新型輕量化行李架研究

牟少弟　李智國　李樂營

[摘 要] 隨著列車提速，列車輕量化一直是對設(shè)計人員提出的更高的要求，列車減重對提高車輛運行速度和節(jié)能降耗起著關(guān)鍵的作用。文章以動車組行李架為例，詳細(xì)闡述輕量化行李架研究過程。從對比典型材料性能開始，輔助必要的仿真計算，歷經(jīng)載荷、沖擊、振動等一系列驗證試驗，擇優(yōu)選取材料研制輕量化行李架，實現(xiàn)動車組用輕量化行李架優(yōu)化目的。

[關(guān)鍵詞] 高速動車組；輕量化行李架；結(jié)構(gòu)仿真；驗證試驗

[作者簡介] 牟少弟，南車青島四方機車車輛股份有限公司工程師，山東 青島，266111；李智國，南車青島四方機車車輛股份有限公司高級工程師，山東 青島，266111；李樂營，南車青島四方機車車輛股份有限公司工程師，山東 青島，266111

[中圖分類號] U270.38+8 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1007-7723（2012）12-0013-0004

對于高速列車來說，阻力主要來自于機械摩擦和空氣阻力，而機械摩擦阻力除了與摩擦系數(shù)有關(guān)，還和列車質(zhì)量有關(guān)。因此，減小列車質(zhì)量可以減小運行中的機械阻力，達(dá)到提高牽引加速能力和節(jié)能的目的；還可以減小運行過程中的輪軌相互作用，改善相關(guān)零部件的服役條件。正因為如此，高速列車輕量化設(shè)計已經(jīng)成為高速列車的關(guān)鍵技術(shù)之一。車內(nèi)行李架約占客車總質(zhì)量的1%，輕量化具有重要意義。本文主要針對行李架的輕量化進(jìn)行研究，主要通過新材料的應(yīng)用，在保證其性能的前提下，在高速列車內(nèi)飾產(chǎn)品輕量化方面進(jìn)行應(yīng)用性深入研究。

一、研究目標(biāo)

現(xiàn)有動車組的行李架均為框架加隔板結(jié)構(gòu)，行李架作為內(nèi)裝產(chǎn)品中的重要組成部分，在保證其性能的前提條件下，通過改變隔板材質(zhì)來實現(xiàn)輕量化，對整車減重具有十分重要的意義。本文主要對現(xiàn)有動車組用行李架進(jìn)行輕量化優(yōu)化開發(fā)，主要目的有：通過引進(jìn)新材料：超薄玻璃和PC板，在保證產(chǎn)品使用性能的前提下，實現(xiàn)行李架設(shè)計輕量化，單位面密度降低3kg以上。

二、方法及流程

輕量化行李架研究主要從材料入手，首先確定對比方案，進(jìn)行重量對比，然后通過仿真計算、地面試驗等手段，確保行李架在實現(xiàn)輕量化的同時，保證其功能、性能滿足設(shè)計要求，保證高速列車安全可靠運營。

行李架設(shè)計要求主要包括：行李物品擱放功能、行李架強度性能、行李架表面耐磨性能及行李架材料防火性能等。由于本文輕量化行李架研究主要從材料入手，行李架功能、性能分析及驗證主要從行李架強度、行李架表面耐磨性能及行李架防火性能方面進(jìn)行重點分析。主要流程如下：

（1）確定行李架輕量化設(shè)計對比方案；

（2）材料耐磨及防火性能分析及驗證；

（3）通過仿真分析篩選，并通過靜載及隨機振動、沖擊、極限承載等試驗驗證行李架設(shè)計方案。

三、輕量化行李架研究過程

（一）行李架輕量化設(shè)計方案

行李架重量主要包括承載機構(gòu)及隔板結(jié)構(gòu)，本文主要對行李架隔板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，對行李架進(jìn)行輕量化設(shè)計，主要體現(xiàn)在對玻璃隔板結(jié)構(gòu)和材料的優(yōu)化。

現(xiàn)有動車組行李架隔板是夾膠玻璃，共有兩種，弧形夾膠玻璃：4mm玻璃+1.52膠膜+4mm玻璃；平板夾膠玻璃：4mm玻璃+0.76膠膜+3mm玻璃?；⌒尾Ａ欣罴苤饕钦嚸拦ばЧ厥庖螅梢栽龃髣偠?，但價格較平面玻璃貴，目前多采用平板方案。經(jīng)對比分析，初步確定三個方案：方案一：超薄玻璃，采用3mm玻璃+2mm膠膜+2mm玻璃；方案二：采用10mmPC板新材料；方案三：采用8mmPC板新材料，其重量對比見下表1：

（二）材料耐磨及防火性能

1. 材料防火性能

根據(jù)高速列車設(shè)計統(tǒng)一要求，任何材料需滿足防火要求，夾膠玻璃及PC方案均具有很好的防火性能，均滿足DIN5510相關(guān)要求，即滿足設(shè)計要求。

2. 材料耐磨性能

考慮行李架的使用方式，所選取材料需滿足表面硬度及耐磨要求，夾膠玻璃和PC板材料均滿足要求。

（三）行李架強度分析

采用仿真計算及試驗驗證方式對超薄玻璃和PC板的性能進(jìn)行驗證，主要項目包括結(jié)構(gòu)強度仿真分析、靜載試驗、隨機振動、沖擊、極限承載試驗驗證等。

為確保實驗順利進(jìn)行，下述前期試驗中均采用10mm厚PC板進(jìn)行試驗，若前期試驗未對行李架產(chǎn)生破壞，則在極限承載的破壞性試驗中采用8mm厚的PC板進(jìn)行，即可全面驗證本文中所有方案的適用情況。

1. 結(jié)構(gòu)強度仿真分析

載荷：行李架均布載荷1000N/m+850N集中力。

方案一：超薄玻璃結(jié)構(gòu)仿真計算

結(jié)構(gòu)強度仿真計算結(jié)果為：玻璃隔板為3+2+2結(jié)構(gòu)，中部形變最大為92.75mm，前型材存在部分屈服狀態(tài)。

方案二：PC隔板結(jié)構(gòu)強度仿真計算

結(jié)構(gòu)強度仿真計算結(jié)果為：PC板（10mm厚）行李架中部最大變形為25.8mm。

對比結(jié)論表明，超薄玻璃結(jié)構(gòu)行李架變形量較大，且前型材已存在部分屈服狀態(tài)，不滿足要求，PC板行李架未存在屈服狀態(tài)，且變形量較小，滿足要求。

2. 靜載試驗驗證

靜載試驗為行李架承載力驗證的基礎(chǔ)，如果行李架沒有通過靜載試驗驗證，則無須在進(jìn)行其他試驗。

按照UIC 566-1990《客車車體及其部件的載荷（第3版）OR》試驗標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比試驗測試。

試驗方法及要求：行李架裝車后在行李架上施加1000N/m的均布載荷并在前端任意位置施加850N集中載荷；合格條件為行李架無永久性變形或損壞。

（1）方案一（超薄玻璃隔板）

試驗結(jié)論：

從超薄玻璃隔板的行李架靜載數(shù)據(jù)上分析，同仿真分析結(jié)果一樣，行李架已發(fā)生永久變形，無須再進(jìn)行其他試驗，因此更換為PC板隔板進(jìn)行行李架的長壽命隨機振動及沖擊試驗。

（2）方案二（PC隔板）

試驗結(jié)論：

從以上數(shù)據(jù)分析厚10mm的PC隔板滿足行李架靜載強度要求；與仿真分析結(jié)果吻合。

3. 長壽命隨機振動及沖擊試驗

按照 JIS E 4031-1994《鐵道車輛部件-振動試驗方法》試驗標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行長壽命隨機振動及沖擊試驗。

試驗方法：

長壽命隨機振動： PC隔板行李架均布載荷1000N/m（超薄玻璃均布載500N/m），按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)要求行試驗，長壽命隨機振動三向加速度分別為垂向：5.9m/s2；橫向：2.9m/s2；縱向：3.9m/s2；試驗頻率f1=5Hz；f2=150Hz；試驗時間在三個相互垂直的方向分別做5h。

沖擊試驗： PC隔板行李架均布載荷1000N/m（超薄玻璃均布載500N/m）， 垂向峰值加速度30m/s2，持續(xù)時間為30/ms；橫向峰值加速度30m/s2，持續(xù)時間為30ms；縱向峰值加速度50m/s2，持續(xù)時間為30ms。

合格條件：行李架無永久變形和損壞。

試驗數(shù)據(jù)及結(jié)論：PC隔板行李架試驗后沒有產(chǎn)生永久變形和損壞。

超薄玻璃行李架試驗結(jié)束后存在永久變形，數(shù)據(jù)如下（表6）：

PC板滿足試驗要求，超薄玻璃不滿足設(shè)計要求。

4. 極限承載試驗

為進(jìn)一步驗證PC隔板強度性能，對PC隔板行李架進(jìn)行了極限承載試驗。

試驗方法：PC隔板行李架上放置均布載荷（1000N/m），在此基礎(chǔ)上逐步增加行李架負(fù)載，直至行李架破壞；同時對行李架前型材兩端點、中間點及PC隔板中間點進(jìn)行測量。

更換8mm厚PC隔板，安裝到CRH6型城際車行李架按照上述試驗方法進(jìn)行了極限承載試驗，數(shù)據(jù)如下（表7）：

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可以看出，行李架型材已經(jīng)發(fā)生了塑性變形，拆分行李架后，PC板沒有任何裂紋和破損。

（四）試驗結(jié)論

從以上的試驗結(jié)果可以看出，超薄玻璃不能滿足行李架強度要求，PC隔板滿足要求。

四、結(jié)論和展望

本課題對高速列車行李架隔板部件在進(jìn)行輕量化研究方面進(jìn)行了探討，通過對新材料和行李架組成進(jìn)行的相關(guān)試驗，驗證了PC隔板在行李架上的適用性。若將現(xiàn)有動車組列車的行李架隔板改成PC板，一節(jié)車廂將減重約130kg，若采用8輛編組，則一列車可減重約1040kg， 那么在高速列車輕量化方面起到積極的作用。

在行李架輕量化方面，除行李架隔板外，在框架方面也可以通過新材料、新工藝等方面進(jìn)行減重，如使用鎂合金等。在滿足使用條件的情況下，應(yīng)盡可能地輕量化。

[參考文獻(xiàn)]

[1]李強，金新燦.動車組設(shè)計[M].北京：中國鐵道出版社，2008.

[2]田紅旗.列車空氣動力學(xué)[M].北京：中國鐵道出版社，2007.