高速列车内饰件轻量化设计

摘 要：高速列车内饰作为面向乘客的界面，在整车性能及乘客安全性、舒适性等方面都有着不可替代的作用。合理选用内饰材料，使用新材料、新工艺，实现最大程度的轻量化设计。对提高高速列车的舒适性、安全性都有着重要的作用。

关键词：高速列车 轻量化 复合材料

中图分类号：U271.42 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）03（b）-00-02

在当今中国高速列车发展的背景下，内饰产品作为列车的一个重要组成部分，不但要满足在列车高速运行中的安全要求，还要最大限度的保证乘客的舒适度。在此前提下，轻量化设计及制造是高速轨道交通发展的重要方向，其必要性在于：轻量化对降低动力耗能成本费用有显著地作用；降低地基震动，提高减震降噪的性能；有利于提高舒适度，提高车辆的行走性能，特别是减轻簧下重量，减少车辆高速运行时轮轨冲击载荷；轻量化能减轻轨道载荷，减小钢轨的磨耗及轨道变形，可显著降低线路建设及铁路维护的费用。

复合材料已在航空航天、轨道交通、基础建设中发挥了巨大的作用，除了作为内部设备和装饰材料外，在承载结构上应用也越来越广泛。高速列车内饰结构件应用的是三明治结构的铝蜂窝、泡沫芯材等芯材。复合材料做成的构件，有重量轻、强度高、刚性大等特点。

1 瓦楞板在高速列车内饰中的应用

现阶段在高速列车内饰中大量使用的复合结构为铝蜂窝、PVC塑料泡沫作为芯材复合铝板制作而成，在使用过程中虽然表现出很好的性能，但是和瓦楞板相比无论实在减轻重量，还是在设计、制作等环节都存在许多不足之处。以新一代8编组动车组端部平顶板为例，瓦楞板重量为407 kg/列，而铝蜂窝、PVC塑料泡沫作为芯材的复合结构重量为560 kg/列。相比之下瓦楞板结构重量减少153 kg/列，重量减轻了27%，可见瓦楞板对于减重方面所作出的贡献是非常巨大的。

铝蜂窝、PVC塑料泡沫作为芯材的结构设计者不但需要内饰件的功能和结构，还需要花费大量的时间去考虑内饰件补强预埋、开孔预埋等以保证安装强度。由于大量预埋件的存在，不但增加了内饰件的加工难度，降低了表面质量，也增加了内饰件的重量。而瓦楞板本身具有较好的强度和机械性能，设计者可以将精力更多的集中在产品的使用功能和外观要求上。

1.1 机械性能对比

在制造过程中，铝蜂窝、PVC塑料泡沫芯材复合铝合金面板、背板、预埋件等都需要花费大量的时间，且一旦涂胶开始复合，操作者对于产品外观质量的控制难以进行控制，偶然性因素较多。相比之下，瓦楞板对于内饰件来说已经属于半成品，制造过程中只需要加工产品外形、安装配件。整个过程工序少、省去了复合的时间、产品的尺寸及外观要求能够得到很好保证。为了验证铝蜂窝、PVC塑料泡沫芯材复合铝板是否满足高速列车对内饰件的性能要求，对这三种材料进行了试验测试。

数据表明瓦楞板在机械性能方面除拉伸强度低于于PVC塑料泡沫芯材外，抗压强度、弯曲强度、剥离强度均高于铝蜂窝、PVC塑料泡沫芯材复结构（表1）。

1.2 动力学特性对比

对比使用三种材料制成的内饰件模态试验和振动放大系数测试实验的数据，铝蜂窝、PVC塑料泡沫芯、瓦楞板的结构固有频率为：43 Hz、45.5 Hz和44.9 Hz，使用同一种传感器实验测得的三种结构在各自固有频率附近的放大系数分别为6.5、10.5、13.5。

通过以上数据可以得出结论：在相同条件下瓦楞板结构振动最小，其次为PVC塑料泡沫芯和铝蜂窝结构。鉴于瓦楞板结构在振动放大系数实验中的优异性能，进一步对瓦楞板结构进行了疲劳强度测试、三点弯曲测试、高低温干湿度实验、振动实验等。疲劳实验方面对实验样件施加10 Hz，大小为170N±10N的交变载荷500000次。

通过500000次交变载荷测试之后，实验样件没有发生可见的损坏。根据瓦楞板结构本身的特点，分别在纵向和横向两个方向对实验样件进行了三点弯曲实验。测试结果在纵向和横向两个方向的弯曲强度分别达到346 MPa和164 MPa。

为了验证瓦楞板结构在恶劣环境下的可靠性，对瓦楞板样件进行了高低温干湿度测试，实验结束后瓦楞板没有出现起泡、起皱、变色、发霉等现象。振动实验方面，将样件按实车形式安装在垂直振动台上，设定振动台的振动条件为0.4 g振动加速度、5～60 Hz频率范围内以5 Hz频率间隔输入对实验样件进行单频振动实验，每次振动实验时间为10 min。实验结束后样件无可见损坏，样件的附件为发生松动、脱落等。

1.3 结语

通过以上对比，使用瓦楞板结构制作高速列车内饰件比传统的铝蜂窝、PVC塑料泡沫芯复合结构更容易实现轻量化设计，而且在制作工艺、机械性能方面也有大幅度的提升，能够满足高速列车内饰件的使用要求。

2 纤维预浸料复合材料在高速列车内饰中的应用

2.1 优异的机械性能

纤维预浸复合材料是由基体材料（支撑增强材料，并以剪应力形式将外载传递给增强材料）、夹心材料（结构泡沫、铝蜂窝、聚合物材料等）和纤维增强体（承载作用，主要有碳纤维、芳纶、硼纤维、碳化硅纤维和玻璃纤维）复合而成具有优异性能的新型材料，是迅速发展的一种新型材料。纤维预浸复合材料可以根据需求，通过选择合适的基体夹心材料进行复合，充分发挥复合材料性能优势。纤维预浸复合材料具有单一材料（金属、陶瓷等）难以达到的综合性能，如高比强度、高比刚度、高比模量、结构稳定、抗疲劳、耐腐蚀、结构易设计、低裂纹扩展速率、较好的结构阻尼、隔热、耐磨性、良好的尺寸稳定性、良好的成型工艺等。

纤维预浸料复合材料产品制造工艺多数是近终形成型，制造出的产品，不需进行机械加工，成产效率高，制造成本低。目前纤维预浸料复合材料在高速轨道列车的结构中还应用较少，且纤维预浸料及其复合材料主要靠进口。随着国产纤维技术的成熟应用及市场化的发展，必将带动国内纤维复合材料应用的发展。纤维复合材料在高速轨道列车轻量化、降低成本方面的应用也将更为广泛。

2.2 相关技术发展趋势

在国外纤维预浸料复合材料已在轨道交通中广泛应用，随着轨道车辆综合性能的提高，

其使用材料也逐渐发生变化。法国国营铁路公司（SNCF）对未来的TVG高速列车，考虑到

迫切需要进行进一步减轻车体重量，认为只能采用碳纤维复合材料，并进行了进行线路运营试验，对其防火性能、抗冲击强度等进行测试，证实了碳纤维复合材料车体的制造工艺是有效的，用碳纤维复合材料制成的车体比铝合金重量减少25%。同时也证实了碳纤维复合材料车体在振动性能、透声性能和隔热性能方面等也有优势，提高了乘客的舒适度，碳纤维复合材料不可避免的将取代铝合金。

3 结语

随着高速铁路在我国迅速的发展，无论是车辆内饰件还是车体结构的轻量化设计，都提出了更高要求。更多新型的复合材料以其优异的性能，将在高速铁路中有更广阔的应用空间，高速铁路也朝着更安全、更环保、更安全的趋势发展。

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