车体前沿技术及行业发展动态(三)

1. 新产品新技术信息

 双层动车

2019年2月22日,我国首列可变编组动车组在中国中车唐山公司完成全部60余项厂内试验,通过独有的可变编组验证,具备出厂条件。可变编组动车有以下优势:双层座车、大定员纵向卧铺车、商务座车、座卧转换软卧车,如同搭积木一般,在2至16节之间随意变换搭配车厢,单车定员最多提升70%等。据悉,在可变编组动车组新车型中,双层二等座车、双层VIP车、双层餐货和客货合造车等均为双层结构。

图1  可变编组动车组

 

图2  双层车内饰

由于双层客车相对于普通客车容纳铁路乘客的能力更大,于是具有普通客车无法比拟的优点,很受广大铁路用户的欢迎,拥有众多优势:首先双层客车能够满足人流量比较大的运输需求,很好地缓解了客运高峰;其次是铁路客车运输能力的提高减少铁路客车运输的次数,从而间接的形成了对能源的节约;最后是高速双层动车组增加了旅客坐席,这对于新兴的通勤车辆的运输是很重要的;同时双层动车组在座椅一定的情况下,可以使用更少的制动装置、转向架以及其他的一些设施,从另一个侧面节省了材料,降低了维修费用等。鉴于高速双层动车组以上的特点和性能,高速双层动车组必将用于未来城际动车组运输,其运输模式可以采用长编组、较长时间间隔或者短编组、密集发车等形式。

可变编组动车组的双层客车是以我国既有各型动车组技术平台和产品平台为基础,以提高动车组高实用性和性价比为目标,通过系列化模块化、标准化设计制造,开发研制动力相对集中的、可同时满足既有干线铁路和高速客运专线运营条件的新型 250km/h 暨 200km/h 速度级动车组。

该动车组的技术特点综合考虑了既有干线铁路和高速客运专线的技术要求和运营条件,其运用的环境条件、线路条件、供电条件、通信信号设施、运用服务设施、运输组织模式等,可同时满足既有干线铁路和高速客运专线的运营技术要求;采用动力相对集中编组模式,可灵活编组,以降低列车检备率;通过单车备用,可实现头车、动车和中间拖车的故障快捷更换,以提高列车利用率;为满足多元化运用需求,可提供单层和双层车辆、以及硬座、软座、硬卧、软卧等多车种配置方案选择;关键系统技术方案及部件以既有 CRH 系列动车组技术平台为基础,结合实际运用情况进行优化、改进、组合;在制造和高级修程时可大大降低列车调试周期。

 双层客车车体结构组成概述 该高速双层动车组车体的总体尺寸如下:车辆宽度约 3360mm,车辆高度约4433mm,车辆定距约 17800mm,车体的总体长度约25500mm,车钩高度为 880mm,地板高度为 1260mm;车体是由大型中空挤压铝型材焊接形成的,该车体结构主要由车顶、底架、侧墙、端墙、设备舱、二层地板等六大模块组成。

图3  车体构成及有限元模型

 

二层地板与侧墙的焊接形式

端墙与车顶的焊接形式    

 

 按照EN12663:2000《铁路应用—铁路车辆车体结构要求》对双层铝合金车体静强度进行分析计算,同时依照《200 km/h 及以上速度级铁道车辆强度设计及试验鉴定暂行规定》对车体气密强度的要求进行加载,强度计算的各载荷工况如下表所示。


图4  应力集中区域

此外,瑞士的Stadle公司是全球拥有最先进双层动车技术的企业之一,尤其是车体轻量化技术。车体的一个显著特点是底架地板及中间地板都采用横向布置方式。

图5  Stadle双层动车组 

图6  Stadle双层动车组强度验证

2. 行业发展动态

2.1. 市场需求信息

部分业主提出:为方便查看蓄电池状态,蓄电池间顶盖应可滑动,且能由一人打开,在不滑动状态下顶盖应锁紧。类似顶盖、侧墙可打开或移动方案在货车领域已较常见,如下图示。

图7 铝合金滑动移门(Vagongyar,2014年)

2.2. 竞争对手发展动态

l 唐山公司对时速400公里的高速列车进行轻量化设计,并提出了具体目标,即在CRH380B型动车组基础上减重3%。而车体拟采用轻量化材料及结构应用,减重目标是4%。

 主要研究基于轻量化要求的铝合金车体及关键部件结构优化设计技术:


1)车体断面:结合计算和试验结果,针对车体上材料利用率低的区域,优化型材内筋板厚度、型材壁厚,同时保证强度及疲劳性能。

2)关键部件:针对车下吊装等部件开展拓扑优化,实现结构的轻量化设计。

图8 结构优化仿真

l 欧盟Shift2Rail Joint Undletaking(转移至铁路联合执行体)发布了下一代铁路系统有关轻量化货车监测及维护预测解决方案的项目报告,项目从2016年开始,到2019年4月截止。报告中提到了夹层复合材料实现车体轻量化。

轻量化材料对比表

 

2.3. 产业资源:爆炸焊

轻量化是轨道列车车体今后的发展方向。为了保持行驶过程中的稳定性,高速铁路列车车体下层结构通常使用钢材制造,而上层结构则使用比重相对较轻的铝合金,这样可以减轻车身重量,使得整体重心下移,在保证结构强度的同时提升了运载能力。

金属动态复合技术是在爆炸加工技术发展而来的一种新技术,是以炸药为能源,通过炸药爆轰获得瞬时的高温、高压,从而产生高压脉冲载荷,推动一种材料(复层)高速倾斜碰撞另一种材料(基层),其加载应力远远高于金属材料的屈服强度,加载过程的瞬间性(一般为微量级),材料受载的局部性,交织发生在作用点的微小的邻近区域并且高速地移动等方法,实现两种金属的冶金结合,结合区呈现为波状的冶金结合。 

使用爆炸焊接法制备的铝-钢结构过渡接头可以很好的实现下层钢板和上层铝板的连接。铝-钢结构过渡接头位于铝板与钢板之间,两端分别于铝板和钢板焊接,起到了过渡连接的作用,避免了铝与钢的直接焊接。与传统的螺钉连接相比不仅能够提高结合强度,还能够有效防止接触腐蚀

图9 车身铝钢结构过渡接头形式

 

图10 车身铝钢结构爆炸焊接头性能参数

3. 车体知识产权态势分析

3.1. 行业标准

l 2018年12月完成了铁路总公司企业标准Q/CR 680-2018《动车组排障器》的批准,并于2019年4月开始实施。

l 2018年12月完成铁道行业标准TB/T 3143-2018《机车车辆密接式车钩缓冲装置》(代替TB/T 3143-2006)的批准,并于2019年7月开始实施。该标准规定了铁路机车车辆用密接式钩缓装置的产品分类与组成、技术要求、检验方法、检验规则、使用寿命、标志、包装、运输与储存,适用于铁路机车、客车及高速动车组新造密接式钩缓装置。

l 2018年12月完成了铁道行业标准TB/T 456.3-2018《机车车辆自动车钩缓冲装置 第3部分:钩尾框》(代替TB/T 3045-2002、TB/T 3047-2002、TB/T 3461-2016、部分代替TB/T 456-2016及TB/T 2399-1993)的批准,并于2019年7月开始实施。

l 中国城市轨道交通协会发布了团体标准T/CAMET 040014-2019《城市地铁车辆车钩缓冲装置技术规范》,并于2019年6月开始实施。

3.2. 专利

l 2019年1-3月,陆续公开了前期申请的相关专利。主要车体专利见下表。

序号

申报单位

专利名称

专利简介

简图

1

青岛四方(德国)

WO2018146083 - CAR BODY FOR A RAIL VEHICLE

本发明涉及一种地铁车体。车体底架边梁、顶盖边梁是通长的中空型材梁结构,空调地板、侧墙板等是夹层结构。

 

2

青岛四方(德国)

WO2018146132 -CROSS MEMBER FOR RECEIVING PIVOT PINS HAVING A LOAD DISTRIBUTION ELEMENT

本发明涉及一种底架端部结构及其与底架边梁的连接方式。底架边梁上设置专门的型腔搭接面,通过螺栓与枕梁连接。

 

3

青岛四方

CN201810940713-一种轨道车辆用高阻尼隔声复合材料的车体结构

车体结构包括车本体以及高阻尼隔声结构。高阻尼隔声结构包括沿纵向呈叠加式设置的多层阻尼隔声层,在各层所述阻尼隔声层中均添加有石墨烯材料。

 

4

南京浦镇

CN201710637321-一种悬挂式空轨列车车顶排水结构

涉及一种悬挂式空轨列车车顶排水结构,包括车顶吊梁和两块车顶边梁,三者形成一个列车车顶整体,还包括低水位排水通道和高水位排水通道,保证雨水和空调冷凝水的集中排放。 

 

5

南京浦镇

CN201810952841-一种大视野悬挂式单轨车体结构

涉及一种大视野悬挂式单轨车体结构,侧墙设有车窗安装口,车门和车窗的面积占侧墙面积的70%-90%,底架玻璃面积占整个底架面积的50%以上。车辆结构为270度方向均有视野。 


6

青岛四方

CN201810952852-一种新型车体枕梁结构

公开了一种新型车体枕梁结构。该结构具有有效防止枕梁主体单侧受力、抗疲劳特性强的优点,以及还具有抗侧滚安装座采用开放式结构,方便螺丝座的安装及更换的优点。

 

 


7

中车浦镇

CN201810959870一种车钩安装结构

本方案车钩具有与车辆连接的固定端和与相邻车辆的车钩对接的活动端;车钩安装结构具有可沿轨道移动的支撑装置。特别适合应用于悬挂式空轨列车。

 

8

西南交大

CN201811522074-一种增刚补强镁合金悬挂式空中列车车体及其制造方法

公开了一种增刚补强镁合金悬挂式空中列车车体及其制造方法,通过将超高强度、高弹性模量的带形或束形的增刚补强材料置入车体表面棱边处的连通的沟槽内,以增大车体整体刚度和强度,实现对车体的增刚补强作用。

 

 


9

青岛四方

CN201811038248-轨道车辆的底架组件及轨道车辆

提供了一种轨道车辆的底架组件及轨道车辆。底架组件包括间隔设置的两个下边梁和设置在两个下边梁之间的枕梁,枕梁包括腹板结构、中心销及安装架。解决中心销与枕梁的腹板结构的连接强度不足的问题。

 


4. 专题:香港有轨电车

香港有轨电车公司成立于1904年,现共有161辆双层有轨电车,目前有员工约650人。有轨电车有两个厂家,负责香港所有有轨电车的生产、运营及维护等整个体系,大约每个月生产/翻新一辆新车,也报废/大修一辆旧车。虽然电车拥有100多年的历史,但多年来其主体结构基本未变。实际上,香港电车公司也尝试过对一些部件上进行了改良,先后出现过观光车(上层敞篷)、一动一拖双层有轨电车(目前已没有)、安装空调车辆(仅1台车)。但是最终并没有大规模推广。出现这种现象主要是除了线路条件、站台长度、成本、技术等因素外,还有一个关键因素是其设计理念一直未变,即保持传统风格,保留多年来作为香港城市独特的名片之一。

图11 电车外观 

图12 老车内饰 

图13 新车内饰

有轨电车车体设计寿命为20多年,曾委托青岛四方车辆厂对其车体进行有限元仿真验证。其底架承载结构几乎保持多年不变,只是其它车架结构由木材改为了铝材,但重量没发生重大变化。车体底架采用碳钢材质,车架以铝合金板材结构为主(螺钉或铆接固定),只有在侧墙立柱、边梁等部位设置了半开放型的型材结构(其大截面中空型材加工能力有限),铝型材从国内采购。电车的车体前端设置了可变形区域,在发生碰撞时有优先压溃变形,但是并没有设置防爬装置。

图14车体主结构

 

图15 车体结构安装 

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本文作者2019-4-15 15:11
镁途
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