上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司 上海 200245

1 城市軌道交通車輛輕量化概述

1.1 城市軌道交通能耗

城市軌道交通是一種安全、舒適、節(jié)能、環(huán)保的綠色交通,已成為各大城市公共交通的重要組成部分。隨著城市軌道交通建設(shè)規(guī)模的擴大、運營網(wǎng)絡(luò)的增多,能耗大幅增加。據(jù)統(tǒng)計,牽引能耗占總能耗的30%,而車輛質(zhì)量減輕10%,牽引能耗可以減少6%[1-2]。

1.2 城市軌道交通車輛輕量化意義

城市軌道交通車輛輕量化不但可以提速降噪,減少能源消耗和碳排放[3],而且可以減少輪軌磨耗,降低軌道線路維護費用,從而帶來巨大的社會和經(jīng)濟效益。

1.3 城市軌道交通車輛輕量化技術(shù)路線

城市軌道交通車輛輕量化遵循自頂向下的原則,主要技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 城市軌道交通車輛輕量化技術(shù)路線

1.4 城市軌道交通車輛輕量化關(guān)鍵技術(shù)

城市軌道交通車輛輕量化關(guān)鍵技術(shù)主要包括:① 系統(tǒng)集成化;② 使用輕量化材料;③ 結(jié)構(gòu)輕量化優(yōu)化。

2 系統(tǒng)集成設(shè)計

2.1 制動控制模塊

制動輔助控制模塊和附加氣室模塊集成在一個制動控制模塊中,減輕10.9%質(zhì)量。集成后的制動控制模塊如圖2所示。

圖2 制動控制模塊

2.2 能耗記錄系統(tǒng)

優(yōu)化能耗記錄系統(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu),將每列四個能耗主機減少為兩個,質(zhì)量可減輕50%。優(yōu)化后的能耗記錄系統(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu)如圖3所示。圖3中,XUD為受電弓電壓傳感器,EGM為能耗記錄儀,TCMS為列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng),XI1D為受電弓輸入電流傳感器,XI2D為制動電流傳感器,XI3D為輔助電流傳感器,MVB為多功能車輛總線。

3 輕量化材料

在設(shè)計之初,為城市軌道交通車輛各系統(tǒng)主要零部件選擇材料時,應(yīng)在保證功能和性能的前提下,采用輕型材料,以實現(xiàn)輕量化設(shè)計。

圖3 能耗記錄系統(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu)

3.1 碳纖維復(fù)合材料

3.1.1 減重效果

碳纖維密度不足鋼的1/4,碳纖維樹脂復(fù)合材料抗拉強度是鋼的3～5倍,比強度是鋼的15～20倍,具有耐候性強、消聲效果好、防火性能優(yōu)異、缺口敏感度低、可設(shè)計性好等諸多優(yōu)勢,適合用作城市軌道交通車輛的輕量化環(huán)保材料。

近年來,隨著材料成本的降低、制造工藝的進(jìn)步、結(jié)構(gòu)設(shè)計的發(fā)展,碳纖維樹脂復(fù)合材料的應(yīng)用越來越廣泛,正逐步從車輛內(nèi)裝設(shè)備、裙板、頭罩等裝飾件向車體、轉(zhuǎn)向架等大型承載結(jié)構(gòu)發(fā)展[4]。法國TGV列車車體采用碳纖維和玻璃纖維混合織物復(fù)合材料,質(zhì)量較鋁合金車體減輕25%。日本E4列車司機室采用碳纖維復(fù)合材料,質(zhì)量減輕30%,同時降低了噪聲,減小了振動[5]。

3.1.2 減少零部件數(shù)量

由碳纖維復(fù)合材料制作零部件,材料的機械性能和制造工藝是可設(shè)計的,零部件的開發(fā)過程既是材料的開發(fā)過程,也是工藝的開發(fā)過程。采用結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法,優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局和連接節(jié)點,可設(shè)計出質(zhì)量輕、性能優(yōu)、零部件少的產(chǎn)品[6]。

采用碳纖維制作客室座椅面板和加強筋,厚度可減小至3 mm,相對鋁型材框架加強玻璃鋼座椅,整體質(zhì)量可減輕50%,如圖4所示。

圖4 碳纖維客室座椅

3.2 聚碳酸酯材料

聚碳酸酯由有機大分子鏈組成,常作為玻璃替代材料使用,優(yōu)點如下[7]:

(1) 質(zhì)量輕,密度僅為玻璃的1/2;

(2) 韌性好,強度大,不會自爆,安全性更高;

(3) 抗劃傷,經(jīng)硬化涂敷處理的聚碳酸酯材料,其抗劃傷性能接近玻璃。

采用聚碳酸酯材料制作擋風(fēng)屏、裝飾板、燈罩、燈殼等零部件,在輕量化方面有較大優(yōu)勢。

3.3 鋁箔復(fù)合板

城市軌道交通車輛空調(diào)送風(fēng)道主要有兩種設(shè)計,一種是鋁板加保溫隔熱材料,另一種是鋁箔復(fù)合板。鋁箔復(fù)合板風(fēng)道外層為壓花鋁箔,中間為高分子發(fā)泡保溫層,內(nèi)層為光面鋁箔。鋁箔復(fù)合板與傳統(tǒng)鋁板保溫材料風(fēng)道性能對比見表1。

由表1可知,選用鋁箔復(fù)合板風(fēng)道不但可以通過優(yōu)良的保溫性能減少空調(diào)能耗,而且可以減輕質(zhì)量。經(jīng)核算,鋁箔復(fù)合板風(fēng)道比鋁板保溫材料風(fēng)道質(zhì)量減輕30%。

表1 鋁箔復(fù)合板風(fēng)道與鋁板保溫材料風(fēng)道性能對比

3.4 鋁合金材料

鋁的密度僅為鋼的1/3,添加鎂和硅等成分的鋁合金硬度和強度提高,是一種既輕又硬的金屬。

3.4.1 扶手

客室扶手是乘客在車內(nèi)的主要抓扶設(shè)備。用鋁合金扶手替換不銹鋼扶手,質(zhì)量可以減輕30%左右。鋁合金扶手表面采用耐磨金屬漆和清漆,有金屬質(zhì)感,美觀高檔,如圖5所示。

圖5 鋁合金扶手

3.4.2 空調(diào)機組殼體

目前,城市軌道交通車輛空調(diào)機組多為不銹鋼殼體,質(zhì)量約占整個機組總質(zhì)量的40%。空調(diào)機組殼體采用鋁合金材料,空調(diào)機組質(zhì)量可減輕15%,效果顯著,如圖6所示。

圖6 鋁合金空調(diào)機組殼體

對殼體進(jìn)行有限元仿真計算,如圖7所示,確認(rèn)在保證強度、剛度和振動模態(tài)等性能的基礎(chǔ)上,結(jié)構(gòu)得到進(jìn)一步優(yōu)化。

圖7 空調(diào)機組殼體應(yīng)力云圖

3.4.3 貫通道踏板

國內(nèi)城市軌道交通車輛的貫通道踏板多采用不銹鋼花紋板。采用鋁合金花紋板替代不銹鋼花紋板,每套貫通道質(zhì)量可減輕6%,如圖8所示。

圖8 鋁合金貫通道踏板

3.4.4 車下分線箱

車下分線箱材質(zhì)由鋼板改為鋁板。為保證強度,連接器安裝面采用4 mm厚鋁板,其余箱體蒙皮采用3 mm厚鋁板,箱體質(zhì)量可減輕40%,如圖9所示。

圖9 鋁合金車下分線箱

4 結(jié)構(gòu)輕量化

4.1 車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

車體是城市軌道交通車輛的主要承載結(jié)構(gòu),質(zhì)量占整個車輛的15%～20%。采用先進(jìn)的計算機仿真技術(shù),對車體結(jié)構(gòu)和型材厚度進(jìn)行多次反復(fù)迭代優(yōu)化,在滿足整車剛度、強度、模態(tài)性能等邊界條件的前提下,進(jìn)行輕量化設(shè)計[8]。車體結(jié)構(gòu)的有限元仿真應(yīng)力云圖如圖10所示。

圖10 車體結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

隨著型材廠家技術(shù)裝備水平的提高,大斷面鋁型材的開發(fā)成為可能。采用大斷面鋁型材,鋁地板由六塊型材拼焊改為五塊型材拼焊[9],減輕了焊接工作量,減小了焊接變形和型材拼接口結(jié)構(gòu),提高了輕量化水平,如圖11所示。

圖11 大斷面鋁型材拼焊

此外,銑削加工去除不必要的滑槽,并在強度裕量大的部件上開減重孔,也是行之有效的輕量化措施。這些減重孔可用作過線孔、過管孔或工藝孔,實現(xiàn)科學(xué)利用,如圖12所示。

車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,中間車車體質(zhì)量比優(yōu)化前至少減輕5%,輕量化效果明顯。

4.2 內(nèi)裝設(shè)備優(yōu)化

內(nèi)裝設(shè)備質(zhì)量占整車質(zhì)量的11%～13%,零部件眾多,有很大的輕量化空間。

圖12 減重孔的應(yīng)用

4.2.1 客室座椅

客室座椅若考慮成本,可采用輕量化玻璃鋼座椅,強度和剛度主要由框架保證。面板厚度適當(dāng)減薄,由5 mm厚度減小至4 mm,輕量化后座椅質(zhì)量減輕12%,如圖13所示。

圖13 輕量化玻璃鋼客室座椅

4.2.2 車頂?shù)踝?/p>

全寬型內(nèi)頂模塊通過吊座固定在車頂滑槽上,窗區(qū)扶手上部固定在車頂?shù)踝路?以提高扶手的安裝強度。此位置吊座承載較大,而其它車頂?shù)踝鄬Χ猿休d小得多。為此,運用有限元仿真對固定扶手的車頂?shù)踝鶖嗝孢M(jìn)行優(yōu)化,減小低應(yīng)力區(qū)的型材壁厚,設(shè)計減重孔,單個吊座質(zhì)量減輕30%。扶手車頂?shù)踝挠邢拊抡鎽?yīng)力云圖如14所示。

圖14 扶手車頂?shù)踝鶓?yīng)力云圖

為提高材料利用率,實現(xiàn)等強度設(shè)計,使各車頂?shù)踝鶓?yīng)力水平接近,對非固定扶手的車頂?shù)踝鶞p小寬度尺寸,可使質(zhì)量減輕50%。

4.2.3 內(nèi)裝零部件

對強度裕量大的內(nèi)裝零部件進(jìn)行輕量化設(shè)計的另一個行之有效的方法是設(shè)減重孔。開有減重孔后的內(nèi)裝側(cè)墻,質(zhì)量可減輕7.7%,如圖15所示。

圖15 內(nèi)裝側(cè)墻減重孔

4.3 新型車鉤緩沖器

車鉤緩沖器原設(shè)計是氣液緩沖器與鉤身外殼獨立,如圖16所示。摩擦簧在緩沖器外部,結(jié)構(gòu)尺寸大,鉤身質(zhì)量重。

圖16 原車鉤緩沖器結(jié)構(gòu)

為減輕車鉤質(zhì)量,提高吸能效果,研發(fā)了新型壓拉氣液車鉤緩沖器。新型車鉤緩沖器中,鉤身殼體和閥體形成儲油腔,回程時吸收能量,摩擦簧縮短,結(jié)構(gòu)尺寸減小。新型車鉤緩沖器質(zhì)量減輕19%,如圖17所示。

圖17 新型車鉤緩沖器器結(jié)構(gòu)

4.4 緊急疏散門優(yōu)化

針對緊急疏散門,采用有限元仿真進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,質(zhì)量可減輕15%。緊急疏散門具體優(yōu)化如下:門框及門頁框架鋁型材由5 mm厚改為3 mm厚,過渡踏板及行走面板由4 mm厚鋁板改為3 mm厚鋁板,門頁由原結(jié)構(gòu)3 mm厚玻璃鋼、5 mm厚泡沫板、2 mm厚玻璃鋼改為2 mm厚玻璃鋼、5 mm厚泡沫板、2 mm厚玻璃鋼。

5 結(jié)束語

近年來,隨著新材料、新工藝、新技術(shù)的不斷涌現(xiàn),城市軌道交通車輛輕量化技術(shù)也在發(fā)展。由于我國城市軌道交通車輛輕量化技術(shù)發(fā)展較晚,與航空航天業(yè)、汽車制造業(yè)等相比存在巨大差距,因此在當(dāng)今大變革、大創(chuàng)造的時代,應(yīng)積極推動產(chǎn)業(yè)間技術(shù)的交流、借鑒和融合,集中精力、物力和財力,不斷推進(jìn)城市軌道交通車輛輕量化技術(shù)取得更快、更好的發(fā)展[10]。