铁路客车车体轻量化问题的研究

摘要：伴随着科学技术的迅猛发展，铁路交通运输市场的竞争愈来愈强，铁路交通运输市场也在不断迎接机遇和挑战，因此，提升铁路客车的运输速度迫在眉睫。在铁路客车车体轻量化问题中，车体所承载的结构的轻量化是关键之处，所谓的车体所承载的结构的轻量化，就是要使客车车体的强度、刚度及动态特性等符合铁路客车的提速标准。目前来看，我国铁路客车车体轻量化的工作质量还有待进一步提高，由于铁路客车车体的自身重量比较大，所以就出现了车体轮轨之间的存在比较大的作用力，同时车体的制造费用及成本也是比较高的。本文将对我国铁路客车车体轻量化的意义、实现途径进行简要的概述，并提出相应的解决方案。

关键词：铁路客车；车体轻量化；问题研究

0 引言

铁路客车运输和汽车运输、航空运输相比，具备运输成本较低、环保能力较强等优点。但是，由于铁路客车自身的重量比较大，使得一部分无益的能量在铁路运输过程中被消耗。由于能源的存有量日趋减少，并且伴随着愈来愈大环境保护压力的的到来，国内外铁路交通运输市场一直在改进铁路客车的车体结构设计，从而达到降低铁路客车无益能量消耗的目的。

1 铁路客车车体轻量化的意义

铁路客车车体能量的消耗与许多因素有关，但是最主要的因素还是车体自身的重量，能量消耗的多少与车型及其运输速度有关，运输速度越低，那么其消耗的能量也就越多。瑞典研究者通过研究，得到X2000告诉列车大约有百分之二十五的能量消耗与客车自身重量有关，在我国运行数量较多的列车是25型客车，但是它的最高运输速度不得超过160km/h，与X2000相比较其运输速度要慢很多，所以它的能量消耗也比X2000多。客车车体结构是组成车辆的重要部件之一，与此看来，想要减小客车车体自身的重量，可以通过降低客车车体结构的重量来实现。

铁路客车车体轻量化，能够降低车辆的轴重，进而降低了轮轨之间的作用力，把轮轨之间的摩擦损耗降到最低；能够降低客车车体的制造成本及其运输途中的费用支出；能够降低铁路客车的噪声和地面振动；能够降低客车车体对道路的冲击力以及减轻线路维护工作人员的工作压力。

2 实现铁路客车车体轻量化问题的途径

2.1 对客车车体结构进行合理的优化

在对铁路客车车体进行总体设计的时候，要求对以下三个方面进行合理的设计：

（1）由于客车车体的各种设备与车体结构的载荷输入有关联，因此，要对各种设备进行合理的设计与布局；

（2）运用弹性悬挂的方式在铁路客车车身底下悬挂重量比较大的设备，并且车体设备悬挂的频率应当比真背后车体的一阶垂向弯曲自振频率要小，在这种情况下，接可以使得整备状态下车体的一阶垂向弯曲自振频率得到提升；

（3）应当选择接近铁路客车车体端部或者接近铁路客车车体中央的位置作为车体的侧门开口，避开转向架的周围。倘若将车体的侧门开孔设计在转向架周围，不仅容易导致客车车体侧门开口应力集中，还容易导致客车车体结构刚度的下降。

由于客车车体应力比较大的部位主要集中在某些部位，所以客车车体结构的整体应力比较小。在对车体结构进行色剂的时候，要求对以下几个方面进行合理的优化：

（1）对客车车体结构的梁柱进行合理的设计和布局，尽可能的让大量的底架横梁、侧墙立柱以及车顶弯梁形成一种环形结构，使客车车体的整体刚度得到提升；

（2）应当尽量避免客车车体的侧墙和车顶纵梁在中间部位断裂，特别是要对车体侧墙上的边梁（一般是通长结构）进行合理的优化，使其通长结构的作用得到体现，使其把底架横梁、侧墙立柱以及车顶弯梁组成的环状结构连接在一起，从而使客车车体的整体结构性得以提高；

（3）要对车体的梁柱断面进行合理的优化

（4）为了避免客车车体局部应力集中现象的产生，要对车体结构进行合理的设计和圆滑过渡；

（5）为降低牵引梁、缓冲梁等部位的板厚，在对这些部位制造时要采用强度等级较高的钢材料，例如碳钢、耐候钢等；

2.2 采用新材料

2.2.1 不锈钢车体结构方案及材料选择

在我国，铁路客车车体结构是板梁结构，这种结构的整体及其组成和我国的碳钢车体结构有相似之处。因为碳钢、耐候钢等具备高疲劳强度和高焊接性，所以被应用在牵引梁、缓冲梁等位置，在其他位置使用其他各种型号不同的不锈钢。

表一 铁路客车不锈钢车体结构材料选择

表一表明，不锈钢客车车体结构采用材料的强度比碳钢车体结构采用材料的强度大，另外，不锈钢的耐蚀能力比较高，所以在客车车体结构的运用中不用过多考虑腐蚀会造成的影响，相对来讲厚度就可以薄一点；但是碳钢、耐候钢的耐蚀能力比较弱，所以要考虑腐蚀造成的影响，厚度要相对厚一点。所以不锈钢客车车体结构的重量小于碳钢客车车体结构的重量。

2.2.2 铝合金车体结构方案及材料选择

方案一：客车车体的牵引梁、缓冲梁运用高强度的钢材料制造，比如碳钢；车体的地板、车顶以及侧墙通过大型中空挤压型材纵向焊接完成；车体的端墙运用中空挤压型材和骨架组焊结构。

方案二：全部采用铝合金的结构。通过焊接铝合金型材和铝板制造牵引梁、枕梁和缓冲梁，通过纵向焊接大型中空挤压型制造地板、车顶和侧墙。在制造牵引梁、枕梁以及缓冲梁的时候，不要采用7系材料，因为这类材料的焊接性能比较差，容易使车身出现裂纹。

表二

表二表明，铝合金车体结构采用材料的强度比不锈钢车体采用材料的强度大，同时，因为车体的地板、车顶以及侧墙是通过纵向焊接大型中空挤压型材而制造成的，所以稳定性较高，刚度较强，可以做的薄一点。所以铝合金客车车体结构的重量小于不锈钢客车车体结构的重量。

2.2.3 混合复合材料车体结构

采用复合材料进行制造，能够有效的降低客车车身的重量。复合材料夹层结构在航空、航天等领域有着较为广泛的应用，由于采用复合材料的成本比较高，所以在铁路交通市场中的应用有待进一步的推广。但是相信在在科学技术发展的推动下，复合材料在铁路交通运输中的应用指日可待。

3 总结

通过本文分析，希望我国铁路运输市场能够多加制造不锈钢客车和铝合金列车；在对铁路客车车体结构进行优化的同时，加强对转向架的研究，使铁路客车自身重量能够得到进一步的降低。另外，结合现代复合材料技术，不断探究如何让采用复合材料对车体结构进行设计。

参考文献：

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