輕量化技術(shù)在軌道車輛上的應(yīng)用摘要隨著我國(guó)軌道車輛技術(shù)的高速發(fā)展,車輛速度的不斷提高,輕量化技術(shù)的研究迫在眉睫,輕量化技術(shù)的意義在于:提高車輛運(yùn)行速度,節(jié)約能源;提高動(dòng)加速車輛啟度和制動(dòng)減速度;減少車輛對(duì)線路的沖擊,減輕線路維護(hù)的工作量;降低車輛制造成本;輕量化技術(shù)己成為車輛設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容,并且有廣闊的應(yīng)用前景。本文從詳細(xì)的闡述了輕量化技術(shù)在車輛結(jié)構(gòu)和車輛材料上的應(yīng)用。關(guān)鍵詞軌道車輛輕量化技術(shù)結(jié)構(gòu)材料

目錄摘

要第一章緒論第二章車輛輕量化的意義第三章輕量化技術(shù)在車輛上的應(yīng)用3.1車輛結(jié)構(gòu)輕量化的必要性3.2車輛結(jié)構(gòu)輕量化的途徑第四章輕量化技術(shù)在車輛材料上的應(yīng)用4.1車體材料4.2轉(zhuǎn)向架材料4.3新一代變流元器件材料SiC4.4內(nèi)裝材料4.5風(fēng)道材料4.6地板材料第五章總結(jié)參考文獻(xiàn)

第一章緒論車輛的輕量化主要包括車體體積的輕量化,內(nèi)裝的輕量化、設(shè)備的輕量化和轉(zhuǎn)向架的輕量化。車體的自身重量在車輛中占據(jù)著非常大的比例,一般可達(dá)到車輛全身自重的30%左右,降低車體本身的重量是實(shí)現(xiàn)車輛輕量化的主要方向,這就是實(shí)現(xiàn)車輛輕量化的基礎(chǔ)和必要前提。車輛的輕量化并不單單泛指車體上所采用的輕合金化,而是應(yīng)從對(duì)車體整體結(jié)構(gòu)的改善,采用輕質(zhì)材料(其中包括復(fù)合物)這幾種途徑來(lái)加以考慮。第二章車輛輕量化的意義根據(jù)目前我國(guó)的實(shí)際和國(guó)情,碳鋼車體由于具有制造費(fèi)用低和容易維護(hù),成熟的安裝檢修管理體制以及更高的使用壽命等優(yōu)點(diǎn),在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)都將會(huì)持續(xù)生產(chǎn),而且200公里每小時(shí)的速度限制等級(jí)以下將會(huì)占到非常大的比重,因此,車體的輕量化設(shè)計(jì)始終是技術(shù)研究的方向。(1)車輛輕量化對(duì)鐵路客車速度的提高起著關(guān)鍵的作用。列車運(yùn)行時(shí)的總走行阻力為：W+Cv2式中:R——總運(yùn)行阻力；a、b、C——常數(shù)；v——運(yùn)行速度；W——列車重量；Cv2——空氣阻力由上式我們可知,空氣阻力和車輛負(fù)荷重量均無(wú)關(guān),其它阻力和車輛負(fù)荷重量之間呈現(xiàn)成正比即可看出,降低車輛的自重是進(jìn)一步提高運(yùn)營(yíng)速度、實(shí)現(xiàn)最有效和經(jīng)濟(jì)性的一種措施。(2)車輛的輕量化對(duì)節(jié)能具有明顯的經(jīng)濟(jì)效果(3)車輛的輕量化可降低車輛制造成本(4)車輛的輕量化可提高車輛啟動(dòng)加速度與制動(dòng)減速度(5)車輛的輕量化對(duì)線路的影響綜上所述，車輛輕量化技術(shù)應(yīng)用己成為車輛總體設(shè)計(jì)研究的一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容，并且車輛輕量化技術(shù)有著廣闊的發(fā)展前途和應(yīng)用前景。第三章輕量化技術(shù)在車輛結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用3.1車輛結(jié)構(gòu)輕量化的必要性車輛能耗涉及到許多因素，其中相當(dāng)比例能耗與車輛質(zhì)量有關(guān)，具體數(shù)值隨車輛型式和運(yùn)營(yíng)速度不同而不同，運(yùn)營(yíng)速度越低，該比例值則越大。瑞典研究人員E．Andersson等的研究表明，X2000高速列車約25％的能耗與車輛質(zhì)量有關(guān)。車體結(jié)構(gòu)是車輛體系中的一個(gè)重大部件，因此，減小車體結(jié)構(gòu)質(zhì)量可有效降低車輛質(zhì)量。此外，減小車體結(jié)構(gòu)質(zhì)量，還可以減小對(duì)相應(yīng)設(shè)備的能力需求，使得這些設(shè)備也可以輕量化，從而可以進(jìn)一步減小車輛質(zhì)量和降低車輛能耗。3.2車輛結(jié)構(gòu)輕量化的途徑近年以來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)車體的結(jié)構(gòu)的優(yōu)化途徑分三種：第一種是對(duì)車體板材的厚度尺寸進(jìn)行優(yōu)化；第二種是對(duì)車體某些零部件的形狀和參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)合理的調(diào)整優(yōu)化；第三種是對(duì)車體某些零部件進(jìn)行修改優(yōu)化或者以更合適的新型結(jié)構(gòu)替代原有結(jié)構(gòu)以達(dá)到優(yōu)化目的。鄭若瑜應(yīng)用超單元法對(duì)某車型的車體結(jié)構(gòu)分為9部分進(jìn)行優(yōu)化分析，最終減輕13.45%的重量，達(dá)到輕量化的目的。賀小龍應(yīng)用BOX-behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，采用6種優(yōu)化方案優(yōu)化車體結(jié)構(gòu)尺寸，相對(duì)于優(yōu)化前，車體減重168.93kg，達(dá)到輕量化的目的。綜合近年國(guó)內(nèi)外關(guān)于車體結(jié)構(gòu)輕量化的設(shè)計(jì)研究來(lái)看，大多數(shù)的研究都不同程度上取得了輕量化的效果。第四章輕量化技術(shù)在車輛材料上的應(yīng)用4.1車體材料車體是軌道車輛最基本的系統(tǒng)之一，起承載作用。在滿足車體必要的強(qiáng)度條件和剛度條件的情況下，減少車輛自身重量是車輛輕量化技術(shù)的重要研究方向。有研究表明車體自身重量占車輛重量的30%左右，所以減少車輛車體自身重量對(duì)輕量化有著很明顯的效果。目前常用車體強(qiáng)度要求的標(biāo)準(zhǔn)主要有EN12663—2010《鐵路車輛車體結(jié)構(gòu)要求》、GB/T7928—2003《地鐵車輛通用技術(shù)條件》及JISE7106—2006《鐵路機(jī)車車輛客室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通則》，但是這三種標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車輛的載荷要求不是完全一樣。在保證標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度不降低的同時(shí)，采用新型復(fù)合材料來(lái)實(shí)現(xiàn)減輕車輛自身重量成為輕量化技術(shù)的重要研究方向。4.2轉(zhuǎn)向架材料軌道車輛轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)主要包括構(gòu)架、驅(qū)動(dòng)單元、輪對(duì)軸箱、懸掛系統(tǒng)等。輕量化技術(shù)應(yīng)用主要集中在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的材料和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及設(shè)備的布局優(yōu)化等。目前，國(guó)外已成功把構(gòu)架從傳統(tǒng)焊接結(jié)構(gòu)改造為一種碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，能夠使其減重40％以上，有著明顯輕量化效果。4.3新一代變流元器件材料SiC目前軌道車輛的主流變流元器為IGBT元器件，因?yàn)樗邆鋵?shí)現(xiàn)大功率、高頻等功能的優(yōu)點(diǎn)。最新變流技術(shù)選用SiC取代單晶硅作為變流器的主要材料，由于SiC制造的變流元器件具備體積小、質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)，所以選用SiC的變流器箱體比采用單晶硅的變流器箱體體積要減少一些，并且重量減輕約30%。目前，SiC正在被廣泛應(yīng)用于軌道車輛的變流器上，并且具備遠(yuǎn)大的發(fā)展?jié)摿Α?.4內(nèi)裝材料隨著制造工藝和材料科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，漸漸采用綜合性能更優(yōu)的玻璃纖維增強(qiáng)材料替代不銹鋼、鋁合金作為內(nèi)裝主要材料。再隨著輕量化技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，將傳統(tǒng)內(nèi)裝部件結(jié)構(gòu)更換為輕型夾層三明治結(jié)構(gòu)及純碳纖維加筋板材等結(jié)構(gòu)，在保證內(nèi)裝剛度滿足要求的同時(shí)，減輕自身重量，達(dá)到輕量化目的。4.5風(fēng)道材料新一代輕量化復(fù)合材料風(fēng)道密度比傳統(tǒng)鋁合金板密度輕三分之一左右，傳統(tǒng)鋁合金風(fēng)道板需要在外側(cè)包裹保溫層而新一代復(fù)合材料風(fēng)道無(wú)需包裹保溫層。因此，結(jié)合復(fù)合材料的特效，實(shí)現(xiàn)功能和結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化風(fēng)道結(jié)構(gòu)的同時(shí)降低整體風(fēng)道系統(tǒng)的重量，以達(dá)到輕量化的目的。4.6地板材料傳統(tǒng)的雙層地板結(jié)構(gòu)是在車體地板基礎(chǔ)上鋪設(shè)一層鋁蜂窩板，保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求下，鋁蜂窩板中會(huì)有復(fù)雜的加強(qiáng)筋骨架結(jié)構(gòu)，使得地板重量增加。而在鋁蜂窩板中裝新一代的復(fù)合材料替代加強(qiáng)筋骨架結(jié)構(gòu)，其密度至少降低了四分之一。第五章總結(jié)輕量化技術(shù)主要應(yīng)用在車輛的兩個(gè)方面：采用輕量化材料作為車輛主要材料，使用輕量化材料是減輕車體質(zhì)量的重要途徑。2.針對(duì)車輛結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，車輛結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)是減輕重量的有效措施：(1)車輛各系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行合理布局，使車體均勻承載和保持平衡。(2)以彈性懸掛的方法來(lái)吊掛重量比較大的車輛系統(tǒng)設(shè)備。(3)盡量以挨著車體端部或靠近車體中央為原則作為車門開門位置，且開門位置不能靠近轉(zhuǎn)向架布置.(4)車體梁柱合理布置，保證盡可能多的橫梁、側(cè)墻立柱和車頂彎梁形成一個(gè)整體環(huán)形結(jié)構(gòu)，以此提高車體結(jié)構(gòu)的剛度；(5)通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和圓滑過(guò)渡避免出現(xiàn)局部應(yīng)力集中現(xiàn)象；(6)底架橫梁合理開設(shè)減重孔；參考文獻(xiàn)[1]

李墨林．基于輕量化與模塊化的鋁合金車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［D］．大連：大連理工大學(xué)，2015.[2]EN12663—2010鐵路車輛車體結(jié)構(gòu)要求［S］．[3]GB/T7928—2003地鐵車輛通用技術(shù)條件［S］．[4]丁叁叁，田愛琴，王建