尹華

摘要：高速動(dòng)車組的速度在不斷提升，在提升牽引功率的同時(shí)，為了降低能耗，降低車輛的結(jié)構(gòu)重量同樣關(guān)鍵。一列動(dòng)車組，鋁合金車體的重量約占整車重量的五分之一。本文從計(jì)算和試驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、復(fù)合材料的應(yīng)用、7000系鋁合金的應(yīng)用三個(gè)方面闡述了高速動(dòng)車組鋁合金車體的輕量化思路，供后續(xù)設(shè)計(jì)參考和研究。

關(guān)鍵詞：動(dòng)車組;鋁合金;車體;輕量化

引言

目前，國(guó)內(nèi)外超過(guò)200km/h速度等級(jí)的高速列車車體材料基本都是鋁合金，是因?yàn)殇X合金車體具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）能大幅度降低車輛自重，在相同條件下，與鋼質(zhì)車相比自重降低約30%～35%。2）具有較小的密度及楊氏模量，對(duì)沖擊載荷有較高能量吸收能力。3）可運(yùn)用大型中空擠壓型材進(jìn)行氣密性設(shè)計(jì)，提高車輛密封性能。4）采用大型中空擠壓型材制造的板塊式結(jié)構(gòu)，可減少車體同設(shè)備之間連接元件的重量與數(shù)量。5）可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，成型容易，整車焊接量小，制造成本低。

盡管目前的鋁合金車體重量已經(jīng)很輕，但隨著高速列車速度的不斷提升，為了節(jié)省牽引功率，降低列車的運(yùn)行能耗，減少車輛對(duì)線路的沖擊，提高車輛的啟動(dòng)加速度及制動(dòng)減速度，仍需要對(duì)鋁合金車體做進(jìn)一步的輕量化研究，根據(jù)近幾年的大量試驗(yàn)及實(shí)際車輛運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)分析，高速動(dòng)車組鋁合金車體可以從計(jì)算和試驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化、復(fù)合材料應(yīng)用、7000系鋁合金應(yīng)用、工況優(yōu)化等方面進(jìn)行輕量化。

1.計(jì)算和試驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化

近幾年研發(fā)的高速動(dòng)車組中，大部分鋁合金車體都采用了攪拌摩擦焊技術(shù)，但是只用到了攪拌摩擦的焊接變形小及焊縫成型穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，并沒(méi)有應(yīng)用到焊接接頭強(qiáng)度更高的優(yōu)勢(shì)。在進(jìn)行車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核和試驗(yàn)時(shí)，攪拌摩擦焊焊接接頭的疲勞強(qiáng)度和靜強(qiáng)度是用相對(duì)應(yīng)的弧焊標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行替代的，偏于保守。通過(guò)大量的攪拌摩擦焊與MIG焊的焊接接頭性能對(duì)比（軌道車輛的車鉤座和裙板）表明，采用攪拌摩擦焊的鋁合金焊接接頭性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)MIG焊，MIG焊接頭的屈服強(qiáng)度約為母材的65%，F(xiàn)SW接頭的屈服強(qiáng)度可達(dá)到母材的80%。同時(shí)，攪拌摩擦焊焊接接頭的疲勞性能也優(yōu)于MIG焊。如果后續(xù)用攪拌摩擦焊的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和試驗(yàn)，牽枕緩區(qū)域的結(jié)構(gòu)不僅可以得到優(yōu)化，重量也會(huì)降低很多。

在對(duì)鋁合金車體靜強(qiáng)度分析和試驗(yàn)時(shí)，目前采用的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為EN 1999-1-2007，以EN AW-6005A-T6狀態(tài)鋁合金為例，母材的屈服強(qiáng)度為200MPa，焊接接頭的屈服強(qiáng)度為115MPa，而在眾多的實(shí)際測(cè)試中，焊接接頭的屈服強(qiáng)度都能達(dá)到母材的65%。說(shuō)明在目前焊接工藝水平、工藝穩(wěn)定性、原材料品質(zhì)都得到提升的情況下，焊接接頭的性能也得到了改善，而標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)據(jù)為不同的工藝水平總結(jié)出的過(guò)于安全、偏保守的數(shù)據(jù)。所以，建議以后的車體計(jì)算和試驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)該用試驗(yàn)值，因?yàn)檫@樣更能反應(yīng)出樣件的實(shí)際工藝影響和具體結(jié)構(gòu)影響。同時(shí)，用此方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，能更有效的降低車體的重量。

在對(duì)鋁合金車體疲勞強(qiáng)度進(jìn)行分析時(shí)，目前采用的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為國(guó)際焊接學(xué)會(huì)的IIW2008標(biāo)準(zhǔn)或德國(guó)的DVS標(biāo)準(zhǔn)。在計(jì)算時(shí)，首先要確定焊接接頭形狀，與標(biāo)準(zhǔn)中的接頭類型進(jìn)行對(duì)比，確定許用應(yīng)力或S-N曲線。實(shí)際在具體的項(xiàng)目執(zhí)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)中的焊接接頭與項(xiàng)目中應(yīng)用的焊接接頭很多都不一致，等于在開(kāi)始計(jì)算時(shí)已經(jīng)做了假定，而且為了保守起見(jiàn)，一般都選偏安全的焊接接頭為參考對(duì)象，導(dǎo)致余量過(guò)大。所以，建議以后的車體計(jì)算評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)該用試驗(yàn)S-N曲線，這樣更能反應(yīng)出樣件的實(shí)際工藝影響和具體結(jié)構(gòu)影響。同時(shí)，用此方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，能更有效降低車體的重量。

國(guó)內(nèi)的動(dòng)車組都要對(duì)鋁合金車體進(jìn)行氣動(dòng)載荷的承受能力評(píng)估，包括靜強(qiáng)度和疲勞氣密強(qiáng)度，250km/h速度等級(jí)的動(dòng)車組一般按±4000Pa進(jìn)行校核，350km/h速度等級(jí)的動(dòng)車組一般按±6000Pa進(jìn)行校核。通過(guò)線路空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，計(jì)算時(shí)車身全部區(qū)域都按同一數(shù)值校核偏于保守，實(shí)際車身大部分區(qū)域的氣動(dòng)載荷值都達(dá)不到這個(gè)值。其次，疲勞氣密強(qiáng)度都按1000萬(wàn)次進(jìn)行評(píng)估過(guò)于苛刻，根據(jù)目前中國(guó)高鐵的線路建設(shè)情況及每年列車的服役情況進(jìn)行分析，疲勞氣密強(qiáng)度的次數(shù)在25萬(wàn)次左右比較合適。如果按1000萬(wàn)次或200萬(wàn)次進(jìn)行校核，會(huì)導(dǎo)致車體結(jié)構(gòu)過(guò)設(shè)計(jì)。所以根據(jù)車輛實(shí)際運(yùn)用線路條件及車體不同區(qū)域受載不同去校核鋁合金車體的氣密強(qiáng)度更有利于車體結(jié)構(gòu)的輕量化。

2.復(fù)合材料應(yīng)用

近幾年，國(guó)內(nèi)的工業(yè)用復(fù)合材料發(fā)展非常迅速，尤其是碳纖維材料，而且也在軌道交通行業(yè)陸續(xù)進(jìn)行了嘗試，雖然尚未大批量應(yīng)用到所有結(jié)構(gòu)，但其一些優(yōu)良性能已經(jīng)得以充分的展示和驗(yàn)證。碳纖維很輕而且強(qiáng)度高，這些都是制造車體結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，但是受制于目前生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性、失效檢測(cè)手段欠缺、驗(yàn)證評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、實(shí)際運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)較少等因素的制約，碳纖維材料還不能完全替代鋁合金應(yīng)用到高速動(dòng)車組的車體主體結(jié)構(gòu)上，但高速動(dòng)車組車體上的一些附屬結(jié)構(gòu)完全可以用碳纖維材料進(jìn)行替代，比如車內(nèi)的連接件和密封件，如果這些連接件用復(fù)合材料進(jìn)行替代，在保證強(qiáng)度的同時(shí)，其減振效果更加優(yōu)良，而且為車體的輕量化貢獻(xiàn)顯著，板梁結(jié)構(gòu)車體減重效果更加明顯。

37000系鋁合金應(yīng)用

7000系鋁合金在軌道交通行業(yè)已經(jīng)有很多年的應(yīng)用業(yè)績(jī)，尤其是日本的高速公車組，為了車體的輕量化和高承載需求，車體很多主承載結(jié)構(gòu)用的都是7000系鋁合金，這得益于日本7000系鋁合金的質(zhì)量較高，無(wú)論是板材還是型材，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于國(guó)內(nèi)同等牌號(hào)的材料。國(guó)內(nèi)很多車輛的車體結(jié)構(gòu)也應(yīng)用了7000系鋁合金，包括高速動(dòng)車組的車體和城鐵車的車體，但因?yàn)橐恍┰牧系馁|(zhì)量問(wèn)題，目前用量在逐漸的減少。分析7000系鋁合金曾經(jīng)在車輛上出現(xiàn)的問(wèn)題，其實(shí)主要有兩方面的原因，一是國(guó)內(nèi)的材料抗腐蝕能力較差，包括抗疲勞腐蝕、抗應(yīng)力腐蝕和抗剝離腐蝕，二是對(duì)材料的焊接工藝控制還不是很成熟，當(dāng)原材料的質(zhì)量不是很好時(shí)，再加上焊接的影響，問(wèn)題就會(huì)更加突出。以上問(wèn)題如果從原材料加以控制，并加以充分的試驗(yàn)驗(yàn)證，完全可以得到解決。7000系鋁合金中的7020牌號(hào)鋁合金的焊接接頭屈服強(qiáng)度為205MPa，而6005A的焊接接頭屈服強(qiáng)度為115MPa，如果7000系鋁合金替代目前的6000系鋁合金在車體上得以大批量的使用，車體至少能減重0.6t。

4.結(jié)語(yǔ)

抓住設(shè)計(jì)過(guò)程中的主要矛盾和次要矛盾，仔細(xì)分解車輛運(yùn)行環(huán)境和應(yīng)用工況，充分發(fā)揮材料的可設(shè)計(jì)性，通過(guò)對(duì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化、復(fù)合材料的應(yīng)用和7000系鋁合金的應(yīng)用，可進(jìn)一步的降低高速動(dòng)車組鋁合金車體的重量。

參考文獻(xiàn)

[1] 常樹(shù)民，馬紀(jì)軍，鋁合金車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)思，2004，9。

[2] 王立航，方吉，馬紀(jì)軍. 鋁合金車體疲勞壽命預(yù)測(cè)新方法及其應(yīng)用，2010，6。

（作者單位：中車長(zhǎng)客股份有限公司車體研發(fā)部）