1、1新型轻量化行李架研究摘 要 随着列车提速，列车轻量化一直是对设计人员提出的更高的要求，列车减重对提高车辆运行速度和节能降耗起着关键的作用。文章以动车组行李架为例，详细阐述轻量化行李架研究过程。从对比典型材料性能开始，辅助必要的仿真计算，历经载荷、冲击、振动等一系列验证试验，择优选取材料研制轻量化行李架，实现动车组用轻量化行李架优化目的。 关键词 高速动车组；轻量化行李架；结构仿真；验证试验 作者简介 牟少弟，南车青岛四方机车车辆股份有限公司工程师，山东 青岛，266111；李智国，南车青岛四方机车车辆股份有限公司高级工程师，山东 青岛，266111；李乐营，南车青岛四方机车车辆股份有限公司工
2、程师，山东 青岛，266111 中图分类号 U270.38+8 文献标识码 A 文章编号 1007-7723（2012）12-0013-0004 对于高速列车来说，阻力主要来自于机械摩擦和空气阻力，而机械摩擦阻力除了与摩擦系数有关，还和列车质量有关。因此，减小列车质量可以减小运行中的机械阻力，达到提高牵引加速能力和节能的目的；还可以减小运行过程中的轮轨相互作用，改善相关零部件的服役条件。正因为如此，高速列车轻量化设计已经成为高速列车的关键技术之一。车内行李架约占客车总质量的 1%，轻量化具有重要意义。本文主要针对2行李架的轻量化进行研究，主要通过新材料的应用，在保证其性能的前提下，在高速列车内
3、饰产品轻量化方面进行应用性深入研究。 一、研究目标 现有动车组的行李架均为框架加隔板结构，行李架作为内装产品中的重要组成部分，在保证其性能的前提条件下，通过改变隔板材质来实现轻量化，对整车减重具有十分重要的意义。本文主要对现有动车组用行李架进行轻量化优化开发，主要目的有：通过引进新材料：超薄玻璃和 PC 板，在保证产品使用性能的前提下，实现行李架设计轻量化，单位面密度降低 3kg 以上。 二、方法及流程 轻量化行李架研究主要从材料入手，首先确定对比方案，进行重量对比，然后通过仿真计算、地面试验等手段，确保行李架在实现轻量化的同时，保证其功能、性能满足设计要求，保证高速列车安全可靠运营。行李架设
4、计要求主要包括：行李物品搁放功能、行李架强度性能、行李架表面耐磨性能及行李架材料防火性能等。由于本文轻量化行李架研究主要从材料入手，行李架功能、性能分析及验证主要从行李架强度、行李架表面耐磨性能及行李架防火性能方面进行重点分析。主要流程如下： （1）确定行李架轻量化设计对比方案； （2）材料耐磨及防火性能分析及验证； （3）通过仿真分析筛选，并通过静载及随机振动、冲击、极限承载3等试验验证行李架设计方案。 三、轻量化行李架研究过程 （一）行李架轻量化设计方案 行李架重量主要包括承载机构及隔板结构，本文主要对行李架隔板结构进行优化，对行李架进行轻量化设计，主要体现在对玻璃隔板结构和材料的优化。
5、现有动车组行李架隔板是夹胶玻璃，共有两种，弧形夹胶玻璃：4mm玻璃+1.52 胶膜+4mm 玻璃；平板夹胶玻璃：4mm 玻璃+0.76 胶膜+3mm 玻璃。弧形玻璃行李架主要是整车美工效果特殊要求，它可以增大刚度，但价格较平面玻璃贵，目前多采用平板方案。经对比分析，初步确定三个方案：方案一：超薄玻璃，采用 3mm 玻璃+2mm 胶膜+2mm 玻璃；方案二：采用 10mmPC 板新材料；方案三：采用 8mmPC 板新材料，其重量对比见下表1： （二）材料耐磨及防火性能 1. 材料防火性能 根据高速列车设计统一要求，任何材料需满足防火要求，夹胶玻璃及 PC 方案均具有很好的防火性能，均满足 DIN
6、5510 相关要求，即满足设计要求。 2. 材料耐磨性能 考虑行李架的使用方式，所选取材料需满足表面硬度及耐磨要求，夹胶玻璃和 PC 板材料均满足要求。 （三）行李架强度分析 4采用仿真计算及试验验证方式对超薄玻璃和 PC 板的性能进行验证，主要项目包括结构强度仿真分析、静载试验、随机振动、冲击、极限承载试验验证等。 为确保实验顺利进行，下述前期试验中均采用 10mm 厚 PC 板进行试验，若前期试验未对行李架产生破坏，则在极限承载的破坏性试验中采用 8mm 厚的 PC 板进行，即可全面验证本文中所有方案的适用情况。 1. 结构强度仿真分析 载荷：行李架均布载荷 1000N/m+850N 集中
7、力。 方案一：超薄玻璃结构仿真计算 结构强度仿真计算结果为：玻璃隔板为 3+2+2 结构，中部形变最大为 92.75mm，前型材存在部分屈服状态。 方案二：PC 隔板结构强度仿真计算 结构强度仿真计算结果为：PC 板（10mm 厚）行李架中部最大变形为25.8mm。 对比结论表明，超薄玻璃结构行李架变形量较大，且前型材已存在部分屈服状态，不满足要求，PC 板行李架未存在屈服状态，且变形量较小，满足要求。 2. 静载试验验证 静载试验为行李架承载力验证的基础，如果行李架没有通过静载试验验证，则无须在进行其他试验。 按照 UIC 566-1990客车车体及其部件的载荷（第 3 版）OR试验标准进行
8、对比试验测试。 5试验方法及要求：行李架装车后在行李架上施加 1000N/m 的均布载荷并在前端任意位置施加 850N 集中载荷；合格条件为行李架无永久性变形或损坏。 （1）方案一（超薄玻璃隔板） 试验结论： 从超薄玻璃隔板的行李架静载数据上分析，同仿真分析结果一样，行李架已发生永久变形，无须再进行其他试验，因此更换为 PC 板隔板进行行李架的长寿命随机振动及冲击试验。 （2）方案二（PC 隔板） 试验结论： 从以上数据分析厚 10mm 的 PC 隔板满足行李架静载强度要求；与仿真分析结果吻合。 3. 长寿命随机振动及冲击试验 按照 JIS E 4031-1994 铁道车辆部件-振动试验方法试
9、验标准进行长寿命随机振动及冲击试验。 试验方法： 长寿命随机振动： PC 隔板行李架均布载荷 1000N/m（超薄玻璃均布载 500N/m） ，按照标准进要求行试验，长寿命随机振动三向加速度分别为垂向：5.9m/s2；横向：2.9m/s2；纵向：3.9m/s2；试验频率f1=5Hz；f2=150Hz；试验时间在三个相互垂直的方向分别做 5h。 冲击试验： PC 隔板行李架均布载荷 1000N/m（超薄玻璃均布载500N/m） ， 垂向峰值加速度 30m/s2，持续时间为 30/ms；横向峰值加速度 30m/s2，持续时间为 30ms；纵向峰值加速度 50m/s2，持续时间为630ms。 合格条
10、件：行李架无永久变形和损坏。 试验数据及结论：PC 隔板行李架试验后没有产生永久变形和损坏。 超薄玻璃行李架试验结束后存在永久变形，数据如下（表 6）： PC 板满足试验要求，超薄玻璃不满足设计要求。 4. 极限承载试验 为进一步验证 PC 隔板强度性能，对 PC 隔板行李架进行了极限承载试验。 试验方法：PC 隔板行李架上放置均布载荷（1000N/m） ，在此基础上逐步增加行李架负载，直至行李架破坏；同时对行李架前型材两端点、中间点及 PC 隔板中间点进行测量。 更换 8mm 厚 PC 隔板，安装到 CRH6 型城际车行李架按照上述试验方法进行了极限承载试验，数据如下（表 7）： 根据试验数
11、据可以看出，行李架型材已经发生了塑性变形，拆分行李架后，PC 板没有任何裂纹和破损。 （四）试验结论 从以上的试验结果可以看出，超薄玻璃不能满足行李架强度要求，PC 隔板满足要求。 四、结论和展望 本课题对高速列车行李架隔板部件在进行轻量化研究方面进行了探讨，通过对新材料和行李架组成进行的相关试验，验证了 PC 隔板在行李架上的适用性。若将现有动车组列车的行李架隔板改成 PC 板，一节车厢7将减重约 130kg，若采用 8 辆编组，则一列车可减重约 1040kg， 那么在高速列车轻量化方面起到积极的作用。 在行李架轻量化方面，除行李架隔板外，在框架方面也可以通过新材料、新工艺等方面进行减重，如使用镁合金等。在满足使用条件的情况下，应尽可能地轻量化。 参考文献 1李强，金新灿.动车组设计M.北京：中国铁道出版社，2008. 2田红旗.列车空气动力学M.北京：中国铁道出版社，2007.
