楊延龍

（大連機(jī)車車輛有限公司城軌技術(shù)開發(fā)部，遼寧 大連116022）

0 前言

目前，國內(nèi)很多城市已經(jīng)建設(shè)或正在籌劃建設(shè)地鐵，地鐵車輛市場前景非常有潛力。其中不銹鋼地鐵車輛已成為當(dāng)今地鐵車輛中的主流產(chǎn)品。

不銹鋼車體相對(duì)于其它種類車體具有以下優(yōu)點(diǎn)：車體重量輕、耐腐蝕性能強(qiáng)、防火性能高、維護(hù)成本低、全壽命周期（30年）成本底、車體表面無需涂裝。

1 西安地鐵一號(hào)線車輛主要參數(shù)（單位：mm）

2 結(jié)構(gòu)方案

車體結(jié)構(gòu)符合標(biāo)準(zhǔn)EN12663-2000《鐵道車輛車體結(jié)構(gòu)要求》，類型歸屬于其中P-Ⅲ，即地下快速軌道交通車輛。

車體結(jié)構(gòu)由底架、側(cè)墻、端墻、頂棚和司機(jī)室（僅Tc車有）等構(gòu)成的薄壁筒型整體承載焊接結(jié)構(gòu)(如圖1)，能夠承受垂直、縱向、扭轉(zhuǎn)、自重、載重、牽引力、橫向力、制動(dòng)力等動(dòng)、靜載荷及作用力，使用期限30年內(nèi)能承受正常載荷的作用而不產(chǎn)生永久變形和疲勞損傷，具有足夠的剛度和強(qiáng)度，滿足維修和糾正脫軌等要求，車體可承受的縱向壓縮和拉伸靜載荷分別不低于800kN和640kN。

圖1 Tc車體鋼結(jié)構(gòu)

2.1 頂棚

頂棚鋼結(jié)構(gòu)是由兩根上弦梁、數(shù)根彎梁、空調(diào)機(jī)組平臺(tái)、受電弓平臺(tái)（僅Mp車）、側(cè)頂板、波紋頂板等組焊在一起(如圖2)。波紋頂板采用縫焊，其余板梁間均采用點(diǎn)焊。在車頂組件內(nèi)側(cè)設(shè)有剛性連接梁及吊座裝配，用于安裝車內(nèi)頂板、燈具、扶手和空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)道等部件，安裝牢固可靠。

空調(diào)機(jī)組平臺(tái)、受電弓平臺(tái)（僅Mp車）采用模塊化設(shè)計(jì)，整體與車頂邊梁組焊，設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到平臺(tái)的強(qiáng)度和剛度，保證平整，確保設(shè)備的正常使用。車頂能承受所支撐的負(fù)載及設(shè)備保養(yǎng)人員。

圖2 頂棚結(jié)構(gòu)

2.2 底架

底架組件由邊梁、橫梁、波紋地板和端底架組件焊接而成(如圖3)。底架骨架由兩根通長的冷彎滾軋不銹鋼邊梁與不銹鋼橫梁及端底架組焊成，骨架上面鋪設(shè)不銹鋼波紋地板。牽引梁是承受和傳遞牽引力、制動(dòng)力與沖擊力的主要部件,它由上下蓋板、立板、腹板焊接成箱形結(jié)構(gòu)。枕梁是轉(zhuǎn)向架和車體的連接機(jī)構(gòu)，由上蓋板、下蓋板、立板及加強(qiáng)板焊接成箱形結(jié)構(gòu)，枕梁與轉(zhuǎn)向架上的空氣彈簧安裝座相連。枕梁和牽引梁均采用耐候鋼材料。底架邊梁為通長的HT級(jí)不銹鋼冷彎型鋼，邊梁與橫梁之間用高強(qiáng)度不銹鋼連接板連接成框架結(jié)構(gòu)，連接板與不銹鋼梁之間采用點(diǎn)焊焊接。所有橫梁均采用不銹鋼壓型槽鋼，梁上開長圓孔,用來安裝電線管和制動(dòng)管。端部底架的枕梁、牽引梁和內(nèi)層邊梁、內(nèi)層端梁均采用耐候結(jié)構(gòu)鋼，內(nèi)襯碳鋼與外部不銹鋼采用塞焊焊接。枕梁、牽引梁和內(nèi)層邊梁及內(nèi)層端梁采用高耐候鋼，確保30年不用挖補(bǔ)修理。

圖3 底架結(jié)構(gòu)

2.3 側(cè)墻

側(cè)墻主要由側(cè)墻骨架、墻板、門框、門上梁裝配等組成(如圖4)。側(cè)墻板采用裝飾性的BG拉絲板，不帶波紋和壓筋，側(cè)墻骨架梁柱以高強(qiáng)度不銹鋼材料為主，梁柱斷面選用盆形，與外墻板點(diǎn)焊后形成箱形，從而加大斷面矩提高抗彎剛度。為防止在門區(qū)及端部出現(xiàn)蒙皮外板褶皺現(xiàn)象，增加內(nèi)襯補(bǔ)強(qiáng)板與梁柱、蒙皮點(diǎn)焊一體。

側(cè)墻門角和窗角為應(yīng)力集中區(qū)，再在窗角區(qū)域采用高強(qiáng)度級(jí)板補(bǔ)強(qiáng)。保證車體在縱向、垂向、扭轉(zhuǎn)等載荷作用下，強(qiáng)度、剛度滿足要求，門開、關(guān)運(yùn)動(dòng)自如。

圖4 側(cè)墻結(jié)構(gòu)

2.4 端墻

端墻由不銹鋼外板、立柱、橫梁和貫通道加強(qiáng)梁組成（如圖5），蒙皮與鋼結(jié)構(gòu)骨架焊接方式采用點(diǎn)焊方式連接，整個(gè)框架能夠滿足列車連掛載荷和能量吸收的要求。端墻和底架、側(cè)墻、頂棚組焊為一體后，有效地防止列車相撞時(shí)客室的受損變形，保證乘客安全。

圖5 端墻結(jié)構(gòu)

2.5 司機(jī)室

司機(jī)室玻璃鋼外罩內(nèi)預(yù)埋鋼骨架，玻璃鋼與鋼骨架組成整體結(jié)構(gòu)。司機(jī)室采用螺栓及焊接方式與車體連接；司機(jī)室前端底架上設(shè)有吸能區(qū)，可以吸收列車沖撞過程中的巨大沖擊能量，保護(hù)客室部分不損壞。玻璃鋼罩板需加強(qiáng)的部位預(yù)埋鋼板，整體玻璃鋼罩既有利于流線型司機(jī)室的實(shí)現(xiàn)，也有效地減輕了車重。

2.6 結(jié)構(gòu)連接

司機(jī)室后端梁通過連接螺栓與側(cè)墻、底架連接好，后端梁的頂部再與頂棚進(jìn)行塞焊連接；端墻與頂棚、側(cè)墻采用點(diǎn)焊焊接，端墻外蒙皮與底架采用塞焊焊接；側(cè)墻與底架邊梁采用點(diǎn)焊焊接；頂棚的側(cè)頂板與側(cè)墻采用點(diǎn)焊焊接。焊接前在相應(yīng)位置均勻涂抹導(dǎo)電密封膠。

圖6 結(jié)構(gòu)連接圖

3 有限元分析

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否該合理，按照EN12663標(biāo)準(zhǔn)，采用有限元分析法對(duì)西安地鐵一號(hào)線車體進(jìn)行靜強(qiáng)度、剛度分析。

3.1 有限元計(jì)算模型

基于有限元網(wǎng)格劃分軟件HyperMesh對(duì)車體進(jìn)行有限元離散，并采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)車體進(jìn)行靜強(qiáng)度、剛度分析。

根據(jù)車體結(jié)構(gòu)，建立車體相應(yīng)結(jié)構(gòu)和型材的中面線框并通過三維建模方法建立與之對(duì)應(yīng)的有限元分析所需的車體三維中面模型；

根據(jù)車體部件之間的焊接關(guān)系圖紙，在車體三維中面模型中，創(chuàng)建“鉚點(diǎn)”。“鉚點(diǎn)”轉(zhuǎn)化為單元結(jié)點(diǎn)，為點(diǎn)焊的“點(diǎn)對(duì)”準(zhǔn)確位置的確定創(chuàng)造了條件；

根據(jù)車體部件的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，將車體三維中面模型全部離散，由于“鉚點(diǎn)”的存在，點(diǎn)焊的點(diǎn)對(duì)隨之生成，車體有限元模型則以任意四節(jié)點(diǎn)薄殼單元為主，三節(jié)點(diǎn)薄殼單元為輔。

圖7 車體結(jié)構(gòu)有限元模型

3.2 計(jì)算工況

其中：整備狀態(tài)下的車輛自重m1，轉(zhuǎn)向架重量m2，超員AW3。

3.3 計(jì)算結(jié)果

車體的剛度和靜強(qiáng)度分析結(jié)果：垂直靜載荷超員負(fù)載條件下，車體中心線上邊梁的垂向位移為11.6mm，Mp車體中心線上邊梁的垂向位移為10.3mm。根據(jù)EN12663標(biāo)準(zhǔn)。車體在超員負(fù)載（AW3）條件下，車體中心線上邊梁的靜態(tài)撓度不應(yīng)超過車輛兩轉(zhuǎn)向架中心距的千分之一，即12.6mm。根據(jù)計(jì)算應(yīng)力，車體在垂直載荷、縱向壓縮工況、縱向拉伸工況、救援工況、吊裝工況及扭轉(zhuǎn)載荷工況作用下，車體各部件的最大應(yīng)力均未大于車體該部位所用材料的許用應(yīng)力，車輛設(shè)計(jì)滿足要求。

表1 Tc車車體最大應(yīng)力

表2 Mp車車體最大應(yīng)力

4 車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)

2012年5月，由青島四方車輛研究所，按JIS E7105-2006《鐵道車輛車體的靜載荷試驗(yàn)方法》和EN12663標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車體鋼結(jié)構(gòu)，進(jìn)行垂向載荷試驗(yàn)、車端壓縮載荷試驗(yàn)、車端拉伸載荷試驗(yàn)、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)、三點(diǎn)支承試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均滿足要求，并且與計(jì)算結(jié)果基本相符。

5 結(jié)束語

目前，西安地鐵一號(hào)線地鐵已正式運(yùn)營，再次證明了車輛指標(biāo)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，西安地鐵一號(hào)線項(xiàng)目的順利進(jìn)行為我司不銹鋼車輛生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。根據(jù)目前國內(nèi)外城市軌道交通和地鐵車輛市場的需求，不銹鋼車體的車輛將會(huì)被廣泛應(yīng)用。