從世界範圍來看,高速鐵路及高速動車組發展大致可以分為3個歷史時期,分別是初步運營期、線路平臺擴展期和快速發展期。中國高速動車組技術發展歷經自主探索、引進消化吸收再創新和全面自主創新3個階段,目前動車組產品覆蓋時速250km、300km、350km及以上速度級,能夠適應不同線路、不同環境條件和不同運輸需求。
近期,《高速動車組技術發展特點及趨勢》中指出,實現高鐵動車組的高速安全運行,需克服輪軌關係、弓網關係、減阻降噪等一系列技術難題,不斷探索新技術解決方案和先進技術應用,提高車體輕量化、更多運用複合材料、提升動車組綜合技術性能。文章系統梳理了世界高速列車的發展歷程,分析了高鐵動車組提升綜合技術性能的方式方法,總結了改善舒適性與降低壽命周期成本的具體措施。加快智能高鐵科技攻關,將物聯網、大數據、複合材料等新技術應用在高鐵各專業領域,打造更加安全可靠、經濟高效、溫馨舒適、方便快捷、節能環保的智能高鐵系統將成為中國高鐵乃至世界高鐵發展的未來趨勢。
提升車體輕量化
高速鐵路是一個複雜的系統,作為移動裝備的高速動車組,它與固定基礎設施包括接觸網、軌道以及周邊的空氣都形成了耦合關係。從某種意義上看,這種關係甚至比公路車輛、飛機、船舶等其他交通系統都更加複雜。要進一步提升高速動車組的綜合性能,必須要處理好這幾個耦合關係,除此之外,還要解決好牽引和制動控制技術,提高牽引和制動性能,同時進一步提升行車安全監測水平等。
輕量化設計:通過結構優化並引入新型高強度複合材料,減輕構架質量,降低簧下質量。通過有限元分析,對轉向架構架進行靜強度和疲勞強度評估以及模態計算,對轉向架進行結構優化,部分零部件合理地採用了輕型高強度複合材料。
複合材料製造的動車轉向架
複合材料製造的拖車轉向架
在牽引系統輕量化設計方面,整車功重比約為20.7 kW·t–1,牽引系統效率在0.85以上。牽引系統主要組成部件功率密度顯著超過相同速度等級的「和諧號」動車組,其中,①牽引/輔助變流器功率密度高達0.82 kV·A·kg–1,CRH380A功率密度為0.43 kV·A·kg–1,CRH380B功率密度為0.63 kV·A·kg–1;②牽引變壓器功率密度為0.99 kV·A·kg–1,功率密度高於CRH3C的0.91 kV·A·kg–1;③牽引電機功率密度為0.909 kV·A·kg–1,功率密度高於CRH380B的0.78 kV·A·kg–1。
解決氣動減阻和車體輕量化問題
氣動阻力是車輛運行阻力的重要組成,降低氣動阻力成為高速列車減阻的關鍵因素。CR400AF/BF復興號動車組在頭型設計、車體斷面輪廓、車體重量、轉向架區域和受電弓區域等影響列車運行阻力和能耗的主要因素方面開展了大量研究和試驗。動車組降低運行阻力措施如圖所示。
動車組降低運行阻力
(1)頭型優化。採用流固耦合技術及阻力、升力、運行安全性與平穩性、氣動噪聲等多個性能指標的耦合關係分析技術,設計流線型車頭,通過使用複合材料零部件、增加長細比例等,改善綜合氣動性能。
(2)表面平順化。對車頂空調裝置進行平順處理,優化車間風擋連接,優化改進轉向架區域氣動外形、優化材料使用複合材料等。
(3)流動控制。通過擾流和溝槽等流動控制技術,修正優化動車組表面流場,減少氣動阻力,減少受電弓流場對受電弓動態性能的影響及空氣阻力。
(4)車體輕量化。為避免車體輕量化影響車體結構強度、剛度、氣密強度等車輛性能,依據等強度設計理念對車體結構進行優化設計,使用更多複合材料零部件,依靠仿真計算,均衡設計各個部件的載荷率。
(5)在建立典型高速動車組模型和軌道、隧道等環境模型基礎上,仿真分析動車組以不同速度等級在明線運行、明線交會、隧道通過等不同工況下的空氣流場分布規律。採用仿真分析、風洞試驗、動模型試驗相結合的分析驗證方法,系統研究動車組不同外形的空氣動力學與氣動噪聲性能。
(6)車體輕量化主要採取複合材料替代傳統材料和結構優化結合的方式。復興號動車組在保證車體強度和剛度的基礎上,對生產工藝進行優化改善,比如玻纖增強材料,碳纖維材料等,製造承載結構零部件,有效降低了殘餘應力及焊接變形,提升焊接效率。車頭和車體結構如圖所示。
頭車車體結構
有受電弓中間車車體結構
通過氣動減阻和車體輕量化設計,CR400動車組運行阻力顯著降低。CR400AF在350 km·h–1時總阻力比CRH380A降低12.3%,CR400BF比CRH380B降低7.5%。
國內外高速鐵路均著力加強列車空氣動力學設計及研發。日本高速動車組在頭部形狀設計時,對空氣阻力動車組降低運行阻力。和氣動噪聲、隧道微氣壓波等內容進行深化研究,從0繫到500系,高速動車組頭部逐漸長型化。為降低微氣壓波,700系和E4系還開發了獨特的頭車形狀。日本自N700系開始以仿生學外形設計作為高速列車空氣動力學外形設計的理念,其中N700A和N700S採用經過三維仿真優化的「雙翼背鰭流線頭型」,可降低駛入隧道時的氣動力噪聲,車體平滑化和形狀優化可降低運行阻力,歷經N700系、E5系、E6系和E7系等車型的設計經驗趨於成熟。
為了提高列車運行速度,各國高速列車十分注重輕量化設計。在車體輕量化方面,採用雙殼層結構和模塊化與集成化的結構設計,採用新型複合材料。這種結構已經廣泛地應用於日本的700系、N700系、E6系等主力車型上;德國ICE新型列車上也採用雙殼層結構;義大利ETR1000型高速列車車體外殼以及內部裝飾大量採用可回收利用的複合材料,一方面可以實現車體輕量化,另一方面可以實現再生和再利用。
文章來源:中國工程院院刊 ,作者Engineering
原標題:《【復材資訊】高速動車組車體輕量化設計趨勢及複合材料的應用》
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