第2章-动车组总体技术-2.5动车组轻量化技术

第2章动车组总体技术授课内容2.1动车组关键技术2.2动车组技术参数2.3动车组限界2.4动车组牵引力2.5动车轻量化技术第2章

动车组总体技术2.5动车轻量化技术2.5.1动车组轻量化总体思路2.5.2动车组轻量化技术要求2.5.3动车组轻量化具体措施1.动车组轻量化意义2.动车组车体轻量化3.动车组转向架轻量化4.车内设备及零部件轻量化5.动车组轻量化技术要求6.掌握轻量化具体措施学习知识点学习目标第2章动车组总体技术2.5.1动车组轻量化总体思路第2章动车组总体技术1.车辆轻量化的意义减少材料消耗量，降低成本；减少动力消耗，减少制动时产生的热能和粉尘；减少对轨道线路的压力，减轻线路损耗，降低维修费用；提高运行速度，缩短旅行时间，提高舒适性，间接提高工作效率；车辆轻量化，尤其是簧下质量的减轻，减小轮轨间的作用力，减小噪声，减小环境污染。车体、转向架及内部设备轻量化结构轻量化设计的动车组转向架构架2.5.1动车组轻量化总体思路第2章动车组总体技术2.车辆轻量化的设计原则采用比强度高的材料作为车体结构的承载件。有效地利用材料的强度和刚度保证设计要求。采用变截面的方法(改变结构截面形状)提高结构刚度。采用最少的材料获得最大的刚度和强度。尽量减少独立部件的数量，使用长尺寸构件。这样可以减少焊缝数量，提高焊接自动化水平，保证焊接质量，提高车体结构的抗疲劳强度。必须满足如强度、刚度等技术条件的要求和使用性能。应减少制造和维修费用，降低生产成本。2.5.1动车组轻量化总体思路第2章动车组总体技术3.车辆轻量化的总体思路整车车体轻量化：确保车体强度、刚度的前提下优化车体材料、结构，从而实现车体承载结构的轻量化。转向架轻量化：通过降低转向架轴重、簧间质量、簧下质量等方法实现轻量化。车内设备及零部件轻量化：对动车组车内设备及零部件采用模块化、集成化以及材料轻量化设计，可以使动车组整体轻量化效果显著。铝合金材料中空型材车体基于尺寸变量的轻量化构架吊架轻量化结构2.5.1动车组轻量化总体思路第2章动车组总体技术4.车辆轻量化的案例

结合灵敏度分析、子模型技术、拓扑优化等方法，对车辆车体、转向架、设备吊架等结构进行轻量化设计，实现了结构减重。基于子模型和混合模型的车体实现车体减重4.89%基于尺寸变量的构架轻量化实现转向架减重4.37%结构拓扑的设备吊架轻量化实现制动控制单元吊架减重5.67％2.5.2动车组轻量化技术要求第2章动车组总体技术结构强度和刚度：高速动车组车体轻量化与提高车体强度、刚度的要求存在冲突，车体结构设计需要在满足现代车辆设计标准规定的条件下，对车体强度、刚度、自振频率和轻量化需予以综合协调。振动和噪声控制：除强度、刚度外，轻量化设计可能会引起车体和部件的振动特性变化和车内外噪声水平。温度和环境适应性：轻质材料的使用和结构的轻量化设计需进行高低温测试等相应的环境适应性测试，使列车能在极端温度条件下保持性能稳定，不易受温度变化影响，确保其在高湿度、高盐雾和高紫外线等各种环境条件下的可靠性。制造工艺和成本：采用新型制造工艺进行轻量化设计时，要确保轻量化设计的材料和结构能够适应现有的制造工艺，保证工艺改进方法和技术能实现高效生产。同时，还要确保工艺的可操作性。2.5.3动车组轻量化具体措施第2章动车组总体技术优化梁柱断面；用压型件代替型钢；在满足腐蚀寿命要求的前提下适当减薄构件的壁厚；大断面梁件开减重孔。采用结构优化设计方法，对整个车体进行结构优化设计，使车体各构件仅可能充分发挥各自的承载能力。1.车体结构的轻量化设计经验证明，对耐候钢车体进行合理优化结构设计，重量一般可减轻10%左右。轻量化设计车头结构有限元轻量化结构优化设计轻量化材料车头结构（1）合理的结构设计2.5.3动车组轻量化具体措施第2章动车组总体技术（2）采用新型材料首选铝台金因为铝合金的比重约为钢的1/3。另外，铝合金耐腐蚀能力强．可以省去油漆工序，减轻车辆自重。而且其挤压性能好，可以制成筒型挤压型材整体焊接结构而使车体结构轻量化。与一般钢结构相比，人工费节省约40%，车辆重量减少约30%；其次是不锈钢

由于不锈钢的耐腐性能好，可以不用考虑因为锈蚀而增加金属的厚度；第三种材料是耐候钢最差的材质是碳素钢其自重最大，价格最便宜，抗腐蚀性最差。动车组车体结构材质车体结构重量（t）CRH5铝合金8CRH380BL铝合金7.5CR400BF铝合金7CR450铝合金（大型挤压型材）6（6.5）2.5.3动车组轻量化具体措施第2章动车组总体技术机械力学性能项目含铜耐候钢铝合金A7N01不锈钢301抗拉强度σ/Mpa410～5203401050抗拉屈服极限σ/MPa250280770伸长率/%171010纵向弹性模量E/kg·cm-22.1×1067.2×1052.0×106硬度（HB）约130约100＜380剪切强度/Mpa约3021.556疲劳强度/MPa180～290103430比强度σ/γ低高中等比重γ/g·cm37.852.797.93主要采用含铜耐候钢、铝合金、不锈钢。2.5.3动车组轻量化具体措施第2章动车组总体技术车辆种类结构重量（kg）减重比列（％）钢结构铝结构米兰地铁6700300055东京地铁9540410056西德地铁9500467051瑞士客车9350395057法国市郊车ER153009400610035意大利铁路包车11800620048瑞士KABDE8/12尾本国铁通勤电车9650465048采用铝合金材料后与钢结构车辆重量比较TB/T3260《动车组用铝及铝合金》2.5.3动车组轻量化具体措施第2章动车组总体技术普通碳钢车体为8.6万美元奥氏体不锈钢车体为9.2万美元铝合金车体为12.2万美元制造和维修费用制造成本：普通钢车体1.0不锈钢1.14铝合金1.57（不涂漆）、1.66（涂漆）维修成本：2.5.3动车组轻量化具体措施第2章动车组总体技术项目普通钢结构全不锈钢结构全铝合金构成底架、地板SSSUS(两端SS)Al侧墙、端墙SSSUSAl车顶SSSUSAl重量/t7.06.02.0特性轻量化很差一般标准低重心化差一般标准气密性标准差标准地板下设备防火性良良标准纵向强度良优标准成本初期优良标准检修差良标准以铝合金车体为基准，以车体重量、轻量化、成本等特性指标对三类车体结构作定性比较。2.5.3动车组轻量化具体措施第2章动车组总体技术铝合金车体的三种结构:大型中空挤压铝型材焊接结构采用航空骨架式铝合金车体结构大型中空挤压铝型材与开口型材的混合结构2.5.3动车组轻量化具体措施第2章动车组总体技术采用与车体等长的大型中空挤压型材铝合金车体整体通长铝型材，大幅减少零件数量，提高自动化焊接程度，降低制造成本，提高质量。车体质量轻，从而降低轴重、降低运营成本。隔音效果好，从而提高车内乘车舒适度。双壳结构，提高车体的整体刚性。维护小，寿命周期成本低。防腐性好，可以实现无涂装设计2.5.3动车组轻量化具体措施第2章动车组总体技术2.转向架轻量化设计（1）合理的结构设计优化构架结构；去除摇枕结构；车轮采用小直径车轮和空心轴设计；集成化设计，减少零件数量；优化悬挂系统。图空心车轴图H型构架空心车轴比实心车轴可减轻20%-40%的质量，一般可减轻重60～100kg，甚至更多2.5.3动车组轻量化具体措施第2章动车组总体技术（2）采用新型材料铝台金

在满足强度和耐腐蚀性需求的同时，铝合金显著降低了重量，适合构架和某些簧间、簧下部件中；高强度钢

具有较高的强度和适度的轻量化效果，适用于承载较大负荷的转向架构件；复合材料

碳纤维和碳陶复合材料，轻质耐用，特别适合制动盘等簧下部件，降低重量的同时提高耐磨性和耐热性；碳素钢其自重最大，价格最便宜，抗腐蚀性最差。钛合金

钛合金具有轻质高强度和良好的抗疲劳性，适合要求更高强度与耐用性的转向架组件，如某些关键支撑部件。2.5.3动车组轻量化具体措施第2章动车组总体技术机械力学性能项目碳纤维铝合金A7N01高强度钢Q345D抗拉强度σ/Mpa1000-7000340450-630抗拉屈服极限σ/MPa600280345伸长率/%2.21021纵向弹性模量E/kg·cm-22.1×10127.2×1052.1×106硬度（HB）100-300约100约150比强度σ/γ非常高高高比重γ/g·cm31.5-22.797.85碳纤维、铝合金、高强度钢材料比较2.5.3动车组轻量化具体措施第2章动车组总体技术转向架制造高强度轻质材料材料：60kg级高强度钢、铝合金、钛合金效果：如长客股份在CR450动车组项目中开发的钛合金构架减重达700kg新型弹簧材料材料：采用空气弹簧替代传统钢弹簧，效果：减轻簧间质量并提供更好的减震效果轻质制动材料材料：碳纤维、碳陶复合材料等新型材料制造制动盘和制动摩擦件效果：减轻簧下质量并增强耐用性轻质传动材料材料：齿轮箱壳体使用铝合金或钛合金材料效果：减轻重量的同时提高强度与耐久性2.5.3动车组轻量化具体措施第2章动车组总体技术3.车内设备的轻量化设计（1）合理的结构设计模块化与集成设计简化内装结构优化骨架材料将车体功能以最小体积实现，提高结构集成度，减少车上设备占用空间减少连接构件的使用，降低整体结构质量选用薄壁开口型材或铝板压型件替代散装骨架，以有效降低内装骨架整体质量2.5.3动车组轻量化具体措施第2章动车组总体技术几种典型动车组的应用CRH5座椅、车壁、天花板和行李架采用了轻质铝合金框架。空调使用轻质高效的材料制造外壳和管道。车内电气设备采用了模块化设计，减少了电缆的数量和重量。CRH380BL优化车厢内部设备布局，减少不必要的支撑结构，并合理配置设备，降低整体设备重量。CR400BF大量使用复合材料来制造车内装饰件和设备支架,采用更轻质的铝合金材料来制造车厢内部扶手和安全装置。CR450采用智能化管理系统和设备整合设计，将多个功能集成到单个模块中，减少了设备数量和重量。2.5.3动车组轻量化具体措施第2章动车组总体技术（2）采用新型材料选用轻便且效果良好的阻尼涂料采用轻合金材料采用高分子工程材料轻质内装饰板优化喷涂材料轻量化隔音隔热材料轻量化电线使用铝合金、镁合金等轻质材料选用高性能塑料和复合材料使用铝板、蜂窝板等轻质材料替代传统玻璃钢作为内装饰板新型材料分子结构2.5.3动车组轻量化具体措施第2章动车组总体技术车内设备如门、窗、行李架、座椅、供水设备、