图6 飞机技术在欧洲高铁上的应用
它们在50年代中期开始运作,这些车身的结构在概念上就类似于大量纵向和横向铝合2000系列金薄片抵抗高压的飞机机身,部分型材也可以用这些薄片制成,其连接主要采用电阻点焊和铆接技术。
图7 引用飞机技术的铝合金车体
采用这种技术的效果是很显著的,机身外壳每米长度的质量是相同长度钢结构的一半,另一方面,采用这种技术的劳动量非常大,每米长度多达5000个焊接点,轻量化设计的车辆可以近似计算为100kg每座而不是铰接式列车概念的
180kg每座。 由于列车的制造还没有其他新技术,而劳动力成本也只有传统车辆的15%,所以这种轻量化概念是经济可行的。
在前欧洲铁路开始反对建设空中交通之后,这些高速项目花了将近25年时间来建设第一条TGV线路和一些ICE专用线路,在此期间,铝制轨道车辆的轻量化设计在价格竞争上发生了根本变化,有了解决取代钢结构车体的办法使得今天欧洲80%的轨道车辆车体都采用铝材。
铝在钢结构设计原理中的应用
特殊合金的室内实效硬化热处理能在室温下发生,该技术的引进触发了发展飞机型设计的第一步,7000系列的铝合金的机械性能非常接近那些低碳钢,因此,采用同样的设计概念和制造方法,这样的合金结构完全可以取代钢结构,唯一的区别在于铝材的壁厚对外壳稳定性的影响大于钢材,其零件直接的连接也主要采用TGV和MIG的焊接方式,也可以用专门的电阻点焊。
图8 利用钢结构设计的铝制车身外壳
这种概念的运用可以减轻40%的车身重量,但有两个缺点:一方面铝材价格昂贵,另一方面铝在第一弯曲模式下的自然频率低。为了保证驾乘舒适性,悬挂系统的设计也是考虑的重点。
铝在车身外壳设计改进中更广泛的运用是必然的,一个关于成本效益的分析提出两个问题:一方面板面设计可以充分利用铝合金挤压型材;另一方面,标准部件和同样尺寸但制造过程相对较复杂的部件之间的成本差异也并不大。将舌片和槽型附件集成应用到车身的内部装饰中,可以减省大量车身外壳的二次括号
焊。
大型挤压设计
当纵向和横向刚度的概念转变为带有内部加强筋的双层挤压时,轻量化设计向前迈进了一大步,这种挤压型材可以生产出30m的长度,600mm—700mm的宽度,由于它的内部腹板式的桁架结构,因而异性板在纵向的强度和刚度都大于横向,然而纵向方向的要求远高于横向方向,因此这种结构对有轨车辆相当有利,基于这种设计的车身在横截面上可以于全场约20m的挤压型材通过自动缝焊连接起来。
图9 大型挤压铝合金车身设计
门和窗户连接成一个整体,挤压型材的边缘有焊接坡口,在需要垫片的地方采用无铅焊接,另外,这些型材的凹槽和凸舌的配合使焊缝在焊接前能自动校准,很明显,这个概念减少了主壳体的必需件、夹具以及劳动量。这种设计将导致铝合金车体的门窗一体的结构在轨道车辆制造业成为一种主流,因为靠采用铝合金来减轻重量不但没有增加成本,反而开销与钢制车身相比大大减少。这种车体设计理所当然也应用到了高速列车上面,如IICE、TGV复式、ETR500等。
图10 大型挤压型材设计的高速列车
这些列车的商业运行速度在220km/小时到300km/小时之间,因而乘客安全是最重要的考虑因素之一,当这些列车在专用线路上运行时,列车自动控制可以避免一切冲突,并且这些线路与公路交通没有平交口,所以发生事故的概率非常低。相反,当高速列车在现有的线路上运行至都市中心时,虽然速度减慢了,但事故也不能100%排除在外,对于这种特殊事件,相关部门制定出了严格的能源管理标准和车辆规格,对于8辆编组的TGV复式列车,当它在120km/小时的速度下与重达60t的硬质物体相撞时,不管是驾驶舱还是乘客舱都无法承受这样的结构实效和过度减速。能量的吸收位置一般在驾驶舱的鼻尖、驾驶舱的背后、动车的端部、额外连挂的行李车厢以及拖车和拖车的连接处。
图11 高速列车的能量吸收概念
能量的总容量在6MJ范围以内,力的承受范围为2000到2500KN,头车的能量吸收原件为由铝制蜂窝材料做成的鼻尖,它是两个椭圆形是由两个受凸缘弯曲控制的椭圆形腹板和特殊的大尺寸矩形管构成。高速列车的最新设计概念是采用汽车的框架结构的能量解决方法,它们的结构只存在尺寸差异。
图12 通过焊接中空型材组成的能量吸收原件