悬挂式单轨车车体结构轻量化措施探讨

杜彦品,廖 平,邓 锐

(中车南京浦镇车辆有限公司,江苏 南京 210031)

0 引言

随着我国城市化进程加快,特大型城市和大中型城市相继出现交通拥堵、环境污染和资源浪费等问题。城市建设规模的急剧扩大,致使城市地面道路容量与道路需求之间的矛盾日益加剧,地面交通资源供给严重不足,地下交通发展受限。于是,人们将交通发展的目标投向空中,悬挂式单轨车因而逐渐进入人们的视野,其在某些适用条件下具有特殊的优越性[1]。

悬挂式单轨车是一种设计理念先进、技术成熟的交通工具,被誉为未来城市快速交通方式的重要代表之一。悬挂式单轨车车体轻量化是在保证车体强度及安全的前提下,尽可能降低车体的重量。通过对悬挂式单轨车车体进行轻量化设计,可以提高列车的安全性和运行平稳性,提升列车的运行速度,降低噪声和运行能耗。不仅如此,车体重量降低后,车辆行驶的阻力减小,对胶轮的磨耗也进一步减少,进而节约了运营和维护成本。很多专家和学者对车体轻量化进行了大量研究。文献[2-3]研究了悬挂式单轨车的车体强度工况及分析,车体采用铝合金车体。文献[4]研究了一种新型的铝合金牵枕缓结构,减轻了车体重量。文献[5]研究了跨坐式单轨车辆铝合金车体采用结构尺寸优化方法优化构件的板厚,以达到减重的目标。文献[6-8]研究了铝合金车体的轻量化方案,采用基于灵敏度的数值分析方法,优化型材板厚。文献[9]研究了铝合金车体型材轻量化的设计方法,因受均布载荷的铝型材两侧固定部分筋板应力高于中间位置筋板应力,故将中间部分筋板厚度设计小一些,以减轻车体重量。文献[10-11]研究了复合材料和铝合金混合结构的动车组车体轻量化方案,司机室采用碳纤维复合材料,取得明显的减重效果。文献[12]研究了采用铝合金型材和三明治泡沫夹层板相结合的磁浮列车车体轻量化设计。

在以上研究的基础上,本文主要针对悬挂式单轨车,探讨车体轻量化的有效措施。

1 国内外悬挂车车体发展现状

1.1 国外悬挂车车体发展现状

1901年,世界第一条现代化的悬挂式单轨交通在德国西部城市乌帕塔尔建成,该悬挂单轨车车体采用钢骨架和木板结构[13]。2001年,乌帕塔尔线车体的木板换成了纤维增强塑料[14]。1984年多特蒙德大学开始建造无人驾驶高空悬挂单轨车,车体采用铝合金材料[15]。1950年,日本开始研究悬挂单轨交通,东京上野单轨40型车辆车体采用铝合金制造[16],湘南线单轨5000系车辆采用铝合金车体结构,千叶线单轨1000系车辆在湘南线基础上开展车体轻量化设计[17]。

1.2 国内悬挂车车体发展现状

2016年9月10日,我国首列悬挂式单轨列车(简称“熊猫列车”)在南京正式下线,该车体采用轻量化铝合金骨架加复合材料蒙皮结构[18],大大减轻了车体的重量。2017年,中车四方股份公司研制了可实现3～5辆灵活编组的悬挂式单轨车辆。该车车体采用轻量化铝合金骨架加外蒙皮结构。2019年,中铁科工集团联合西南交通大学设计的“新时代”号悬挂车制造完成,该车采用轻量化铝合金骨架加复合材料蒙皮结构,有效降低了车体承载结构重量。

2 车体结构材料的演变与发展

悬挂式单轨车车体结构采用骨架加蒙皮的方案从1901年一直沿用至今。随着科学技术的发展,车体材料也由最开始的钢骨架加木板蒙皮结构发展到轻量化铝合金加复合材料蒙皮结构。悬挂式单轨车车体材料的发展过程如图1所示。

图1 悬挂式单轨车车体材料的演变过程

3 悬挂式单轨车体

悬挂式单轨车的车体结构主要由车顶、底架、侧墙、端墙和司机室骨架5个部分组成,如图2所示。

图2 悬挂式单轨车车体结构

传统跨坐式单轨车的转向架、大部分电气设备以及乘客均由底架承载,所以底架是车体结构的主要承载结构部件,其车顶、侧墙为非主要承载结构部件。而悬挂式单轨车的轨道梁位于车体上方,所以转向架和大部分电气设备由车顶承载,乘客和车内设备由底架承载,车顶和底架通过侧墙连接,其主要承载结构部件转变为车顶、底架和侧墙。每一部件的重量减少对整车轻量化都具有重要意义。

4 悬挂式单轨车车体轻量化措施

本节从悬挂式单轨车的车顶、侧墙、底架和端墙4个部件进行轻量化分析。

4.1 车顶结构轻量化

悬挂式单轨车的车顶主要由车顶边梁、牵枕缓结构、顶盖以及车顶设备安装座组成。

4.1.1车顶边梁轻量化

车顶边梁是牵枕缓结构、顶盖以及车顶其他部件的安装基础,也是连接侧墙的关键部位。目前悬挂式单轨车的车顶边梁大部分呈“ㄏ”型,具体如图3所示。

图3 车顶边梁截面

车顶边梁从断面看主要分为上、下2个部分,上半部分主要作为牵枕缓结构和顶盖的安装基础,下半部分主要用于与侧墙立柱的连接,上半部分的C型槽主要用于车顶设备和车门的安装。车顶边梁质量占整个车顶总质量的35%～45%左右,所以车顶边梁的型材厚度和内部筋板布置对车顶轻量化具有重大意义。

目前对型材筋板厚度的参数优化技术已经很成熟,在车体设计完成后可采用OPTISTRUCT对车顶边梁的型材厚度进行优化设计,在满足各种工况的要求下尽可能减少型材厚度;但是对于车顶边梁这种复杂结构的内部筋板布置的设计方法和拓扑优化技术还不太成熟,主要依靠经验进行设计。合理的筋板布置方式是减少型材厚度的重要前提条件,在对车顶边梁内部筋板布置进行设计时主要注意以下两点:

(1)筋板与型材外轮廓相交处的设计:筋板与型材外轮廓的相交型式主要有以下3种,具体如图4所示。

图4 型材外轮廓与筋板相交型式

型式1是两条筋板中线与外轮廓内壁相交;型式2是两条筋板中线与外轮廓中线相交;型式3是两条筋板中线与外轮廓外壁相交。3种型式都能很好地传递力流,其中型式2的力流传递效果最好,但是考虑到筋板与筋板之间、筋板与外轮廓之间的圆角大小,采用型式3的筋板布置有利于轻量化。

(2)筋板的设计要兼顾C型槽的位置:边梁内部筋板尽量与C型槽根部相接,如图5所示,这样可以增加C型槽强度,更好地传力。

图5 C型槽筋板连接

4.1.2牵枕缓轻量化

枕梁是连接车体与转向架并传递垂向、纵向和横向载荷的关键部件,其质量占整个牵枕缓结构质量的50%以上,故枕梁的轻量化对于降低质量尤为重要,本节重点阐述枕梁的轻量化方案。

枕梁的尺寸和结构形式主要由转向架决定,目前悬挂车的转向架主要有德国的H-Bahn转向架和日本的SAFEGE转向架两大类[19],如图6和图7所示。

图6 德国H-Bahn转向架

图7 日本SAFEGE转向架

德国H-Bahn转向架的空气弹簧位于悬吊梁上,由于空气弹簧体积的限制,悬吊梁纵向跨度较大,导致枕梁在纵向的长度较长,大幅度增加枕梁重量;若转向架采用体积较小的空气弹簧,可以减少枕梁内的筋板数量,从而减少枕梁的重量。

而日本SAFEGE转向架的空气弹簧位于轨道梁内,悬吊梁的体积相对较小,可以减少枕梁在纵向上的长度,大幅降低枕梁重量。

4.1.3顶盖轻量化

顶盖结构设计主要考虑密封性、自承载结构的强度和刚度以及与车顶边梁、枕梁的连接形式[20]。目前悬挂式单轨车的顶盖主要有铝合金挤压型材顶盖、复合材料顶盖以及板梁结构顶盖3种型式。

铝合金挤压型材顶盖由通长的中空铝合金挤压型材插接拼焊而成,如图8所示。顶盖与车顶边梁、枕梁之间采用搭接形式焊接在一起,在安装时有充裕的调整余量,有良好的工艺性和密封性。

图8 挤压型材顶盖

复合材料顶盖主要由轻质高强度泡沫芯材和上、下面板复合而成,如图9所示。相较于铝合金挤压型材,复合材料顶盖能减重15%～20%左右。复合材料顶盖通过胶黏和铆接与车顶边梁和枕梁连接在一起。

板梁结构顶盖采用复合材料盖板,通过胶接黏在车顶边梁、枕梁和横梁上,如图10所示,能够大幅减少顶盖重量。

图10 板梁结构车顶盖

不同型式的顶盖各有优劣,但从轻量化角度来看,板梁结构顶盖重量最轻,复合材料顶盖次之,铝合金挤压型材顶盖最重。

4.2 侧墙结构轻量化

悬挂式单轨车的侧墙主要由立柱和横梁组成。立柱承受来自底架的全部垂向载荷并保证在各种工况下车体变形满足设计要求。横梁主要是用于座椅、车窗以及车内电气设备柜体的安装。立柱的截面尺寸主要由车体的强度和刚度决定,在满足设计要求时尽量减少型材的厚度。另外还可以通过减少零件的数量对侧墙结构进行轻量化设计。

如图11所示,某悬挂车的中部侧墙由3根立柱、4根座椅安装横梁和4根车窗横梁组成。横梁数量过多导致侧墙结构复杂且重量较重,通过以下方式可以减少侧墙横梁数量:

图11 侧墙结构图

(1)采用带脚撑的座椅可以将座椅安装横梁减少至1根。

(2)采用大视野车窗可以使车窗下横梁与座椅安装横梁合二为一,窗上横梁与车顶边梁合二为一。

4.3 底架结构轻量化

底架结构主要由侧梁、地板和横梁组成。侧梁和横梁的轻量化方法参考车顶边梁,本节主要考虑地板轻量化设计。

目前悬挂式单轨车的地板大多数都是采用铝合金挤压型材,少数采用框架结构。

铝合金挤压型材的筋板布置方式主要有三角形、梯形、矩形3种,从截面横向变形和整体变形来看,三角形筋板布置方式的变形最小,矩形筋板布置方式的变形最大。因此在对地板进行设计时,采用大角度的梯形筋板布置方式,既可以保证结构稳定,又可以通过减少筋板数目减轻地板的重量,如图12所示。

图12 地板型材截面

由于铝合金挤压型材的工艺限制,整车地板一般由多块型材拼焊而成。中间型材的筋板承受载荷较两侧靠近边梁型材的筋板要小很多,因此在设计地板时,将两侧型材受力较大的筋板设计得厚一些,而中间型材的筋板则可以尽量薄一点,以达到轻量化的目的。

框架结构底架,通过设置多根横梁和纵梁形成地板骨架,在地板骨架上面安装复合材料地板或玻璃。采用框架结构底架相较于挤压型材底架减重幅度不大,若在横梁和纵梁上面安装玻璃,则重量会超过挤压型材结构。但框架结构底架横梁与侧墙立柱以及车顶横梁形成圆环结构,使车体具有更好的强度和刚度。

4.4 端墙结构轻量化

端墙除了需要满足车体承载要求的同时,还要保证贯通道的安装[21],使乘客能在车厢内自由通行。沿车体的纵向方向,端墙不是主要的承载部件,所以挤压型材一般采用矩形筋板的截面设计,另外在有安装接口的位置,局部面板进行加厚,如图13所示,可以满足车体承载要求和贯通道安装,同时减轻端墙的重量。

图13 端墙截面

5 结论

悬挂式单轨列车作为一种高效、快速、环保、舒适的交通工具,对城市发展具有重要的意义。其轻量化的车体结构,对节能减排、减振降噪具有积极的影响。

1)采用空气弹簧位于轨道梁内的转向架设计思路,能大幅减少枕梁重量。

2)采用复合材料顶盖和板梁结构顶盖均可以有效减少车顶重量。

3)采用带脚撑的座椅和增加车窗高度尺寸能够减少侧墙横梁数量,降低侧墙重量。

4)地板型材采用大角度梯形筋板布置,能够降低地板重量。

5)端墙型材采用矩形筋板分布,面板局部加厚的方式,可以在满足车体承载和贯通道安装要求的同时,减轻端墙重量。

6)随着车体轻量化的不断深入,采用传统金属材料的车体减重空间越来越小,需要寻求新型轻质材料,才能更大程度地降低车体重量。碳纤维复合材料是未来轨道交通车辆最具应用前景的新材料;因其具有密度低、比强度和比模量高、耐疲劳和耐腐蚀等多种优势,在轨道交通车辆上的用量逐渐增加;随着其技术的发展及成本的不断降低,日后会成为车体新型材料的首选。采用碳纤维复合材料车体,可大幅度降低车体重量。