李树鹏，贺婷婷
中车长春轨道客车股份有限公司 吉林长春 130000
摘要：整车轻量化可以降低车辆的运行阻力，节省牵引力和制动力，进而提高车辆整体性能。本文基于高速动车组车下设备舱底板原有铝蜂窝结构，通过改变底板材料，采用玻/碳纤维复合材料实现底板减重，为后续高速动车组减重设计提供参考基础。
关键词：高速动车组；减重；新材料；底板
对高速动车组车整体，轻量化是实现节能减排的重要手段。目前主要从材料和结构两方面研究轻量化技术。设备舱底板当前运用比较成熟的技术为铝蜂窝结构，在当前高速动车组上应用广泛，更换新材料，采用玻/碳纤维复合材料是降低设备舱重量较为有效的方法，对整车的减重提供参考，具有很深入的研究空间。
1 设备舱底板功能简介
底板主要用于封闭设备舱，保证设备舱里面结构安全密封，防止雨、雪、灰尘等进入同时封闭舱体，对空气阻力很小，起到了导流作用，备舱底板主要采用铝蜂窝复合材料，主要分为抽拉式底板和固定式底板。
设备需检修的底板采用抽拉式底板，抽拉式结构的底板沿车宽方向分为两块底板，底板安装时沿着滑道滑入滑道横梁中，中部采用楔形块压紧结构，每块底板的侧部采用两个螺栓与支撑槽固定，拆装方便，检修维护工作量较小。如图1-1所示。
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设备不需要检修或需要开孔的底板采用固定式底板，设备需开孔的底板结构、相采用固定底板+抽拉式底板结构。所有开孔集中在中间固定式底板上，固定式底板采用螺栓连接固定，并设置安全插销，如图1-2所示。
现有的底板中间面板采用铝蜂窝结构，中间用铝蜂窝作为面板主体，上下粘接等厚度的铝板，其结构为铝板蜂窝三明治复合板结构，周边铝型材封边，与车体通过底板锁连接，并使用橡胶密封条封闭处理。
设备舱底板整体为封闭型复合结构，强度及刚度满足实际运用需要，应能承受3000Pa 静载荷；设备舱底板还需模拟列车整个寿命过程中在实际运行时所承受的内外正负压强（±2500Pa）及振动频率（1~2Hz）的疲劳载荷；设备舱底板整体满足DIN5510或EN45545防火标准等技术要求。
2 设备舱底板减重方案
设备舱底板结构采用铝蜂窝加铝板复合结构，由于要满足强度和运用要求，铝蜂窝才用整体成型结构，厚度较厚，而且铝的密度为较高。
针对上述问题，本文采用玻璃钢碳纤维复合材料加纸蜂窝结构来完成底板面板的设计，其铺层采用2层碳纤维预浸料+1层玻纤维预浸料+胶膜+纸蜂窝芯+胶膜+ 1层玻纤维预浸料+ 1层碳纤维预浸料。
玻/碳纤维预浸料：由玻/碳纤维织物、环氧树脂等材料，经特殊工艺加工而成。具有成型容易，便于加工，耐腐蚀，寿命长等优点，将其应用于车身及其它零部件的设计，满足性能的前提下,相对于表面复合的蒙皮可减重30%左右，其物理性能见图2-1；
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胶膜：用于玻/碳纤维与纸蜂窝芯之间的一种半固化的环氧树脂的纤维材料，热固化后具有很强的粘接性能。
芯材：使用航空级纸蜂窝芯，质轻，但具有非常高的强度和刚度，在航空领域广泛应用。
新方案为保证底板的安全、可靠性，周边框架依然采用6系铝合金骨架，中间复合板为玻/碳纤维复材，厚度根据安装位置控制在20~30mm，这样既保证了底板的安全、可靠性，又实现节能减重效果。
为了让复合材料设备舱底板强度更可靠，把两侧型材后改为槽型结构，利用插接结构安装，同时焊接框架内部，端部采用丙烯酸结构胶固定，两侧滑槽内采用改性硅烷胶填充，减少内部碰撞造成的破坏，在端部插入型材位置的需要在型材上开沉头孔，同时在玻/碳纤维中预埋钢板，通过沉头螺钉将框架及复材板进行机械式固定，见图2-2。
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根据设备舱底板的技术要求，对新方案底板仿真分析及试验验证：
仿真分析如下：
（1） 设备舱底板在静态工况下的最大位移为11.66mm，在疲劳载荷工况下的最大位移为9.7mm。
（2）在静态载荷工况条件下，底板主要部件的应力低于材料的屈服值，满足EN12663标准规定的S1和S2。因此，设备舱结构在规定的静态载荷条件下合格。
（3）在疲劳载荷工况条件下，设备舱型材的最大应力幅值为97.80MPa，低于材料的疲劳许用值。碳纤应变均在许用值之内，满足疲劳强度要求。因此，设备舱结构在规定的疲劳载荷条件下合格。
试验验证：
经试验验证，复合材料的设备舱底板在防火、防水、老化、等试验均满足设计要求。
4结语
通过计算分析和试验对比，新方案复合型设备舱底板满足高度动车组整体运用要求，其采用新材料的设备舱底板在重量上对比如下：
1.单对复材板与铝蜂窝板进行重量比对：可减重44.17%左右；
2.按整列车底板进行重量比对：可减重25%左右。
参考文献：
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[2] 王明猛，肖守讷，罗丹.芳纶纤维复合材料在高速试验列车设备舱底板上的应用研究。《铁道车辆》-2013.
[3] 郑晓谦，陈晓敏，金学斌.一种高速动车碳纤维复合材料设备舱横梁及其制作方法.《纤维复合材料》-2018.