磁懸浮列車文獻綜述磁懸浮列車文獻綜述高速磁懸浮列車的輕量化設計摘要當今的高速列車運行速度為200至320公里每小時，磁懸浮列車為400到500公里每小時，而輪軌式列車的世界紀錄為515公里每小時，磁懸浮列車為552公里每小時，只有當輕量化設計系統利用時才能達到這個速度，低軸重對基礎裝置的使用壽命至關重要，較低的整體重量對減小制動力和制動效率也是必要的，列車配置對座椅舒適度的影響也是相當明顯的，對于給定配置的列車，盡管為了滿足強度、剛度、消音等要求而增加額外的質量，但最后仍要強制性地輕量化設計，與許多高速列車相比，如TGV復式，Talgo擺式，ETR500，PendolinoWMCL以及ICN等，磁懸浮列車TR08的特殊性就在于乘客的乘坐安全性，并且屬于耐撞車輛的，因此未來的發展趨勢顯而易見。簡介鋼輪鋼軌之間的相互作用是導致軌道列車的滾動阻力比橡膠輪胎與路面的滾動阻力低5—10倍直接原因，這為單一機車牽引重載列車提供了可能性，在大量鐵路干線中很少要顯示坡度超過25‰的，在此基礎上還有兩個事實，鐵路客車的皮重對長途大運量線路影響不是很大，而陡坡山區的鐵路和頻繁停車和加速的通勤服務車，輕量化設計卻顯得尤為重要。當長途列車速度增加時，其他因素將變得更加重要。首先，動態負荷對重載軸具有負面影響，另外，列車需要盡可能大的功率因數以至于能保持一個最快速度等級的加速度。這就意味著，即使高速列車需要更強大的發動機，更有力的剎車系統，更好的聲音衰減設備等，但對于高速列車，輕量化設計依然很必要。輕量化概念設計一列典型的長途列車一般設計1000個座位，由14至16節車廂組成，每節車廂長26至27米、重50到60噸。動力為6000—8000KW的電氣機車，重量將增至80到90噸。圖1列車輕量化設計在非電氣化線路上列車應至少有兩臺內燃機車，以確保列車具有兩個相同性能。這將導致列車相當于每個乘客座位重達900—1000kg，或相當于中檔車輛重量的兩到三倍。咋一看到這種比例將會感到十分驚訝，但考慮到這種列車的高舒適度就不會覺得那么糟糕了，例如，每位乘客在火車上有2—3m3的空間，與不足1m3空間的汽車相比，四處走動、有廁所或酒吧等都是有可能的。圖2標準長途列車鋁合金殼體的炮彈型“鋼結構設計”然而，鐵路工程師對搜集到的輕量化設計可能性進行分析，提出兩個重要的部件，轉向架和主機殼體，這兩個部件的重量占車輛總重量的50%以上。一個對減輕重量有講究的概念設計，是建立一個鉸接列車組成的雙數機構，每個標準車廂的中部的每一個關節都有獨立的傳動裝置來取代轉向架。由于短車身的自然彎曲頻率遠大于長車身，所以車軸數和車體剛度都能減半，這兩個概念上的變化將導致每個座位的重量比小型化的原件或材料用于輕量化設計之前輕80kg左右。圖3鉸接擺式列車TALGO的大型擠壓設計另外一種概念變化是以雙層車廂來取代單層車廂，從而9輛雙層車廂座位數就等于14兩單層車廂的座位數，這將使每個座位減輕170kg的重量，也可以采取兩種方案相結合的設計。圖4芬蘭國家鐵路的雙層列車兩軸轉向架支持一個關節和一個獨立雙層車體組合的車輛長度約為18m，在這樣的配置下，一列1000個座位的列車只需要12—13兩雙層車廂，與傳統車廂相比，每個座位的重量將控制在260kg以下。圖5TGV復式列車（鉸接式雙層列車）結構的輕量化設計把鋁材用于鐵路車輛輕量化設計已經有一段歷史，而目前也用到了鋁合金材料，與早期相比，現在著重發展新技術是非常有價值的。在進行鐵路車輛生產之前與汽車生產做一個簡單比較也是相當有意義的，汽車產業在不斷研發、生產和銷售不同款型的車輛，且沒款車的產量都數以萬計，其前期成本非常昂貴（百萬歐元到幾十億歐元），但批量生產成本相當低，在車輛制造業中，車隊所有者非常希望能與中標者研發并生產指定規格的車輛，批量的大小是在小于100到最佳的1000單位左右，并以1—2個單位每周的生產速率生產。這樣的小系列化不能為巨大的前期投入提高空間，甚至賣給顧客的產品原型都必須可升級為系列化配置，從而前期成本為15—25萬歐元，但單位生產仍然很高。飛機輕量化技術在車體上的應用歐洲最早設計的兩款高速列車的鉸接機構的極端輕量化設計都運用到了飛機輕量化技術，即TALGO和TEE。圖6飛機技術在歐洲高鐵上的應用它們在50年代中期開始運作，這些車身的結構在概念上就類似于大量縱向和橫向鋁合2000系列金薄片抵抗高壓的飛機機身，部分型材也可以用這些薄片制成，其連接主要采用電阻點焊和鉚接技術。圖7引用飛機技術的鋁合金車體采用這種技術的效果是很顯著的，機身外殼每米長度的質量是相同長度鋼結構的一半，另一方面，采用這種技術的勞動量非常大，每米長度多達5000個焊接點，輕量化設計的車輛可以近似計算為100kg每座而不是鉸接式列車概念的180kg每座。由于列車的制造還沒有其他新技術，而勞動力成本也只有傳統車輛的15%，所以這種輕量化概念是經濟可行的。在前歐洲鐵路開始反對建設空中交通之后，這些高速項目花了將近25年時間來建設第一條TGV線路和一些ICE專用線路，在此期間，鋁制軌道車輛的輕量化設計在價格競爭上發生了根本變化，有了解決取代鋼結構車體的辦法使得今天歐洲80%的軌道車輛車體都采用鋁材。鋁在鋼結構設計原理中的應用特殊合金的室內實效硬化熱處理能在室溫下發生，該技術的引進觸發了發展飛機型設計的第一步，7000系列的鋁合金的機械性能非常接近那些低碳鋼，因此，采用同樣的設計概念和制造方法，這樣的合金結構完全可以取代鋼結構，唯一的區別在于鋁材的壁厚對外殼穩定性的影響大于鋼材，其零件直接的連接也主要采用TGV和MIG的焊接方式，也可以用專門的電阻點焊。圖8利用鋼結構設計的鋁制車身外殼這種概念的運用可以減輕40%的車身重量，但有兩個缺點：一方面鋁材價格昂貴，另一方面鋁在第一彎曲模式下的自然頻率低。為了保證駕乘舒適性，懸掛系統的設計也是考慮的重點。鋁在車身外殼設計改進中更廣泛的運用是必然的，一個關于成本效益的分析提出兩個問題：一方面板面設計可以充分利用鋁合金擠壓型材；另一方面，標準部件和同樣尺寸但制造過程相對較復雜的部件之間的成本差異也并不大。將舌片和槽型附件集成應用到車身的內部裝飾中，可以減省大量車身外殼的二次括號焊。大型擠壓設計當縱向和橫向剛度的概念轉變為帶有內部加強筋的雙層擠壓時，輕量化設計向前邁進了一大步，這種擠壓型材可以生產出30m的長度，600mm—700mm的寬度，由于它的內部腹板式的桁架結構，因而異性板在縱向的強度和剛度都大于橫向，然而縱向方向的要求遠高于橫向方向，因此這種結構對有軌車輛相當有利，基于這種設計的車身在橫截面上可以于全場約20m的擠壓型材通過自動縫焊連接起來。圖9大型擠壓鋁合金車身設計門和窗戶連接成一個整體，擠壓型材的邊緣有焊接坡口，在需要墊片的地方采用無鉛焊接，另外，這些型材的凹槽和凸舌的配合使焊縫在焊接前能自動校準，很明顯，這個概念減少了主殼體的必需件、夾具以及勞動量。這種設計將導致鋁合金車體的門窗一體的結構在軌道車輛制造業成為一種主流，因為靠采用鋁合金來減輕重量不但沒有增加成本，反而開銷與鋼制車身相比大大減少。這種車體設計理所當然也應用到了高速列車上面，如IICE、TGV復式、ETR500等。圖10大型擠壓型材設計的高速列車這些列車的商業運行速度在220km/小時到300km/小時之間，因而乘客安全是最重要的考慮因素之一，當這些列車在專用線路上運行時，列車自動控制可以避免一切沖突，并且這些線路與公路交通沒有平交口，所以發生事故的概率非常低。相反，當高速列車在現有的線路上運行至都市中心時，雖然速度減慢了，但事故也不能100%排除在外，對于這種特殊事件，相關部門制定出了嚴格的能源管理標準和車輛規格，對于8輛編組的TGV復式列車，當它在120km/小時的速度下與重達60t的硬質物體相撞時，不管是駕駛艙還是乘客艙都無法承受這樣的結構實效和過度減速。能量的吸收位置一般在駕駛艙的鼻尖、駕駛艙的背后、動車的端部、額外連掛的行李車廂以及拖車和拖車的連接處。 圖11高速列車的能量吸收概念能量的總容量在6MJ范圍以內，力的承受范圍為2000到2500KN，頭車的能量吸收原件為由鋁制蜂窩材料做成的鼻尖，它是兩個橢圓形是由兩個受凸緣彎曲控制的橢圓形腹板和特殊的大尺寸矩形管構成。高速列車的最新設計概念是采用汽車的框架結構的能量解決方法，它們的結構只存在尺寸差異。圖12通過焊接中空型材組成的能量吸收原件圖13極限碰撞測試后高速列車的前部結構運行在英國西海岸干線上的擺式列車就是其中一個例子。混合設計歐洲高速磁懸浮列車選擇了一種完全不同的方式。圖14采用混合設計的磁懸浮列車TR08（最高時速450km/小時)憑借它400—500km/小時的商業運行速度，就意味著交通方式的選擇已經定位在航空和傳統鐵路運輸之間了，因此，費用相當重要，但對于這種高檔列車也不會很低，最優越的地方在于為了保證磁懸浮列車簡單的懸掛系統，它具有非常輕的車身重量，因為它選擇的事混合設計概念，即一個車體采用了不同類型的材料。這種磁懸浮列車車體采用的是鋁的復合材料，也就是鋁—PEI泡沫三明治板和鋁—GRP泡沫三明治板 ，其主要連接方式是激光焊接、鉚接和粘接。圖15由擠壓型材和三明治板組成的混合車體從橫截面來考慮，四角采用鋁合金擠壓型材，其他面采用金屬—泡沫三明治板，這樣，所以板面都是由一層泡沫夾芯和外面覆蓋的兩層鋁皮構成，所有邊緣都通過擠壓封閉，這些板面材料是通過熱固性樹脂粘在一起，另外，蒙皮是通過激光焊接到由擠壓型材構成的框架上的，這種方式主要適用不受高溫影響的塑料泡沫和膠黏劑，面板和四角的型材通過激光焊接連接起來，列車符合空氣動力學的鼻尖是由一塊通過真空注射成型工藝做成的GRP三明治板構成的，此元件是通過粘合劑與車身的棱柱連接。