磁悬浮列车文献综述.docx

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磁悬浮列车文献综述

磁悬浮列车文献综述

高速磁悬浮列车的轻量化设计

摘要

当今的高速列车运行速度为200至320公里每小时，磁悬浮列车为400到500公里每小时，而轮轨式列车的世界纪录为515公里每小时，磁悬浮列车为552公里每小时，只有当轻量化设计系统利用时才能达到这个速度，低轴重对基础装置的使用寿命至关重要，较低的整体重量对减小制动力和制动效率也是必要的，列车配置对座椅舒适度的影响也是相当明显的，对于给定配置的列车，尽管为了满足强度、刚度、消音等要求而增加额外的质量，但最后仍要强制性地轻量化设计，与许多高速列车相比，如TGV复式，Talgo摆式，ETR500，PendolinoWMCL以及ICN等，磁悬浮列车TR08的特殊性就在于乘客的乘坐安全性，并且属于耐撞车辆的，因此未来的发展趋势显而易见。

简介

钢轮钢轨之间的相互作用是导致轨道列车的滚动阻力比橡胶轮胎与路面的滚动阻力低5—10倍直接原因，这为单一机车牵引重载列车提供了可能性，在大量铁路干线中很少要显示坡度超过25‰的，在此基础上还有两个事实，铁路客车的皮重对长途大运量线路影响不是很大，而陡坡山区的铁路和频繁停车和加速的通勤服务车，轻量化设计却显得尤为重要。

当长途列车速度增加时，其他因素将变得更加重要。

首先，动态负荷对重载轴具有负面影响，另外，列车需要尽可能大的功率因数以至于能保持一个最快速度等级的加速度。

这就意味着，即使高速列车需要更强大的发动机，更有力的刹车系统，更好的声音衰减设备等，但对于高速列车，轻量化设计依然很必要。

轻量化概念设计

一列典型的长途列车一般设计1000个座位，由14至16节车厢组成，每节车厢长26至27米、重50到60吨。

动力为6000—8000KW的电气机车，重量将增至80到90吨。

图1列车轻量化设计

在非电气化线路上列车应至少有两台内燃机车，以确保列车具有两个相同性能。

这将导致列车相当于每个乘客座位重达900—1000kg，或相当于中档车辆重量的两到三倍。

咋一看到这种比例将会感到十分惊讶，但考虑到这种列车的高舒适度就不会觉得那么糟糕了，例如，每位乘客在火车上有2—3m3的空间，与不足1m3空间的汽车相比，四处走动、有厕所或酒吧等都是有可能的。

图2标准长途列车铝合金壳体的炮弹型“钢结构设计”

然而，铁路工程师对搜集到的轻量化设计可能性进行分析，提出两个重要的部件，转向架和主机壳体，这两个部件的重量占车辆总重量的50%以上。

一个对减轻重量有讲究的概念设计，是建立一个铰接列车组成的双数机构，每个标准车厢的中部的每一个关节都有独立的传动装置来取代转向架。

由于短车身的自然弯曲频率远大于长车身，所以车轴数和车体刚度都能减半，这两个概念上的变化将导致每个座位的重量比小型化的原件或材料用于轻量化设计之前轻80kg左右。

图3铰接摆式列车TALGO的大型挤压设计

另外一种概念变化是以双层车厢来取代单层车厢，从而9辆双层车厢座位数就等于14两单层车厢的座位数，这将使每个座位减轻170kg的重量，也可以采取两种方案相结合的设计。

图4芬兰国家铁路的双层列车

两轴转向架支持一个关节和一个独立双层车体组合的车辆长度约为18m，在这样的配置下，一列1000个座位的列车只需要12—13两双层车厢，与传统车厢相比，每个座位的重量将控制在260kg以下。

图5TGV复式列车（铰接式双层列车）

结构的轻量化设计

把铝材用于铁路车辆轻量化设计已经有一段历史，而目前也用到了铝合金材料，与早期相比，现在着重发展新技术是非常有价值的。

在进行铁路车辆生产之前与汽车生产做一个简单比较也是相当有意义的，汽车产业在不断研发、生产和销售不同款型的车辆，且没款车的产量都数以万计，其前期成本非常昂贵（百万欧元到几十亿欧元），但批量生产成本相当低，在车辆制造业中，车队所有者非常希望能与中标者研发并生产指定规格的车辆，批量的大小是在小于100到最佳的1000单位左右，并以1—2个单位每周的生产速率生产。

这样的小系列化不能为巨大的前期投入提高空间，甚至卖给顾客的产品原型都必须可升级为系列化配置，从而前期成本为15—25万欧元，但单位生产仍然很高。

飞机轻量化技术在车体上的应用

欧洲最早设计的两款高速列车的铰接机构的极端轻量化设计都运用到了飞机轻量化技术，即TALGO和TEE。

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

图13极限碰撞测试后高速列车的前部结构

运行在英国西海岸干线上的摆式列车就是其中一个例子。

混合设计

欧洲高速磁悬浮列车选择了一种完全不同的方式。

图14采用混合设计的磁悬浮列车TR08（最高时速450km/小时）

凭借它400—500km/小时的商业运行速度，就意味着交通方式的选择已经定位在航空和传统铁路运输之间了，因此，费用相当重要，但对于这种高档列车也不会很低，最优越的地方在于为了保证磁悬浮列车简单的悬挂系统，它具有非常轻的车身重量，因为它选择的事混合设计概念，即一个车体采用了不同类型的材料。

这种磁悬浮列车车体采用的是铝的复合材料，也就是铝—PEI泡沫三明治板和铝—GRP泡沫三明治板，其主要连接方式是激光焊接、铆接和粘接。

图15由挤压型材和三明治板组成的混合车体

从横截面来考虑，四角采用铝合金挤压型材，其他面采用金属—泡沫三明治板，这样，所以板面都是由一层泡沫夹芯和外面覆盖的两层铝皮构成，所有边缘都通过挤压封闭，这些板面材料是通过热固性树脂粘在一起，另外，蒙皮是通过激光焊接到由挤压型材构成的框架上的，这种方式主要适用不受高温影响的塑料泡沫和胶黏剂，面板和四角的型材通过激光焊接连接起来，列车符合空气动力学的鼻尖是由一块通过真空注射成型工艺做成的GRP三明治板构成的，此元件是通过粘合剂与车身的棱柱连接。

采用这种设计的驾驶室在600km/小时的速度下能承受1kg物体的撞击作用，并且在外表面还嵌入了铜丝网，防止雷电对车身造成损坏。

这种轻量化设计的效果甚至会好过飞机的设计，因为所有的三明治板都具有良好的绝缘性与隔音性，也就是说这种使重量减轻的想法也适合室内装饰。

总结

随着列车速度的不断提高，列车的重量问题也越来越关键，列车的结构轻量化设计将成为一条必经之路，另一种方法是采用轻质材料。

对历史概况回顾之后，一种最新的解决方案将被给出。