李國順，郭力榮，陳 璨，張義超，張紅衛(wèi)

(中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京 100081)

高速動車組輕量化不僅能降低輪軌間的相互作用力，有利于提速降噪，而且可以改善輪軌的磨損與變形，降低動車組與線路的維護成本，同時還能改善車輛的振動水平，提高車輛的運行穩(wěn)定性和旅客乘坐舒適性。此外，高速動車組的質(zhì)量與運行阻力密切相關(guān)，降低車輛質(zhì)量能有效降低機械阻力和坡道阻力，同時減小加減速條件下車輛間的沖擊作用。動車組質(zhì)量減小10%，運行能耗可降低7%[1]。由于動能與質(zhì)量成正比，動車組輕量化可減小隨運行速度提高而增大的制動吸收能，改善列車制動性能，提高運行安全性[2]。若動車組運行速度從220 km/h提高至270 km/h，列車動能增加約50%。在上述基礎(chǔ)上，如果動車組質(zhì)量降低30%，則列車動能僅增加5%[3]。

輕量化水平已成為評價世界各國高速動車組綜合實力的重要指標。事實上，高鐵技術(shù)發(fā)達國家的高速動車組均以節(jié)能降耗、輕量化作為基本訴求，采用的技術(shù)包括新型輕質(zhì)高強度材料、新型結(jié)構(gòu)和新型電子元器件等。日本的N700系列車車體頂部采用了玻璃纖維復合材料(CFRP)，實現(xiàn)了減重500 kg且降低了車輛重心，改善了氣密性能[4]。韓國的TTX(Title Train eXpress)車體采用碳纖維三明治復合材料構(gòu)建鋁蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)鋁合金車體相比，實現(xiàn)了減重40%[5]。法國的TGV雙層車體采用蜂窩夾層復合材料和真空袋固化成型，相較鋁合金車體減重25%以上[6]。

我國高速動車組輕量化技術(shù)起步較晚，但發(fā)展迅速，基本實現(xiàn)了非承載結(jié)構(gòu)、次承載結(jié)構(gòu)以及零部件的輕量化，并已開展主承載結(jié)構(gòu)的輕量化研究。中國標準動車組設(shè)備艙采用碳纖維復合材料，相較于鋁合金設(shè)備艙減重35%[7]。車內(nèi)設(shè)備方面，如采用鋁-鋼合制或全鋁制雙人座椅，質(zhì)量將由原鋼制座椅56 kg分別降低至32 kg和24 kg；車窗如采用聚碳酸酯材料，質(zhì)量僅為相同厚度玻璃車輛質(zhì)量的1/15。牽引系統(tǒng)方面，采用新型高頻電力電子變壓器，與傳統(tǒng)牽引變壓器相比，質(zhì)量降低了50%且節(jié)省安裝空間10%以上。

隨著高速動車組運行速度的提升，動車組輕量化在減少能耗和碳排放、提升旅客乘坐舒適性、改善制動性能等方面的優(yōu)勢逐漸凸顯。由此可見，發(fā)展輕量化技術(shù)具有重要的科學和工程意義。

1 動車組質(zhì)量組成

掌握動車組質(zhì)量組成和分布情況是輕量化設(shè)計的必要條件。高速動車組主要由車體、轉(zhuǎn)向架、牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、車端連接系統(tǒng)、給水衛(wèi)生系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)等組成。圖1給出了相同速度等級的A型、B型高速動車組各系統(tǒng)質(zhì)量占比情況，圖中的其他是指動車組的連接電纜、螺栓、管路、支架等附屬設(shè)施。A型高速動車組總質(zhì)量為438.9 t，B型高速動車組總質(zhì)量為455.2 t，二者總質(zhì)量相差16.3 t。從圖1中可以看出，盡管不同型號動車組總質(zhì)量相差較大，但各系統(tǒng)的質(zhì)量占比趨勢基本相同。值得注意的是，由于螺栓、管路等附屬設(shè)施統(tǒng)計方法不同，導致其他部分的質(zhì)量占比略有差異。

圖1 動車組各系統(tǒng)質(zhì)量占比

根據(jù)動車組各系統(tǒng)質(zhì)量情況，可以將其分為主承載結(jié)構(gòu)、大型設(shè)備設(shè)施、非承載結(jié)構(gòu)及次承載結(jié)構(gòu)。主承載結(jié)構(gòu)主要包括車體和轉(zhuǎn)向架，總質(zhì)量占比超過了40%。其中，轉(zhuǎn)向架質(zhì)量占比分別為21.8%和24.6%；車體質(zhì)量占比分別為20.5%和18.7%。通過采用輕量化材料和優(yōu)化結(jié)構(gòu)，可以有效降低主承載結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。大型設(shè)備設(shè)施主要涉及牽引系統(tǒng)、車上設(shè)施和制動系統(tǒng)，質(zhì)量占比超過了20%。通過采用新技術(shù)可以實現(xiàn)大型設(shè)備設(shè)施的集成化、小型化和輕量化。非承載結(jié)構(gòu)、次承載結(jié)構(gòu)主要有設(shè)備艙、座椅和空調(diào)系統(tǒng)等，質(zhì)量占比一般不超過15%。非承載結(jié)構(gòu)、次承載結(jié)構(gòu)的輕量化技術(shù)相對比較成熟，并且已取得了良好的減重效果。

為了實現(xiàn)更高水平的輕量化，針對車體、轉(zhuǎn)向架等大質(zhì)量、大體積的主承載結(jié)構(gòu)以及大型關(guān)鍵設(shè)備設(shè)施的輕量化研究，將是新一代動車組輕量化研究的重點和難點。

2 輕量化原則及難點

高速動車組是一個復雜的互相耦合的大系統(tǒng)，必須從系統(tǒng)工程的角度考慮輕量化技術(shù)以及其帶來的影響。以車體輕量化為例，若采用新型輕量化材料降低車體質(zhì)量，則必須考慮車體結(jié)構(gòu)的剛度、強度、模態(tài)等性能指標是否符合要求，以及對車體流固耦合關(guān)系的影響。同樣的，對轉(zhuǎn)向架進行輕量化設(shè)計也必須考慮對輪軌關(guān)系的影響。在保障運行安全的前提下，動車組輕量化設(shè)計仍面臨很多難點。

2.1 結(jié)構(gòu)安全性難點

近年來，高速動車組部件疲勞斷裂事故時有發(fā)生，嚴重影響行車安全。無論采用新型復合材料還是對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，往往都會對結(jié)構(gòu)的疲勞強度性能產(chǎn)生重大影響。與金屬材料相比，復合材料結(jié)構(gòu)更加復雜，強度分析理論尚不完善，缺乏充足的試驗支撐，尚未建立統(tǒng)一有效的強度評價體系。輕量化設(shè)計原則的頂層設(shè)計指標仍存在分歧，焊接質(zhì)量及焊接后連接件的結(jié)構(gòu)安全仍需進一步的研究，由此導致的一系列結(jié)構(gòu)安全性問題將是動車組輕量化必須解決的關(guān)鍵問題。

2.2 復合材料運維難點

新型復合材料是實現(xiàn)動車組輕量化的關(guān)鍵技術(shù)，但其輕量化設(shè)計思路和制造工藝與傳統(tǒng)金屬材料差異較大。傳統(tǒng)金屬材料結(jié)構(gòu)承受拉力的結(jié)構(gòu)為關(guān)鍵部位，而新型復合材料結(jié)構(gòu)不同，其承受壓力的結(jié)構(gòu)為關(guān)鍵部位，尤其是沖擊損傷。目前，普遍采用損傷容限理論進行新型復合材料的設(shè)計和維護，對于結(jié)構(gòu)微小損傷進行監(jiān)控但不處理，由此導致2個關(guān)鍵問題：臨界損傷尺寸如何確定；微小損傷擴展至臨界損傷尺寸的擴展速度如何預測。

針對傳統(tǒng)金屬材料，上述2個問題可以利用豐富的試驗數(shù)據(jù)，提出科學合理的評估措施。但新型復合材料的臨界損傷尺寸和擴展速度尚缺乏足夠的試驗數(shù)據(jù)支撐，這給動車組的運用與維護帶來了巨大挑戰(zhàn)。如何制定科學合理的運維策略，保證行車安全，降低運維成本，將是輕量化面臨的又一難點。

2.3 與整車性能的匹配關(guān)系

車體輕量化會降低車體剛度，加劇車體彈性振動，增大動車組振動水平，嚴重影響旅客乘坐舒適性[8]。高速動車組結(jié)構(gòu)的空氣動力學性能對列車的運行穩(wěn)定性有顯著影響，輕量化結(jié)構(gòu)或新型復合材料是否滿足空氣動力學要求，仍需進行大量試驗驗證。輕量化與噪聲指標的交叉分析在不考慮聲學參數(shù)優(yōu)化設(shè)計的情況下，型材結(jié)構(gòu)的輕量化會導致其隔聲性能降低、振動輻射噪聲增加。隨著車體結(jié)構(gòu)質(zhì)量的降低，地板型材、平頂型材的計權(quán)隔聲量也有所降低。低頻結(jié)構(gòu)噪聲控制與輕量化的矛盾突出，導致有限空間和質(zhì)量對減振降噪結(jié)構(gòu)設(shè)計的限制，而既有傳統(tǒng)降噪技術(shù)難以解決中低頻噪聲問題。輕量化設(shè)計時，需利用聲學超結(jié)構(gòu)定制化設(shè)計開發(fā)新型降噪結(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)與輕量化的取舍問題。因此，輕量化對舒適度、振動、噪聲、氣動性能以及隔熱等的影響機制將是未來研究的重點和難點。

3 輕量化關(guān)鍵技術(shù)

在滿足高速動車組整體性能要求的前提下，采用更輕、更強、更穩(wěn)定耐候的輕量化材料進行動車組車輛結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減少過冗余設(shè)計，研發(fā)集成化、小型化設(shè)備設(shè)施，是實現(xiàn)高速動車組輕量化的關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 輕量化材料

3.1.1高性能鋁合金

高速動車組車體主要采用6000系鋁合金，5000系鋁合金和7000系鋁合金用量較少。與6000系鋁合金相比，7000系鋁合金具有更高的強度和抗疲勞性能，如表1所示。

表1 6000系和7000系材料性能對比

圖2為采用6000系和7000系鋁合金牽引梁橫截面對比情況。與6000系鋁合金牽引梁相比，7000系鋁合金牽引梁的壁厚減少了2～4 mm，質(zhì)量由74.4 kg降低至68.8 kg，減重7.5%。強度仿真計算結(jié)果表明，6000系鋁合金牽引梁的安全系數(shù)為1.4，7000系鋁合金牽引梁的安全系數(shù)為1.6，二者的安全系數(shù)接近。如果將7000系鋁合金應(yīng)用于枕梁、牽引梁、門立柱、空調(diào)安裝框等主承載部件，整列車預期可實現(xiàn)減重1 000 kg。

3.1.2復合材料

表2為復合材料與金屬材料性能參數(shù)對比。從表2中可以看出，相比于傳統(tǒng)金屬材料，復合材料密度更小，力學性能更加優(yōu)異，拉伸強度更高。此外，復合材料還具有抗疲勞、耐腐蝕、阻尼性能好、抗蠕變、可設(shè)計性強、易于整體成型等諸多優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車和無人機等領(lǐng)域，為高速動車組輕量化提供了先行指導。高速動車組輕量化設(shè)計時，根據(jù)結(jié)構(gòu)技術(shù)要求、材料性能、制造工藝等因素，選擇復合材料的應(yīng)用場景。例如，主承載結(jié)構(gòu)可以采用碳纖維復合材料，次承載結(jié)構(gòu)可以采用玻璃纖維復合材料，抗沖擊要求高的部位可以采用芳綸纖維復合材料。

表2 復合材料與金屬材料性能參數(shù)對比

在軌道交通領(lǐng)域，復合材料的應(yīng)用場景正逐漸從內(nèi)飾、司機室外罩、座椅、設(shè)備艙裙板等非承載結(jié)構(gòu)和次承載結(jié)構(gòu)，擴到車體、構(gòu)架等主承載結(jié)構(gòu)。日本研制了采用CFRP層壓材料疊層結(jié)構(gòu)的輕量化構(gòu)架，構(gòu)架側(cè)梁板厚為16.4 mm，橫梁采用纏繞成型，構(gòu)架自重僅為300 kg，與傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)架相比，減重70%。此外，日本在N700系列車車體結(jié)構(gòu)中采用了大量的CFRP，如車頭、車頂導流罩、車底降噪板、貫通道連接板、裙板等，車體主結(jié)構(gòu)為鋁合金，采用攪拌摩擦焊，較其上一代減重近10 t。德國下一代高速列車AeroLiner 3000車體采用玻璃纖維增強板材(GFK)三明治填充結(jié)構(gòu)和輕金屬結(jié)構(gòu)，與金屬材料結(jié)構(gòu)的質(zhì)量相比，減重30%。

我國復興號動車組車內(nèi)頂板、間壁門板等采用預浸料復合材料，較瓦楞板或鋁蜂窩間壁板減重30%以上，且具有更好的理化性能和耐候性能。對于設(shè)備艙彎梁，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，采用工字形盒梁，同時采用T700級預浸料復合材料，不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且質(zhì)量比傳統(tǒng)鋁合金彎梁降低了50%，如圖3所示。

圖3 設(shè)備艙彎梁與上下邊梁的連接關(guān)系

此外，利用復合材料可設(shè)計性強的優(yōu)點，通過優(yōu)化部件的結(jié)構(gòu)布局和連接節(jié)點等，可以設(shè)計制造出質(zhì)量輕、零部件少的設(shè)備設(shè)施。例如，采用碳纖維復合材料設(shè)計的座椅面板和加強筋，厚度僅為3 mm，與鋁合金座椅相比，可實現(xiàn)減重50%。

3.2 結(jié)構(gòu)輕量化

在保證動車組整體性能要求并滿足一定約束條件下，通過優(yōu)化設(shè)計變量，不僅可以提升結(jié)構(gòu)整體性能，還可以實現(xiàn)動車組輕量化目標[9-11]。結(jié)構(gòu)優(yōu)化手段主要有尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓撲優(yōu)化。結(jié)構(gòu)輕量化對于車體、構(gòu)架等大型承載結(jié)構(gòu)通常可以取得較好的減重效果。

對于車體結(jié)構(gòu)，在保證結(jié)構(gòu)強度、剛度、模態(tài)等關(guān)鍵性能指標的基礎(chǔ)上，通常采用適當降低車輛高度、采用大斷面型材、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等措施有效降低車體質(zhì)量。圖4為某型動車組車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化圖。以既有動車組車體承載結(jié)構(gòu)特征為基礎(chǔ)，結(jié)合車體設(shè)計標準，研究車體結(jié)構(gòu)在縱向、垂向和橫向3個方向下的力流傳遞路徑，構(gòu)造利于三向力流傳遞特征的高負載車體主承載結(jié)構(gòu)方案，優(yōu)化車體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)輕量化目標。復興號CR400型動車組車體通過優(yōu)化車體型材斷面，對型材壁厚、加強筋布置進行合理設(shè)計，在車體長、寬、高均增加的情況下，其質(zhì)量與CRH380B型動車組車體質(zhì)量基本相同。CR400AF/BF型動車組主體結(jié)構(gòu)采用鋁合金材料，車體高度為3 950 mm，其他外輪廓尺寸保持一致。若采用拓撲優(yōu)化手段對車體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，每輛車可實現(xiàn)減重0.4 t。如果局部結(jié)構(gòu)使用高強金屬材料或復合材料，每輛車可實現(xiàn)減重1.0 t。

圖4 某型動車組車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化圖

在轉(zhuǎn)向架方面，日本川崎重工研制了efWING轉(zhuǎn)向架(圖5)，該轉(zhuǎn)向架構(gòu)架側(cè)梁采用碳纖維復合材料，做成弓形的板狀復合材料彈簧，整合了側(cè)梁與一系彈簧的功能，不僅改善了一系懸掛性能，同時降低了轉(zhuǎn)向架質(zhì)量，與金屬側(cè)梁相比，減重約40%[12]。

圖5 efWING轉(zhuǎn)向架

此外，對于強度裕量較大的零部件，增加減重孔、減小材料板厚也是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化的重要措施。

3.3 設(shè)備輕量化

對于牽引變流器等大型關(guān)鍵設(shè)備，通過采用新技術(shù)、新型元器件、輕質(zhì)材料以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等方法，可以實現(xiàn)集成化、小型化、輕量化。例如，復興號京張智能動車組牽引系統(tǒng)采用的主輔一體牽引輔助變流器，采用鋁合金輕量化機箱、無LC諧振支路技術(shù)、中頻輔助技術(shù)等措施，并對電氣部件進行了集成優(yōu)化設(shè)計。與主輔分離式牽引變流器和輔助變流器相比，主輔一體牽引輔助變流器不僅節(jié)省了車下空間，同時降低了質(zhì)量，減重約30%。

對于制動系統(tǒng)，通過優(yōu)化氣動部件結(jié)構(gòu)和布局、取消非必要的功能模塊、優(yōu)化部分控制模塊結(jié)構(gòu)、采用新材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的承載箱體、采用電子控制單元板卡功能集成和布局優(yōu)化的小型化電子機箱等措施可以實現(xiàn)輕量化。例如，制動夾鉗質(zhì)量為67.8 kg，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后減重27.3%，質(zhì)量僅為49.3 kg，如圖6所示。

圖6 制動夾鉗輕量化

4 結(jié)論及展望

目前，我國高速鐵路蓬勃發(fā)展，高速動車組輕量化水平不斷提升。隨著輕量化材料、結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)、設(shè)備輕量化等輕量化技術(shù)的發(fā)展，我國高速動車組已基本實現(xiàn)了內(nèi)飾、裙板等非承載結(jié)構(gòu)的輕量化，正在逐步開展車體、轉(zhuǎn)向架、牽引變流器等主承載結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵設(shè)備的輕量化研究，并取得了一定成果。值得注意的是，隨著高速動車組運行速度和智能化水平的提升，輕量化與高速動車組綜合性能的矛盾日益突出。因此，從系統(tǒng)工程的角度出發(fā)，研究輕量化與結(jié)構(gòu)安全、乘坐舒適性等性能指標的關(guān)聯(lián)關(guān)系，提出科學合理的輕量化設(shè)計評價體系，將是未來輕量化研究的重點和難點。