牟少弟　李智國(guó)　李樂(lè)營(yíng)

[摘 要] 隨著列車(chē)提速，列車(chē)輕量化一直是對(duì)設(shè)計(jì)人員提出的更高的要求，列車(chē)減重對(duì)提高車(chē)輛運(yùn)行速度和節(jié)能降耗起著關(guān)鍵的作用。文章以動(dòng)車(chē)組行李架為例，詳細(xì)闡述輕量化行李架研究過(guò)程。從對(duì)比典型材料性能開(kāi)始，輔助必要的仿真計(jì)算，歷經(jīng)載荷、沖擊、振動(dòng)等一系列驗(yàn)證試驗(yàn)，擇優(yōu)選取材料研制輕量化行李架，實(shí)現(xiàn)動(dòng)車(chē)組用輕量化行李架優(yōu)化目的。

[關(guān)鍵詞] 高速動(dòng)車(chē)組；輕量化行李架；結(jié)構(gòu)仿真；驗(yàn)證試驗(yàn)

[作者簡(jiǎn)介] 牟少弟，南車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司工程師，山東 青島，266111；李智國(guó)，南車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司高級(jí)工程師，山東 青島，266111；李樂(lè)營(yíng)，南車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司工程師，山東 青島，266111

[中圖分類(lèi)號(hào)] U270.38+8 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1007-7723（2012）12-0013-0004

對(duì)于高速列車(chē)來(lái)說(shuō)，阻力主要來(lái)自于機(jī)械摩擦和空氣阻力，而機(jī)械摩擦阻力除了與摩擦系數(shù)有關(guān)，還和列車(chē)質(zhì)量有關(guān)。因此，減小列車(chē)質(zhì)量可以減小運(yùn)行中的機(jī)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(yùn)行過(guò)程中的輪軌相互作用，改善相關(guān)零部件的服役條件。正因?yàn)槿绱耍咚倭熊?chē)輕量化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為高速列車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)之一。車(chē)內(nèi)行李架約占客車(chē)總質(zhì)量的1%，輕量化具有重要意義。本文主要針對(duì)行李架的輕量化進(jìn)行研究，主要通過(guò)新材料的應(yīng)用，在保證其性能的前提下，在高速列車(chē)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(dòng)車(chē)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(guò)改變隔板材質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)輕量化，對(duì)整車(chē)減重具有十分重要的意義。本文主要對(duì)現(xiàn)有動(dòng)車(chē)組用行李架進(jìn)行輕量化優(yōu)化開(kāi)發(fā)，主要目的有：通過(guò)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(shí)現(xiàn)行李架設(shè)計(jì)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(duì)比方案，進(jìn)行重量對(duì)比，然后通過(guò)仿真計(jì)算、地面試驗(yàn)等手段，確保行李架在實(shí)現(xiàn)輕量化的同時(shí)，保證其功能、性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，保證高速列車(chē)安全可靠運(yùn)營(yíng)。

行李架設(shè)計(jì)要求主要包括：行李物品擱放功能、行李架強(qiáng)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(yàn)證主要從行李架強(qiáng)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(diǎn)分析。主要流程如下：

（1）確定行李架輕量化設(shè)計(jì)對(duì)比方案；

（2）材料耐磨及防火性能分析及驗(yàn)證；

（3）通過(guò)仿真分析篩選，并通過(guò)靜載及隨機(jī)振動(dòng)、沖擊、極限承載等試驗(yàn)驗(yàn)證行李架設(shè)計(jì)方案。

三、輕量化行李架研究過(guò)程

（一）行李架輕量化設(shè)計(jì)方案

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

現(xiàn)有動(dòng)車(chē)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?chē)美工效果特殊要求，它可以增大剛度，但價(jià)格較平面玻璃貴，目前多采用平板方案。經(jīng)對(duì)比分析，初步確定三個(gè)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(duì)比見(jiàn)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(chē)設(shè)計(jì)統(tǒng)一要求，任何材料需滿(mǎn)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(mǎn)足DIN5510相關(guān)要求，即滿(mǎn)足設(shè)計(jì)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(mǎn)足表面硬度及耐磨要求，夾膠玻璃和PC板材料均滿(mǎn)足要求。

（三）行李架強(qiáng)度分析

采用仿真計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證方式對(duì)超薄玻璃和PC板的性能進(jìn)行驗(yàn)證，主要項(xiàng)目包括結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真分析、靜載試驗(yàn)、隨機(jī)振動(dòng)、沖擊、極限承載試驗(yàn)驗(yàn)證等。

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

1. 結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(jì)算

結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真計(jì)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(qiáng)度仿真計(jì)算

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

對(duì)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(mǎn)足要求，PC板行李架未存在屈服狀態(tài)，且變形量較小，滿(mǎn)足要求。

2. 靜載試驗(yàn)驗(yàn)證

靜載試驗(yàn)為行李架承載力驗(yàn)證的基礎(chǔ)，如果行李架沒(méi)有通過(guò)靜載試驗(yàn)驗(yàn)證，則無(wú)須在進(jìn)行其他試驗(yàn)。

按照UIC 566-1990《客車(chē)車(chē)體及其部件的載荷（第3版）OR》試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)測(cè)試。

試驗(yàn)方法及要求：行李架裝車(chē)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(wú)永久性變形或損壞。

（1）方案一（超薄玻璃隔板）

試驗(yàn)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(wú)須再進(jìn)行其他試驗(yàn)，因此更換為PC板隔板進(jìn)行行李架的長(zhǎng)壽命隨機(jī)振動(dòng)及沖擊試驗(yàn)。

（2）方案二（PC隔板）

試驗(yàn)結(jié)論：

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

3. 長(zhǎng)壽命隨機(jī)振動(dòng)及沖擊試驗(yàn)

按照 JIS E 4031-1994《鐵道車(chē)輛部件-振動(dòng)試驗(yàn)方法》試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行長(zhǎng)壽命隨機(jī)振動(dòng)及沖擊試驗(yàn)。

試驗(yàn)方法：

長(zhǎng)壽命隨機(jī)振動(dòng)： 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(yàn)，長(zhǎng)壽命隨機(jī)振動(dòng)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(yàn)頻率f1=5Hz；f2=150Hz；試驗(yàn)時(shí)間在三個(gè)相互垂直的方向分別做5h。

沖擊試驗(yàn)： 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(shí)間為30/ms；橫向峰值加速度30m/s2，持續(xù)時(shí)間為30ms；縱向峰值加速度50m/s2，持續(xù)時(shí)間為30ms。

合格條件：行李架無(wú)永久變形和損壞。

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

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

PC板滿(mǎn)足試驗(yàn)要求，超薄玻璃不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4. 極限承載試驗(yàn)

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

試驗(yàn)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(shí)對(duì)行李架前型材兩端點(diǎn)、中間點(diǎn)及PC隔板中間點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。

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

根據(jù)試驗(yàn)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(méi)有任何裂紋和破損。

（四）試驗(yàn)結(jié)論

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

四、結(jié)論和展望

本課題對(duì)高速列車(chē)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(guò)對(duì)新材料和行李架組成進(jìn)行的相關(guān)試驗(yàn)，驗(yàn)證了PC隔板在行李架上的適用性。若將現(xiàn)有動(dòng)車(chē)組列車(chē)的行李架隔板改成PC板，一節(jié)車(chē)廂將減重約130kg，若采用8輛編組，則一列車(chē)可減重約1040kg， 那么在高速列車(chē)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(guò)新材料、新工藝等方面進(jìn)行減重，如使用鎂合金等。在滿(mǎn)足使用條件的情況下，應(yīng)盡可能地輕量化。

[參考文獻(xiàn)]

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