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摘要：轻量化是响应国家节能减排要求的重要举措，是衡量车辆先进与否的重要参数。在满足用户需求并保证车辆有足够的强度裕量前提下，对车辆进行轻量化设计，是先进的城轨地铁车辆设计理念、成熟的制造工艺性体现。本文从既有成熟的城轨地铁车辆上借鉴经验，结合城市轨道车辆的发展技术方向，分别从材料选型、部件设计、连接技术、系统功能整合等方面就车辆轻量化设计提出相应措施进行探讨分析。
关键词：地铁车辆;轻量化;结构设计
0 引言
城市轨道交通的发展是解决国家交通拥堵问题的有效途径。统计资料显示，在线运行、在建和规划建设的城市轨道交通线路中地铁制式占比接近80%，将近其它轨道交通制式总和的4倍。表明现阶段地铁仍是我国城市轨道交通的主体部分，当前解决了中国地铁的问题相当于解决了我国城市轨道交通的问题。
“十三五”发展以来，国家大力倡导发展轨道交通系统，构建综合、绿色、安全、智能的立体化世界一流现代化城市交通系统，国内的轨道交通行业开展自主创新，在轨道交通装备方面取得了长足的进步，逐步突破制约行业发展的核心技术，车辆实现自主设计、制造、试验、验证。重量作为衡量整车的一个参数，合理的控制重量是改善车辆运行工况的重要因素。其中车辆轻量化方面，在符合合理的成本条件下，降低车辆自重，减少运动阻力，就是起到对整车车辆使用时经济的效益最大化，从而响应了国家环保节能的重要举措。
本文从车辆系统及部件的最新发展技术角度，对车辆可实现轻量化的措施和轻量化方向进行介绍。
1 车辆轻量化结构设计的措施探讨
1.1 特殊材料的选型设计
车辆实现轻量化，首先在确保车辆结构的刚度和强度，选用合理的材料越发重要。目前在车内的复合材料应用比例越来越多，像P3板、AIR-PLU板、酚醛树脂发泡板、轻芯钢等材料逐步发展起来。轻芯钢是一种新型复合材料，图1所示，密度约为玻璃钢的五分之一，具有轻质度高、隔音降噪、保温阻燃、耐腐功能，可应用在城轨道车辆上的风道、地板、顶板、侧墙上，从而实现地铁车辆局部的减重。
在车辆顶部空调、车辆下部材料选用方面，从传统的碳钢、不锈钢材料，到目前可应用轻质铝合金、铝基复合材料，如图2、图3所示。其中铝基合金材料重量轻，摩擦系数稳定、散热性好，在车辆顶部和车下适当位置的应用可降低约60%的重量。
近年来镁合金材料在轨道车辆上也有应用案例，如图4所示，此产品为我司某项目车辆内部的纵横梁。镁合金具有质量轻、强度、振动衰减特性优良的特点，但同时对加工工艺、耐火、耐腐蚀提出较高要求。它的比重约铝合金的68%，其成本与铝合金差异不是很多，应用推广具有较大前景。
1.2 轻量化的结构设计
当前城市轨道交通车辆车体所用材料主要为铝合金、不锈钢，车体结构包括由上部承力梁、下部承力梁、立柱、侧梁而构成框架结构。车体结构轻量化设计，主要通过优化车辆断面型材，简化内部安装接口，适当减少底架地板等部件的强度冗余，在强度薄弱的位置加强，使车体满足高抗拉压性能的同时，从而实现车体的轻量化的目的。例如在相同高度等条件下，采用鼓型断面将比直型断面更重，如图5所示。在提供大的客室空间并满足车辆载客需求下，选用优化后的车体断面对整车的重量是有重要意义的。因此，采用优化后的鼓型、直形车辆断面，直接决定了内部的安装接口，根据设定合理的接口和简化安装的附件，同样能达到降重量的目的。
在轨道车辆上，通过各系统标准化、模块化的集成设计，可以实现部件有效降重。例如某车型的制动供风模组设计，模块安装与控制功能实现一体化，有效降低框架使用量。
此外轨道车辆上，部分结构的优化设计，可实现轻量化目的。例如车头位置的防爬装置如图7、图8所示，通过优化结构及原理设计，在有限空间下，其采用刨削式吸能原理和玻璃纤维增强型的吸能装置，满足一定的碰撞力条件下，其结构设计相对轻便。
1.3 车体新型的表面工艺及连接技术
当前城市轨道交通车辆的发展以绿化环保、低碳节能、可持续发展为目标，其车体材料以铝合金为主体的技术方案越来多，但铝合金车体的涂装等也是车辆考虑的工艺之一。这是由铝合金材料耐腐蚀性能决定的，目前已在开展铝合金免涂装车体工艺研究，免涂装车体表面处理可采用拉丝或涂纳米陶瓷等新型的工艺。随着技术的发展，未来的免涂装车体将是绿化环保的发展技术方向，也是对整车轻量化的技术设计体现。此外车体连接的新技术如搅拌摩擦焊、电阻点焊已逐渐成熟应用，激光焊、新型钎焊等连接技术不断发展，随着工艺技术发展，逐步实现简化车体接头设计，减少填充材料，推动车体结构的轻量化向前发展。
1.4 车辆系统功能整合
①通过合理配置牵引系统，使系统功能的设备总质量下降。以碳化硅为功率模块的牵引系统，实现轻量化的箱体设计;永磁同步牵引技术，具有能耗低、噪声低等特点;永磁电机具有体积小、重量轻、过载能力强、效率高等优点，使车辆更节能环保、平稳舒适，如图9所示。
②改善车辆辅助系统，实现小型化和轻量化。如车辆上电池辅助系统，若采用锂电池的应用，则相比铅酸、镍镉蓄电池，在重量、尺寸、循环寿命等方面具有优势，如图10所示;高频辅变的应用，则提高辅助电源功率密度，降低系统电磁噪声，实现箱体的小型化及轻量化。
采用集成式模块化设计方案。
③车内多功能技术的整合。例如在车内门立柱上整合局部加热装置等，如图11。此外在整车上除上述提及的还有热泵变频空调技术、LED照明技术等集成从而实现列车轻量化目的。
总之，从车辆总体到系统部件进行统计分析，结合各系统主要技术特点，提取主要特征及性能参数的主流配置，分析归纳出实现可实现车辆轻量特征的技术路线，从而实现整车自重的控制。
2 结论
通过上述的探讨分析，整车节约重量潜力可从以下几方面进行：
①选用新材料和设计新结构实现整车的輕量化;
②在满足载客空间下，对车体结构优化及轻量化设计，并选用合理断面;
③采用新型工艺技术，重点关注表面处理技术的改进及新型的连接工艺;
④牵引辅助、制动等系统的合理配置，功能系统的整合，降低系统重量。
参考文献：
[1]徐小平，刘厚林.宁波轨道交通1号线一期车辆轻量化技术的研究与应用[J].电力机车与城轨车辆，2018.
[2]孙永飞，罗文静，陈贺峰，邸云龙，刘攀.探讨汽车底盘悬架关键部件轻量化设计[J].内燃机与配件，2020（04）：20-21.
[3]孟钰朋.城轨车辆中工业设计的应用[J].内燃机与配件，2018（09）：25-27.
关键词：地铁车辆;轻量化;结构设计
0 引言
城市轨道交通的发展是解决国家交通拥堵问题的有效途径。统计资料显示，在线运行、在建和规划建设的城市轨道交通线路中地铁制式占比接近80%，将近其它轨道交通制式总和的4倍。表明现阶段地铁仍是我国城市轨道交通的主体部分，当前解决了中国地铁的问题相当于解决了我国城市轨道交通的问题。
“十三五”发展以来，国家大力倡导发展轨道交通系统，构建综合、绿色、安全、智能的立体化世界一流现代化城市交通系统，国内的轨道交通行业开展自主创新，在轨道交通装备方面取得了长足的进步，逐步突破制约行业发展的核心技术，车辆实现自主设计、制造、试验、验证。重量作为衡量整车的一个参数，合理的控制重量是改善车辆运行工况的重要因素。其中车辆轻量化方面，在符合合理的成本条件下，降低车辆自重，减少运动阻力，就是起到对整车车辆使用时经济的效益最大化，从而响应了国家环保节能的重要举措。
本文从车辆系统及部件的最新发展技术角度，对车辆可实现轻量化的措施和轻量化方向进行介绍。
1 车辆轻量化结构设计的措施探讨
1.1 特殊材料的选型设计
车辆实现轻量化，首先在确保车辆结构的刚度和强度，选用合理的材料越发重要。目前在车内的复合材料应用比例越来越多，像P3板、AIR-PLU板、酚醛树脂发泡板、轻芯钢等材料逐步发展起来。轻芯钢是一种新型复合材料，图1所示，密度约为玻璃钢的五分之一，具有轻质度高、隔音降噪、保温阻燃、耐腐功能，可应用在城轨道车辆上的风道、地板、顶板、侧墙上，从而实现地铁车辆局部的减重。
在车辆顶部空调、车辆下部材料选用方面，从传统的碳钢、不锈钢材料，到目前可应用轻质铝合金、铝基复合材料，如图2、图3所示。其中铝基合金材料重量轻，摩擦系数稳定、散热性好，在车辆顶部和车下适当位置的应用可降低约60%的重量。
近年来镁合金材料在轨道车辆上也有应用案例，如图4所示，此产品为我司某项目车辆内部的纵横梁。镁合金具有质量轻、强度、振动衰减特性优良的特点，但同时对加工工艺、耐火、耐腐蚀提出较高要求。它的比重约铝合金的68%，其成本与铝合金差异不是很多，应用推广具有较大前景。
1.2 轻量化的结构设计
当前城市轨道交通车辆车体所用材料主要为铝合金、不锈钢，车体结构包括由上部承力梁、下部承力梁、立柱、侧梁而构成框架结构。车体结构轻量化设计，主要通过优化车辆断面型材，简化内部安装接口，适当减少底架地板等部件的强度冗余，在强度薄弱的位置加强，使车体满足高抗拉压性能的同时，从而实现车体的轻量化的目的。例如在相同高度等条件下，采用鼓型断面将比直型断面更重，如图5所示。在提供大的客室空间并满足车辆载客需求下，选用优化后的车体断面对整车的重量是有重要意义的。因此，采用优化后的鼓型、直形车辆断面，直接决定了内部的安装接口，根据设定合理的接口和简化安装的附件，同样能达到降重量的目的。
在轨道车辆上，通过各系统标准化、模块化的集成设计，可以实现部件有效降重。例如某车型的制动供风模组设计，模块安装与控制功能实现一体化，有效降低框架使用量。
此外轨道车辆上，部分结构的优化设计，可实现轻量化目的。例如车头位置的防爬装置如图7、图8所示，通过优化结构及原理设计，在有限空间下，其采用刨削式吸能原理和玻璃纤维增强型的吸能装置，满足一定的碰撞力条件下，其结构设计相对轻便。
1.3 车体新型的表面工艺及连接技术
当前城市轨道交通车辆的发展以绿化环保、低碳节能、可持续发展为目标，其车体材料以铝合金为主体的技术方案越来多，但铝合金车体的涂装等也是车辆考虑的工艺之一。这是由铝合金材料耐腐蚀性能决定的，目前已在开展铝合金免涂装车体工艺研究，免涂装车体表面处理可采用拉丝或涂纳米陶瓷等新型的工艺。随着技术的发展，未来的免涂装车体将是绿化环保的发展技术方向，也是对整车轻量化的技术设计体现。此外车体连接的新技术如搅拌摩擦焊、电阻点焊已逐渐成熟应用，激光焊、新型钎焊等连接技术不断发展，随着工艺技术发展，逐步实现简化车体接头设计，减少填充材料，推动车体结构的轻量化向前发展。
1.4 车辆系统功能整合
①通过合理配置牵引系统，使系统功能的设备总质量下降。以碳化硅为功率模块的牵引系统，实现轻量化的箱体设计;永磁同步牵引技术，具有能耗低、噪声低等特点;永磁电机具有体积小、重量轻、过载能力强、效率高等优点，使车辆更节能环保、平稳舒适，如图9所示。
②改善车辆辅助系统，实现小型化和轻量化。如车辆上电池辅助系统，若采用锂电池的应用，则相比铅酸、镍镉蓄电池，在重量、尺寸、循环寿命等方面具有优势，如图10所示;高频辅变的应用，则提高辅助电源功率密度，降低系统电磁噪声，实现箱体的小型化及轻量化。
采用集成式模块化设计方案。
③车内多功能技术的整合。例如在车内门立柱上整合局部加热装置等，如图11。此外在整车上除上述提及的还有热泵变频空调技术、LED照明技术等集成从而实现列车轻量化目的。
总之，从车辆总体到系统部件进行统计分析，结合各系统主要技术特点，提取主要特征及性能参数的主流配置，分析归纳出实现可实现车辆轻量特征的技术路线，从而实现整车自重的控制。
2 结论
通过上述的探讨分析，整车节约重量潜力可从以下几方面进行：
①选用新材料和设计新结构实现整车的輕量化;
②在满足载客空间下，对车体结构优化及轻量化设计，并选用合理断面;
③采用新型工艺技术，重点关注表面处理技术的改进及新型的连接工艺;
④牵引辅助、制动等系统的合理配置，功能系统的整合，降低系统重量。
参考文献：
[1]徐小平，刘厚林.宁波轨道交通1号线一期车辆轻量化技术的研究与应用[J].电力机车与城轨车辆，2018.
[2]孙永飞，罗文静，陈贺峰，邸云龙，刘攀.探讨汽车底盘悬架关键部件轻量化设计[J].内燃机与配件，2020（04）：20-21.
[3]孟钰朋.城轨车辆中工业设计的应用[J].内燃机与配件，2018（09）：25-27.