懸掛式單軌車車體結構輕量化措施探討

杜彥品,廖 平,鄧 銳

(中車南京浦鎮車輛有限公司,江蘇 南京 210031)

0 引言

隨著我國城市化進程加快,特大型城市和大中型城市相繼出現交通擁堵、環境污染和資源浪費等問題。城市建設規模的急劇擴大,致使城市地面道路容量與道路需求之間的矛盾日益加劇,地面交通資源供給嚴重不足,地下交通發展受限。于是,人們將交通發展的目標投向空中,懸掛式單軌車因而逐漸進入人們的視野,其在某些適用條件下具有特殊的優越性[1]。

懸掛式單軌車是一種設計理念先進、技術成熟的交通工具,被譽為未來城市快速交通方式的重要代表之一。懸掛式單軌車車體輕量化是在保證車體強度及安全的前提下,盡可能降低車體的重量。通過對懸掛式單軌車車體進行輕量化設計,可以提高列車的安全性和運行平穩性,提升列車的運行速度,降低噪聲和運行能耗。不僅如此,車體重量降低后,車輛行駛的阻力減小,對膠輪的磨耗也進一步減少,進而節約了運營和維護成本。很多專家和學者對車體輕量化進行了大量研究。文獻[2-3]研究了懸掛式單軌車的車體強度工況及分析,車體采用鋁合金車體。文獻[4]研究了一種新型的鋁合金牽枕緩結構,減輕了車體重量。文獻[5]研究了跨坐式單軌車輛鋁合金車體采用結構尺寸優化方法優化構件的板厚,以達到減重的目標。文獻[6-8]研究了鋁合金車體的輕量化方案,采用基于靈敏度的數值分析方法,優化型材板厚。文獻[9]研究了鋁合金車體型材輕量化的設計方法,因受均布載荷的鋁型材兩側固定部分筋板應力高于中間位置筋板應力,故將中間部分筋板厚度設計小一些,以減輕車體重量。文獻[10-11]研究了復合材料和鋁合金混合結構的動車組車體輕量化方案,司機室采用碳纖維復合材料,取得明顯的減重效果。文獻[12]研究了采用鋁合金型材和三明治泡沫夾層板相結合的磁浮列車車體輕量化設計。

在以上研究的基礎上,本文主要針對懸掛式單軌車,探討車體輕量化的有效措施。

1 國內外懸掛車車體發展現狀

1.1 國外懸掛車車體發展現狀

1901年,世界第一條現代化的懸掛式單軌交通在德國西部城市烏帕塔爾建成,該懸掛單軌車車體采用鋼骨架和木板結構[13]。2001年,烏帕塔爾線車體的木板換成了纖維增強塑料[14]。1984年多特蒙德大學開始建造無人駕駛高空懸掛單軌車,車體采用鋁合金材料[15]。1950年,日本開始研究懸掛單軌交通,東京上野單軌40型車輛車體采用鋁合金制造[16],湘南線單軌5000系車輛采用鋁合金車體結構,千葉線單軌1000系車輛在湘南線基礎上開展車體輕量化設計[17]。

1.2 國內懸掛車車體發展現狀

2016年9月10日,我國首列懸掛式單軌列車(簡稱“熊貓列車”)在南京正式下線,該車體采用輕量化鋁合金骨架加復合材料蒙皮結構[18],大大減輕了車體的重量。2017年,中車四方股份公司研制了可實現3～5輛靈活編組的懸掛式單軌車輛。該車車體采用輕量化鋁合金骨架加外蒙皮結構。2019年,中鐵科工集團聯合西南交通大學設計的“新時代”號懸掛車制造完成,該車采用輕量化鋁合金骨架加復合材料蒙皮結構,有效降低了車體承載結構重量。

2 車體結構材料的演變與發展

懸掛式單軌車車體結構采用骨架加蒙皮的方案從1901年一直沿用至今。隨著科學技術的發展,車體材料也由最開始的鋼骨架加木板蒙皮結構發展到輕量化鋁合金加復合材料蒙皮結構。懸掛式單軌車車體材料的發展過程如圖1所示。

圖1 懸掛式單軌車車體材料的演變過程

3 懸掛式單軌車體

懸掛式單軌車的車體結構主要由車頂、底架、側墻、端墻和司機室骨架5個部分組成,如圖2所示。

圖2 懸掛式單軌車車體結構

傳統跨坐式單軌車的轉向架、大部分電氣設備以及乘客均由底架承載,所以底架是車體結構的主要承載結構部件,其車頂、側墻為非主要承載結構部件。而懸掛式單軌車的軌道梁位于車體上方,所以轉向架和大部分電氣設備由車頂承載,乘客和車內設備由底架承載,車頂和底架通過側墻連接,其主要承載結構部件轉變為車頂、底架和側墻。每一部件的重量減少對整車輕量化都具有重要意義。

4 懸掛式單軌車車體輕量化措施

本節從懸掛式單軌車的車頂、側墻、底架和端墻4個部件進行輕量化分析。

4.1 車頂結構輕量化

懸掛式單軌車的車頂主要由車頂邊梁、牽枕緩結構、頂蓋以及車頂設備安裝座組成。

4.1.1車頂邊梁輕量化

車頂邊梁是牽枕緩結構、頂蓋以及車頂其他部件的安裝基礎,也是連接側墻的關鍵部位。目前懸掛式單軌車的車頂邊梁大部分呈“ㄏ”型,具體如圖3所示。

圖3 車頂邊梁截面

車頂邊梁從斷面看主要分為上、下2個部分,上半部分主要作為牽枕緩結構和頂蓋的安裝基礎,下半部分主要用于與側墻立柱的連接,上半部分的C型槽主要用于車頂設備和車門的安裝。車頂邊梁質量占整個車頂總質量的35%～45%左右,所以車頂邊梁的型材厚度和內部筋板布置對車頂輕量化具有重大意義。

目前對型材筋板厚度的參數優化技術已經很成熟,在車體設計完成后可采用OPTISTRUCT對車頂邊梁的型材厚度進行優化設計,在滿足各種工況的要求下盡可能減少型材厚度;但是對于車頂邊梁這種復雜結構的內部筋板布置的設計方法和拓撲優化技術還不太成熟,主要依靠經驗進行設計。合理的筋板布置方式是減少型材厚度的重要前提條件,在對車頂邊梁內部筋板布置進行設計時主要注意以下兩點:

(1)筋板與型材外輪廓相交處的設計:筋板與型材外輪廓的相交型式主要有以下3種,具體如圖4所示。

圖4 型材外輪廓與筋板相交型式

型式1是兩條筋板中線與外輪廓內壁相交;型式2是兩條筋板中線與外輪廓中線相交;型式3是兩條筋板中線與外輪廓外壁相交。3種型式都能很好地傳遞力流,其中型式2的力流傳遞效果最好,但是考慮到筋板與筋板之間、筋板與外輪廓之間的圓角大小,采用型式3的筋板布置有利于輕量化。

(2)筋板的設計要兼顧C型槽的位置:邊梁內部筋板盡量與C型槽根部相接,如圖5所示,這樣可以增加C型槽強度,更好地傳力。

圖5 C型槽筋板連接

4.1.2牽枕緩輕量化

枕梁是連接車體與轉向架并傳遞垂向、縱向和橫向載荷的關鍵部件,其質量占整個牽枕緩結構質量的50%以上,故枕梁的輕量化對于降低質量尤為重要,本節重點闡述枕梁的輕量化方案。

枕梁的尺寸和結構形式主要由轉向架決定,目前懸掛車的轉向架主要有德國的H-Bahn轉向架和日本的SAFEGE轉向架兩大類[19],如圖6和圖7所示。

圖6 德國H-Bahn轉向架

圖7 日本SAFEGE轉向架

德國H-Bahn轉向架的空氣彈簧位于懸吊梁上,由于空氣彈簧體積的限制,懸吊梁縱向跨度較大,導致枕梁在縱向的長度較長,大幅度增加枕梁重量;若轉向架采用體積較小的空氣彈簧,可以減少枕梁內的筋板數量,從而減少枕梁的重量。

而日本SAFEGE轉向架的空氣彈簧位于軌道梁內,懸吊梁的體積相對較小,可以減少枕梁在縱向上的長度,大幅降低枕梁重量。

4.1.3頂蓋輕量化

頂蓋結構設計主要考慮密封性、自承載結構的強度和剛度以及與車頂邊梁、枕梁的連接形式[20]。目前懸掛式單軌車的頂蓋主要有鋁合金擠壓型材頂蓋、復合材料頂蓋以及板梁結構頂蓋3種型式。

鋁合金擠壓型材頂蓋由通長的中空鋁合金擠壓型材插接拼焊而成,如圖8所示。頂蓋與車頂邊梁、枕梁之間采用搭接形式焊接在一起,在安裝時有充裕的調整余量,有良好的工藝性和密封性。

圖8 擠壓型材頂蓋

復合材料頂蓋主要由輕質高強度泡沫芯材和上、下面板復合而成,如圖9所示。相較于鋁合金擠壓型材,復合材料頂蓋能減重15%～20%左右。復合材料頂蓋通過膠黏和鉚接與車頂邊梁和枕梁連接在一起。

板梁結構頂蓋采用復合材料蓋板,通過膠接黏在車頂邊梁、枕梁和橫梁上,如圖10所示,能夠大幅減少頂蓋重量。

圖10 板梁結構車頂蓋

不同型式的頂蓋各有優劣,但從輕量化角度來看,板梁結構頂蓋重量最輕,復合材料頂蓋次之,鋁合金擠壓型材頂蓋最重。

4.2 側墻結構輕量化

懸掛式單軌車的側墻主要由立柱和橫梁組成。立柱承受來自底架的全部垂向載荷并保證在各種工況下車體變形滿足設計要求。橫梁主要是用于座椅、車窗以及車內電氣設備柜體的安裝。立柱的截面尺寸主要由車體的強度和剛度決定,在滿足設計要求時盡量減少型材的厚度。另外還可以通過減少零件的數量對側墻結構進行輕量化設計。

如圖11所示,某懸掛車的中部側墻由3根立柱、4根座椅安裝橫梁和4根車窗橫梁組成。橫梁數量過多導致側墻結構復雜且重量較重,通過以下方式可以減少側墻橫梁數量:

圖11 側墻結構圖

(1)采用帶腳撐的座椅可以將座椅安裝橫梁減少至1根。

(2)采用大視野車窗可以使車窗下橫梁與座椅安裝橫梁合二為一,窗上橫梁與車頂邊梁合二為一。

4.3 底架結構輕量化

底架結構主要由側梁、地板和橫梁組成。側梁和橫梁的輕量化方法參考車頂邊梁,本節主要考慮地板輕量化設計。

目前懸掛式單軌車的地板大多數都是采用鋁合金擠壓型材,少數采用框架結構。

鋁合金擠壓型材的筋板布置方式主要有三角形、梯形、矩形3種,從截面橫向變形和整體變形來看,三角形筋板布置方式的變形最小,矩形筋板布置方式的變形最大。因此在對地板進行設計時,采用大角度的梯形筋板布置方式,既可以保證結構穩定,又可以通過減少筋板數目減輕地板的重量,如圖12所示。

圖12 地板型材截面

由于鋁合金擠壓型材的工藝限制,整車地板一般由多塊型材拼焊而成。中間型材的筋板承受載荷較兩側靠近邊梁型材的筋板要小很多,因此在設計地板時,將兩側型材受力較大的筋板設計得厚一些,而中間型材的筋板則可以盡量薄一點,以達到輕量化的目的。

框架結構底架,通過設置多根橫梁和縱梁形成地板骨架,在地板骨架上面安裝復合材料地板或玻璃。采用框架結構底架相較于擠壓型材底架減重幅度不大,若在橫梁和縱梁上面安裝玻璃,則重量會超過擠壓型材結構。但框架結構底架橫梁與側墻立柱以及車頂橫梁形成圓環結構,使車體具有更好的強度和剛度。

4.4 端墻結構輕量化

端墻除了需要滿足車體承載要求的同時,還要保證貫通道的安裝[21],使乘客能在車廂內自由通行。沿車體的縱向方向,端墻不是主要的承載部件,所以擠壓型材一般采用矩形筋板的截面設計,另外在有安裝接口的位置,局部面板進行加厚,如圖13所示,可以滿足車體承載要求和貫通道安裝,同時減輕端墻的重量。

圖13 端墻截面

5 結論

懸掛式單軌列車作為一種高效、快速、環保、舒適的交通工具,對城市發展具有重要的意義。其輕量化的車體結構,對節能減排、減振降噪具有積極的影響。

1)采用空氣彈簧位于軌道梁內的轉向架設計思路,能大幅減少枕梁重量。

2)采用復合材料頂蓋和板梁結構頂蓋均可以有效減少車頂重量。

3)采用帶腳撐的座椅和增加車窗高度尺寸能夠減少側墻橫梁數量,降低側墻重量。

4)地板型材采用大角度梯形筋板布置,能夠降低地板重量。

5)端墻型材采用矩形筋板分布,面板局部加厚的方式,可以在滿足車體承載和貫通道安裝要求的同時,減輕端墻重量。

6)隨著車體輕量化的不斷深入,采用傳統金屬材料的車體減重空間越來越小,需要尋求新型輕質材料,才能更大程度地降低車體重量。碳纖維復合材料是未來軌道交通車輛最具應用前景的新材料;因其具有密度低、比強度和比模量高、耐疲勞和耐腐蝕等多種優勢,在軌道交通車輛上的用量逐漸增加;隨著其技術的發展及成本的不斷降低,日后會成為車體新型材料的首選。采用碳纖維復合材料車體,可大幅度降低車體重量。