽上,窗区扶手上部固定在车顶吊座下方,以提高扶手的安装强度。此位置吊座承载较大,而其它车顶吊座相对而言承载小得多。为此,运用有限元仿真对固定扶手的车顶吊座断面进行优化,减小低应力区的型材壁厚,设计减重孔,单个吊座质量减轻30%。扶手车顶吊座的有限元仿真应力云图如14所示。

图14 扶手车顶吊座应力云图

为提高材料利用率,实现等强度设计,使各车顶吊座应力水平接近,对非固定扶手的车顶吊座减小宽度尺寸,可使质量减轻50%。

4.2.3 内装零部件

对强度裕量大的内装零部件进行轻量化设计的另一个行之有效的方法是设减重孔。开有减重孔后的内装侧墙,质量可减轻7.7%,如图15所示。

图15 内装侧墙减重孔

4.3 新型车钩缓冲器

车钩缓冲器原设计是气液缓冲器与钩身外壳独立,如图16所示。摩擦簧在缓冲器外部,结构尺寸大,钩身质量重。

图16 原车钩缓冲器结构

为减轻车钩质量,提高吸能效果,研发了新型压拉气液车钩缓冲器。新型车钩缓冲器中,钩身壳体和阀体形成储油腔,回程时吸收能量,摩擦簧缩短,结构尺寸减小。新型车钩缓冲器质量减轻19%,如图17所示。

图17 新型车钩缓冲器器结构

4.4 紧急疏散门优化

针对紧急疏散门,采用有限元仿真进行结构优化,质量可减轻15%。紧急疏散门具体优化如下:门框及门页框架铝型材由5 mm厚改为3 mm厚,过渡踏板及行走面板由4 mm厚铝板改为3 mm厚铝板,门页由原结构3 mm厚玻璃钢、5 mm厚泡沫板、2 mm厚玻璃钢改为2 mm厚玻璃钢、5 mm厚泡沫板、2 mm厚玻璃钢。

5 结束语

近年来,随着新材料、新工艺、新技术的不断涌现,城市轨道交通车辆轻量化技术也在发展。由于我国城市轨道交通车辆轻量化技术发展较晚,与航空航天业、汽车制造业等相比存在巨大差距,因此在当今大变革、大创造的时代,应积极推动产业间技术的交流、借鉴和融合,集中精力、物力和财力,不断推进城市轨道交通车辆轻量化技术取得更快、更好的发展[10]。