高速动车组铝合金车体结构优化

姚瑞明 郭威 王琰

中车唐山机车车辆有限公司

摘要：铝合金型材车体已成为高速动车组的主体结构。与传统的铁路客车车体结构不同，高速动车组铝合金车体的垂直底座放置在与转向架相连的基础梁上，因此车体的垂直载荷必须通过基础梁传递到转向架支撑位置。车身后部的垂直张力和压力载荷通过底盘前部传递到底盘，一侧通过横梁传递到侧壁，这对车身底盘横梁、底板和侧壁的结构设计提出了更高的要求。

关键词：高速动车组；铝合金车体；车体结构优化

高速动车组材质优化可以有效降低牵引能力。以及减少噪声和提高行驶安全性。所以,基本上所有国际先进的高速动车组都使用铝合金做车身材质。目前,由于高速动车组车体材料主要是由我国自己研制,因此和普通的钢质车身结构材料存在着较大差别。当明确了普通钢板体的主要参数、厚度和承载能力之后,还需要经过工程设计技术人员的运用经验或现场装置的检测后,才能明确梁的直径、流量和厚度以及柱的位置。因此，在对传统钢结构车身进行优化时，主要内容是板厚和柱截面，这是一种比较成熟的切割优化。铝合金机身采用双筒结构，采用挤压材料焊接而成。在确定铝合金车身结构的主要参数后，充分考虑了每个肋板的厚度、型材肋板的布置、型材双板之间的距离等。

一、铝合金车体结构特殊性

为了适应不同作业路线的要求,铝合金车身的主体部分开口也很多。因此,为满足城市内多站、短距离、大人流的需要,铝合金地铁的侧门入口的数量和规格也很多。此外,由于城际动车和高速动车组的市际乘客区和侧门都比较小。虽然二种边门进口的数量基本相当,但从其进入直径和位置考虑,高速动车组车体边门的进口较小,且置于后底座末端的停车坪上,可以明显增加刚度。而城际动车组的车体边门因为远离后车轮底座,所以刚性也就比较薄弱。因此城际动车组和高速铝合金地铁车顶有二种空调设置区。城市地铁车顶的空调调节区较大,而高速动车组的车顶空调调节区极小。

二、优化车体结构

车体构造优化的基本理念是在符合使用条件和安全性要求的条件下,使结构构件重量最小。因此铝合金车身构造的优化变量主要考虑了钢板厚度、上下钢板间隙(挤压材料厚度)以及筋板布置等三因素。系统的电压、位移和固有频率都被认为是主要影响因素。在符合结构强度、刚性和振动特性等条件的基础上,使结构最易于实现质量。在优化这一主要的工程构件时,有三个难点直接影响着其发展与使用情况。①铝合金车身结构优化变量分为以下几个层面。它们属于三种不同的类型:曲面优化、形状优化和拓扑优化,各个阶段的变量间具有强烈耦合。一旦采取了分步优选或者班次优化措施,将出现重大错误,甚至失去实际意义。②是大型结构和多因素(工程设计中的离散型)。但由于优化方法的质量较低,因此收敛十分困难。甚至根本无法收敛。根据以上的介绍。基于遗传算法的铝合金车身优化方法,具备了以下三个优点。①它的主要优点就是把所有决策变量都编码成操作对象。它能够达到同时选择几个变量的要求。②遗传算法不要求问题导数,忠于问题的可凸性,能够在全局状态下直接得到全局最优解。③所有基本因子都是离散的。它满足了车体结构设计的主要优点,可以适应铝合金车体结构优化的主要要求。

三、动车组铝合金车体制作技术

3.1车体加工技术

在现代铝合金动车的生产流程中,将大型零件与侧车身成为一整体进行加工。因为铝合金材质的热膨胀系数很大,所以整个加工过程中对工艺要求比较高。在实际加工过程中,为了提高准确度,大型零部件和侧体一般由大功率的五轴联合数控机床加工,精确度一般为0.001mm,且偏差范围很小。采用整体加工方法，避免了装配焊接的应力和变形。用起重机吊起整个身体，用徕卡测量仪根据身体的称重结果测量身体高度，根据测量值调整身体高度，然后用专用机床将其引导到身体下方，以平衡身体重心。

3.2铝合金车体焊接技术

铝合金车体具有重量轻、耐腐蚀性高、隔音效果好、制造工艺简单等优点。我国越来越多的动车组车体开始采用这种大型空心铝型材进行焊接，焊接技术也随着动车组在我国的发展而不断更新。从目前的技术水平来看，铝合金自动熔焊在国内外轨道车辆生产企业中的应用相对简单。许多公司采用双枪单丝自动焊接工艺，其他焊接方法没有得到广泛应用。例如，在控制焊接的对称变形时，通常不使用单枪焊接工艺；如果焊接工艺困难，有时也会采用双丝焊接工艺。因此，在实际焊接工作中，铝合金的材料变形相对较好，焊接热传导速度也相对较高，工件质量相对较轻。这些特性为焊接工艺提供了良好的理论基础。因此，合理科学地利用铝合金的性能；在焊接阶段，尽量控制材料的变形程度和质量问题。

3.3空间尺寸测技术

精确测定车体及其部分的长度与轮廓是确定动车品质的关键因素。通过三维房间尺寸检测技术,可以实时自动检测动车车体数据。因此,针对动车的三维结构识别问题,可采用激光跟踪技术测定目标的实际长度,然后投射在坐标系中,并与理论的长度相符,以便于计量误差和分析零件结构的精确度。另外,动车车体的直径、宽度、扭转、平整度和与其他尺寸的相对位移,也可用空间计测定。

四、轻量化车体结构研究的必要性

高速动车组也是中国高铁系统的关键移动装置。车体总重与性能的改进,是中国国内在高铁科技领域不断深入研究与解决的关键课题之一。高速动车组技术涉及了系统集成、铝合金车身、转向架、空气制动系统与内部构造等核心技术与重要的基础关键技术。每项技术创新,以及相关车辆体系的轻量化和性能改善,对我国高速铁路列车的总重量及其车辆性能的提高,都有重大影响。而轻质造技术体系则与t型优化、材料革新,及其先进的制造技术体系密切相关。对高速动车组制造技术系统的构造优化、性能提升、材料革新以及对先进制造技术体系的突破和掌握,是正确把握高速动车组核心材料和关键装配工艺技术的关键保障。而实现车辆轻量化又能够减少原材料耗费,降低车辆生产成本。同时节约牵引力,降低了列车的运营成本。所以,车体构造不但应该具备比机体EMU的强度和刚性,还应该达到比机体EMU更大的重量。

五、结束语

与CRH系列动车组车体的平均墙体与自我尊重相比,动车组车体的轻负荷与最大承载能力都减少了约百分之八,且所有整车技术指标都达到了有关标准的规定。不同需求的各单位的实际使用情况对车身结构提出了不同的要求,虽然车身结构也可以根据需求特点和实际情况进行适当调整。只要材质与构造合理协调,构造简单,最合理的应力分配和最小重量就是城际动车组车体设计所遵循的准则。

参考文献：

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[2]吕海磊. 高速动车组铝合金车体结构优化策略分析[J]. 中国化工贸易, 2018, 010(017):219.

[3]李陆星. 高速动车组铝合金车体设计方法分析[J]. 科研, 2016, 000(005):P.191-191.