铁路客车碳钢车体的轻量化设计与应用

铁路客车碳钢车体的轻量化设计与应用

吴颖旭 ,吴群芳

中车唐山机车车辆有限公司   河北省唐山市   063035

摘要：随着铁路客车运行速度的提升，外界载荷更加复杂、苛刻，而能耗和轴重指标又对车体质量提出更高要求，轻量化设计成为制约铁路客车持续发展的关键。碳钢客车由于生产成本低、维修性能好，一直是我国轨道交通运输的主力之一，但其却有着自重大的缺点。通过优化车体部件的结构布局、减小材料使用、增开工艺孔及使用轻型材料等，可进一步提升铁路客车碳钢车体轻量化水平。

关键词：碳钢；车体；轻量化；材料；结构优化

引言

轻量化设计是铁路客车发展的必然趋势，不仅降低轮轨间相互作用力、改善轮轨磨损与变形、提升车辆加速和制动性能，还减少能源消耗和碳排放。车体是铁路客车的主要承载结构，车体钢结构及配套设施的质量通常占铁路客车总质量的三分之一以上，降低车体质量是实现铁路客车轻量化的重要途经。目前，铁路客车车体轻量化手段主要包括：采用新型轻质高强度材料、车体结构优化设计、车体配套设施的轻量化与小型化等，本文主要从车体结构优化入手论述碳钢车体的轻量化设计。

1、车体结构和承载特点

碳钢客车车体主要由底架、侧墙、车顶、地板、端墙等组成，车身采用焊接、铆接及螺栓安装等工艺，以确保车辆结构满足整个车体强度要求。底架由牵引梁、枕梁、缓冲梁、边梁、横梁等组成，除个别部件采用Q345型钢外，几乎所有材料都是09CuPCrNi耐候钢，并且采用机加工成型；侧墙的支撑骨架由立柱、纵向梁、上边梁、窗下支架等组成，墙板由2.5mm耐候钢板蒙皮于骨架外侧焊接而成，立柱和纵向梁构成窗口框架；端墙与侧墙结构相似，中间增加了2个大槽钢作为车辆两端通过门的门框，同时可安装车端风档；车顶采用弯梁、角铁组成框架，外面蒙2mm厚耐候钢板，对应空调、水箱、通风器等位置设置安装框架来满足接口的强度。

2、车体结构设计

构成车体的钢结构框架是车辆承载和运行的至关重要的部件，这不仅是为了传递整个车辆的垂直、拉伸和压缩载荷，还需要保证悬挂在车体下或安装于车顶的设备（空调、变压器、油箱、柴油发电机、制动模块、启动装置、电池箱、复合电源、充电器等）的安装强度，对于有较高载荷要求的设备须设置大强度的支架或者吊钩。一般情况下，涉及车体牵引、承载、制动、悬挂等功能的梁、柱都会采用强度较高的型材或者采用厚钢板压弯成型，以保证结构强度。铁路客车的梁、柱断面通常会采用C型、几型、乙型、口型、┌型等，断面越复杂承载能力越强，相应的质量也会增加。底架横梁一般为C型，负载较大处采用口型梁，侧墙立柱和车顶弯梁采用几型梁和乙型梁居多，起结构连接的纵向梁一般为┌型梁，其他部位采用┌型梁和薄板成型居多，个别结构还有铝合金或玻璃纤维材质的。由此可见，通过对不同负载处的梁、柱等结构、材料进行优化，可在一定程度上达到车体轻量化的目的。

3、部件轻量化

（1）不挂负载底架横梁结构优化

目前不挂负载的底架横梁采用4mm厚耐候钢C型梁，上下翼面为50mm宽。可通过将上下翼面宽度减少到40mm减重，同时在横梁立面开4个50mm*200mm长圆工艺孔。单个横梁可减少重量约3.2kg，每车可减重38.4kg。

（2）安装负载的底架横梁结构优化

安装负载的底架横梁一般为6mm厚耐候钢C型梁，上下翼板为50mm。可改为5mm厚耐候钢C型梁替代，并在横梁立面开4个50mm*200mm长圆工艺孔，负载集中部位可增加筋板作为补强。这样单个横梁可减少重量约7.8kg，每车可减重78kg。

（3）侧墙立柱及车顶弯梁结构优化

碳钢车体侧墙立柱为2mm厚耐候钢压弯成型的几型梁，可通过增开工艺孔的方式进行减重。立柱侧面增开φ28工艺通孔10个，立柱正面开钥匙型工艺孔（大径25mm，小径11mm）15个。单个立柱可减重约1kg，全车减重60kg。

车顶弯梁同侧墙立柱断面相同也是“几”型，断面高度70mm。通过增开工艺孔及降低断面高度的方式达到减重目的。弯梁侧面增开φ28工艺通孔12个，正面开18个钥匙型工艺孔（大径25mm，小径11mm），同时断面高度由70mm降低为60mm，单个弯梁可减重2.2kg，全车减重约88kg。

（4）侧墙和车顶纵向梁结构优化

    侧墙和车顶纵向梁起结构连接作用，承受车体载荷相对较小，可通过减小尺寸的方式进行减重。侧墙纵向梁为2mm厚140mm宽的耐候钢几型梁，宽度优化后为110mm；车顶纵向梁为2mm厚┌型梁，边长为40mm*65mm，优化后为30mm*55mm。侧墙纵向梁通过尺寸优化后全车可减重约45.5kg，车顶纵向梁通过尺寸优化后全车可减重约40kg，合计纵向梁减重85.5kg。

（5）铁地板结构优化

碳钢车辆枕内铁地板为波纹型铁地板，断面如下图，材质为1.5mm厚的耐候

钢板。如果将图中38/58调整优化为48/68，全车波纹可减少6条，同时波纹板总厚度由30mm降低为25mm，全车可减重约135kg。

    铁地板上用于安装木骨的地板码一般为2mm厚耐候钢压弯C型或者乙型结构（长120mm，宽50mm），若将其改为100mm*40mm的┌型结构也可保证木骨安装，每车可减重约30kg。

（6）部件新材料优化

    碳钢车体由于自身成本限制大多采用耐候钢、型钢等材料设计，而铝合金等轻型材料与碳钢的焊接不兼容也制约了轻型材料的使用。不过轻型材料可应用于螺栓安装的相应部件，如车下的制动模块吊架、脚蹬、裙板、电池箱以及车顶安装的水箱大盖和通风器等，通过更换材质可大幅度减低自身重量，同时轻型材料一般都具有更好的防腐蚀性能，在能够增加成本的前提下是个不错的选择。

4、优化车体结构可行性

轻量化设计是车辆工程的重要课题之一。车体结构优化不能只考虑部件重量而忽略其强度及耐用性。上述部件优化后按照TB/T1335《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》进行计算验证，车体的强度等能够满足使用要求。同时保留了牵引梁、枕梁、缓冲梁和边梁等主要承重梁的原有设计，保证了车辆的运用性能和维修性能。

碳钢车体设计时结构性能一般会有比较充足的裕量，这是因为火车运行时间长且温湿度等环境差异较大，复杂的运行工况使得碳钢车体容易受到腐蚀，相应的会降低力学性能。上述轻量化设计利用了车体本身的部分设计裕量，需要车辆的防腐工艺提升以保证车体结构的稳定。2015年铁路总公司下发了《25型客车防腐涂装工艺规范（试行）》和《25型客车用涂料技术条件（试行）》，对碳钢车体防腐涂装等进行了规范，这给车体的轻量化设计提供了保障。

轻量化设计可减少车辆的磨损及能源损耗提升性能，同时还能够减少材料的使用从而降低成本。有时轻量化设计还有着增加功能的作用，比如车下横梁开孔可用来安装线槽、制动管等；侧墙立柱和车顶弯梁开孔可以用来安装墙板、防寒材等配件；车体横梁通过优化布局，可以在横梁下翼面开孔用来安装制动缸等配件从而减少安装梁。通过既有经验和创新设计，可以达到设计轻量化和实用性的双重效果。

结束语

总而言之，在轨道交通车辆车身结构轻量化设计中,设计人员必须充分结合车辆的实际结构特点,在合理优化车身结构设计的基础上,根据相关设计方案的相关要求,及时对车身结构细节进行相应的优化，如轮廓截面、材质及增加工艺孔等。通过灵活运用多种轻量化设计,有效地达到减轻车辆重量、提高铁路车辆综合性能的根本目的。

参考文献：

［1］孙帮成，李明高，安超，等.高速列车节能降耗关键技术研究［J］.中国工程科学，2015，17（4）：69-82.

［2］郭力荣，李国顺，陈璨，等.铁路客车牵引变压器振动特性试验研究［J］.机车电传动，2021（4）：85-91.

［3］丁叁叁，田爱琴，王建军，等.铁路客车碳纤维复合材料应用研究［J］.电力机车与城轨车辆，2015，38（S1）：1-8.

［4］许超，赵洪伦，刘凯杰.车体轻量化结构优化设计策略及其实施［J］.设计制造，2013，51（4）：18-20.