城軌車輛內(nèi)裝輕量化應(yīng)用研究

凌 攀 黃 洋

(中車株洲電力機(jī)車有限公司 湖南 株洲 412001)

0 概述

隨著人們環(huán)保意識(shí)的提高，軌道交通裝備的綠色發(fā)展理念深入人心，軌道交通領(lǐng)域已經(jīng)向環(huán)?；椭悄芑确较虬l(fā)展。中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司下一代碳纖維地鐵車輛“CETROVO”大量采用碳纖維復(fù)合材料整車減重13%，綜合節(jié)能15%以上[1]。引領(lǐng)了未來新一代地鐵的發(fā)展趨勢(shì)。城軌車輛主要由車體、內(nèi)裝、轉(zhuǎn)向架和電氣系統(tǒng)等組成，其中內(nèi)裝作為城軌車輛重要的組成部分之一，重量約占車輛總重量的12%[2]。

內(nèi)裝作為與乘客接觸最多的系統(tǒng)之一，一方面需從人機(jī)工程學(xué)角度考慮人的舒適性，另一方面其可靠性也需要得到保證，內(nèi)裝的輕量化主要從結(jié)構(gòu)優(yōu)化、先進(jìn)工藝和輕質(zhì)材料的應(yīng)用幾方面實(shí)現(xiàn)，同時(shí)需要兼顧性能、質(zhì)量及成本三大因素。文中結(jié)合目前城軌車輛內(nèi)裝部件材質(zhì)的實(shí)際應(yīng)用，綜合對(duì)比分析不同部件使用不同材質(zhì)帶來的輕量化效果。

1 內(nèi)裝

城軌車輛中內(nèi)裝部件主要分為端部部件(端隔墻電氣柜、司機(jī)室和頭罩)、底部部件(扶手、地板布和地板)、側(cè)部部件(側(cè)墻、門立柱罩、座椅和側(cè)頂板)和頂部部件(中頂板和縱橫梁)。

1.1 端部部件

頭罩安裝在城軌車輛的頭部，在行駛過程中主要與空氣接觸，因此頭罩材質(zhì)主要考慮其環(huán)保性、防火等級(jí)和抗沖擊性能。頭罩材質(zhì)主要有玻璃鋼和碳纖維，玻璃鋼材質(zhì)由于其良好的性能在城軌車輛系統(tǒng)中已有廣泛的應(yīng)用[3]。玻璃鋼材質(zhì)在深圳、南寧和昆明等城軌列車中已有成熟的應(yīng)用，碳纖維材質(zhì)的頭罩在長沙磁浮增購項(xiàng)目、160 km快速磁浮等項(xiàng)目中也有應(yīng)用。表1為兩種材質(zhì)不同結(jié)構(gòu)下的面密度，由表可知碳纖維頭罩的密度最低，以10 m2來計(jì)算3種頭罩質(zhì)量分別為200 kg、258 kg、160 kg，碳纖維材質(zhì)頭罩減重比例達(dá)到了38%。

表1 不同頭罩材質(zhì)的參數(shù)

端隔墻電氣柜起到隔離乘客與控制系統(tǒng)電子元件接觸的作用，因此對(duì)其材質(zhì)防火要求等級(jí)較高，在城軌列車中以鋁蜂窩材質(zhì)為主。

1.2 底部部件

扶手作為承載部件，在材質(zhì)選擇方面主要考慮其良好的抗拉強(qiáng)度，以不銹鋼材質(zhì)加表面處理為主。在馬來西亞ETS動(dòng)車組項(xiàng)目中采用鋁合金材質(zhì)，由于長期與人和外界環(huán)境接觸后受到腐蝕，表面會(huì)出現(xiàn)發(fā)黑的現(xiàn)象，影響其美觀性，故后續(xù)項(xiàng)目中鋁合金材質(zhì)的扶手桿應(yīng)用受到限制。但不銹鋼扶手存在的缺點(diǎn)是密度較大，不利于其輕量化目標(biāo)，故后續(xù)城軌列車中還需選取其合適的替代材料。

地板布材質(zhì)主要有PVC、橡膠和TPU 3種，在城軌車輛中應(yīng)用的厚度主要有2.5 mm和3 mm兩種，同一厚度下材料的密度為ρ橡膠>ρPVC>ρTPU。以2.5 mm的地板布厚度為例，橡膠地板布面密度在3.8 kg/m2左右，PVC地板布面密度在3 kg/m2，城軌B型車中PVC材質(zhì)地板布用量約為180 kg/節(jié)，如果以橡膠材質(zhì)代替，重量為228 kg/節(jié)，增加比例約為27%。TPU地板布面密度更低，可以達(dá)到2.3 kg/m2，但TPU地板布還未大批量應(yīng)用，只在個(gè)別研究項(xiàng)目中如青島四方下一代地鐵、唐山磁浮等項(xiàng)目中有應(yīng)用。

地板作為內(nèi)裝中與乘客接觸最多的部件之一，由于其需要良好的承載性能，實(shí)際應(yīng)用中主要以鋁蜂窩材質(zhì)為主。鋁蜂窩地板采用高強(qiáng)度鋁合金板作為面板和地板，中間采用六角形鋁蜂窩芯復(fù)合而成[4]。在城軌車輛中應(yīng)用較多的是15 mm的鋁蜂窩材質(zhì)，面密度約為12 kg/m2，城軌B型車中地板重量為750 kg/節(jié)左右，而內(nèi)裝總重約為3 700 kg/節(jié)，地板重量占據(jù)整個(gè)內(nèi)裝部件重量的1/5，因此尋找到合適的替代材質(zhì)對(duì)內(nèi)裝的輕量化有著極其重要的意義。可供替代選擇材料主要有泡沫夾芯復(fù)合材料和巴沙木夾芯復(fù)合材料，兩種材質(zhì)的面密度分別為9.4 kg/m2和8 kg/m2，相對(duì)于鋁蜂窩地板減重比例達(dá)到22%、33%，為后續(xù)城軌車輛輕量化提供了可選擇的余地。

1.3 側(cè)部部件

側(cè)墻和門立柱罩作為內(nèi)裝重要的側(cè)部組成部件，主要應(yīng)用材料有鋁合金、玻璃鋼、碳纖維和泡沫夾芯。表2為不同材質(zhì)在側(cè)墻上的應(yīng)用，由此可知玻璃鋼的面密度最大，如采用鋁合金和碳纖維來替代玻璃鋼材質(zhì)，減重比例達(dá)到18%和32%。

表2 側(cè)墻不同材質(zhì)的面密度

座椅材質(zhì)主要有玻璃鋼和不銹鋼，厚度選擇分別為5 mm和1.5 mm，對(duì)應(yīng)的面密度分別為11 kg/m2和12 kg/m2，在不同厚度下2種材質(zhì)面密度相差不大，可根據(jù)不同地區(qū)區(qū)域特點(diǎn)合理選擇相對(duì)應(yīng)的材質(zhì)。

側(cè)頂板材質(zhì)選擇方面與側(cè)墻和門立柱罩相似，主要有鋁型材、玻璃鋼、芳綸蜂窩和碳纖維，在城軌車輛B型車側(cè)頂板材質(zhì)主要以鋁型材為主，如：南寧軌道交通5號(hào)線、昆明軌道交通5號(hào)線和上海軌道交通16號(hào)線等項(xiàng)目，芳綸蜂窩主要在廣州黃埔有軌電車項(xiàng)目、長沙中低速磁浮項(xiàng)目和武漢大漢陽低地板等項(xiàng)目中，而碳纖維材質(zhì)受到工藝和成本的影響還未大范圍投入實(shí)用。

1.4 頂部部件

中頂板在內(nèi)裝中起到頂部裝飾作用，一般不承擔(dān)其他部件的承載作用，對(duì)其力學(xué)性能要求較低，但因其跨度和寬度較大，對(duì)其剛性強(qiáng)度要求較高，在城軌B型車中采用材質(zhì)有鋁蜂窩和芳綸蜂窩。鋁蜂窩材質(zhì)厚度為6 mm，面密度為8 kg/m2，芳綸蜂窩材質(zhì)厚度為10 mm，面密度為6 kg/m2。

縱橫梁作為承載部件，對(duì)其力學(xué)性能要求較高，目前城軌列車中常用的材質(zhì)為鋁型材，鋁型材的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟廣泛，但相對(duì)于其他輕質(zhì)金屬，鋁合金不利于實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)。鎂合金作為與鋁合金性能較為接近的輕質(zhì)金屬材質(zhì)，密度只有1.74 g/cm3，被譽(yù)為“21世紀(jì)綠色工程材料”[5]。隨著表面處理技術(shù)和塑性加工技術(shù)的發(fā)展，鎂及鎂合金有望取代鋁合金在軌道交通領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破性發(fā)展[6]。如法國TGV高速列車在TGV Duplex雙層高速列車座椅上應(yīng)用了鎂合金鑄件，座椅單個(gè)減重17%[7-8]。表3和表4為鋁合金6005A和鎂合金AZ31B的化學(xué)成分和力學(xué)性能，由表4可知鎂合金的密度為鋁合金的2/3，兩種材料的泊松比均在0.33左右。

表3 鋁合金和鎂合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) /%

表4 鋁合金和鎂合金的力學(xué)性能

在材質(zhì)選擇方面，首先需要保證使用性能，因此對(duì)鎂合金和鋁合金進(jìn)行有限元分析，在縱橫梁中以中央縱梁為例，圖1為中央縱梁的斷面二維模型圖，由圖1可知，鋁型材的壁厚設(shè)計(jì)為4.5 mm，中間為中空C型槽結(jié)構(gòu)?？v橫梁作為承載部件，在設(shè)計(jì)時(shí)必須保證其足夠的強(qiáng)度(材料抵抗變形的能力)。

立柱、扶手及其附屬件需滿足UIC 566，且能承受扶手柱或扶手跨距內(nèi)任何位置上施加1 470 N向下的力而無永久變形。根據(jù)中央縱梁受力分析，對(duì)其端部進(jìn)行約束固定，受力點(diǎn)為中間點(diǎn)，采取集中載荷的加載方式，利用ANSYS軟件對(duì)中央縱梁進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析，得到其最大等效應(yīng)力值和變形量。

圖1 中央縱梁的斷面二維模型和扶手連接三維模型圖

圖2中央縱梁整體云圖，由圖2(a)和圖2(c)可以看出鋁合金和鎂合金型材最大等效應(yīng)力分別為70 MPa和43 MPa，兩種型材變形量均較小。而安全系數(shù)計(jì)算如公式(1)所示，計(jì)算獲得鋁合金和鎂合金的安全系數(shù)均為3左右，滿足EN 12663中規(guī)定安全系數(shù)大于1.5的要求，分析結(jié)果表明鎂合金型材的縱橫梁安全可靠。

n=[σs]/σs

(1)

式中：[σs]為材料的許用應(yīng)力值；σs為材料的計(jì)算應(yīng)力值。

圖2 中央縱梁整體應(yīng)力云圖

基于輕量化要求，廣州軌道交通21號(hào)線車輛縱橫梁材質(zhì)由鋁合金更改為鎂合金材質(zhì)，在不改變整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，頭車縱橫梁的重量由382 kg下降為289 kg，下降比例為24%，減重效果明顯，與有限元計(jì)算分析結(jié)構(gòu)基本保持一致，到目前為止保持良好的運(yùn)營狀態(tài)。在最新的廣州軌道交通18號(hào)線車輛中也采用了鎂合金材質(zhì)的縱橫梁，重量控制在260 kg/節(jié)左右，達(dá)到了良好的減重效果。

綜上所述，內(nèi)裝部件中主要常用的材質(zhì)是鋁蜂窩、玻璃鋼、鋁板(鋁型材)、芳綸蜂窩、不銹鋼以及多層結(jié)構(gòu)的夾芯材料，在未來城軌車輛內(nèi)裝的發(fā)展趨勢(shì)中，鎂合金和碳纖維是內(nèi)裝材質(zhì)的熱點(diǎn)之一。

2 結(jié)束語

城軌車輛系統(tǒng)中，減輕車輛自重，可降低運(yùn)行阻力，節(jié)省牽引制動(dòng)能耗，另一方面可以減少與軌道之間的磨損，降低噪音，符合軌道交通設(shè)備綠色發(fā)展理念。城軌車輛中內(nèi)裝材質(zhì)主要有傳統(tǒng)的鋁合金、玻璃鋼、鋁蜂窩和不銹鋼等，但更輕的材質(zhì)如碳纖維、夾芯材料和鎂合金等也逐步在各部件中得到了應(yīng)用，并達(dá)到了良好運(yùn)營的效果。為未來城軌車輛的輕量化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，向?qū)崿F(xiàn)綠色軌道交通裝備邁近一步。