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        菲律賓馬尼拉3號(hào)線增購(gòu)車底架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        2018-04-02 07:29:53韓雪松曲曉梅曹艷艷
        科技視界 2018年3期
        關(guān)鍵詞:不銹鋼結(jié)構(gòu)

        韓雪松 曲曉梅 曹艷艷

        (中車大連機(jī)車車輛有限公司(城軌技術(shù)開(kāi)發(fā)部),遼寧 大連 116022)

        0 前言

        菲律賓馬尼拉3號(hào)線車輛為新型鉸接式地鐵車輛,采用+A*B*C+編組形式,其中 A、B、C代表車輛,‘+’代表車鉤,‘*’代表轉(zhuǎn)向架,編組如圖1所示。 列車共有四個(gè)轉(zhuǎn)向架,其中兩個(gè)轉(zhuǎn)向架設(shè)在車輛之間鉸接處,車體結(jié)構(gòu)符合標(biāo)準(zhǔn) EN12663:2010“鐵道車輛車體結(jié)構(gòu)要求”。

        圖1 車輛編組圖

        1 車體底架材料

        底架是車體結(jié)構(gòu)的重要承載部分,不僅承受底架上和車內(nèi)所有設(shè)備及乘客的重量,同時(shí)還要傳遞車輛的牽引力和制動(dòng)力并承受運(yùn)行過(guò)程中的彎曲、扭轉(zhuǎn)等各種復(fù)雜載荷,因此其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇直接影響整車的強(qiáng)度以及行車安全問(wèn)題。本項(xiàng)目車輛車體底架材料主要采用奧氏體冷軋不銹鋼和優(yōu)質(zhì)低合金鋼。

        1.1 不銹鋼材料的化學(xué)成分、機(jī)械性能

        車體底架材料除端底架部分結(jié)構(gòu)外均采用高強(qiáng)度奧氏體不銹鋼,牌號(hào)為SUS301L和SUS304,其化學(xué)成分(見(jiàn)表1)和機(jī)械性能(見(jiàn)表2)等質(zhì)量級(jí)均符合日本JISG4305:1999標(biāo)準(zhǔn)。

        SUS301L系列不銹鋼材料按其抗拉強(qiáng)度(或屈服強(qiáng)度)由大到小分為 HT級(jí)、MT級(jí)、ST級(jí)、DLT級(jí)和 LT級(jí)5個(gè)等級(jí)。其特點(diǎn)是綜合性能好、強(qiáng)度好、塑性好、硬度適中、具有較高的電阻率,較大的膨脹系數(shù)和低的導(dǎo)熱率。

        1.2 優(yōu)質(zhì)低合金鋼的選擇

        表1 SUS301L、SUS304不銹鋼的化學(xué)成分(JISG 4305:1999)

        表 2 SUS301L、SUS304不銹鋼的機(jī)械性能(JIS E 4049)

        A車底架結(jié)構(gòu)中的I位端底架和II位端底架和B車的端底架大部分結(jié)構(gòu)承受的沖擊力與壓縮力較大,選用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼和耐候鋼材料,其化學(xué)成分和機(jī)械性能滿足EN10025:2004或GB/T4171-2008耐候鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。低合金鋼具有優(yōu)良的焊接性能和很好的抗疲勞極限。

        2 底架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        車體結(jié)構(gòu)為薄壁筒形整體承載焊接結(jié)構(gòu),具有較高的強(qiáng)度和剛度。車體車型分為 A、B、C三種,均由頂棚、側(cè)墻、端墻、底架等部分焊接組成,能夠承受垂直、縱向、扭轉(zhuǎn)等動(dòng)、靜載荷。

        底架是車體的主要承載結(jié)構(gòu),與端墻、左右側(cè)墻相連接構(gòu)成車體主體的結(jié)構(gòu)。根據(jù)車輛的編組及各節(jié)車輛間鉸接的特別連接形式,車體底架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有A車底架、B車底架和 C車底架三種。底架中的I、II位端底架采用模塊化設(shè)計(jì),C車底架除II位端底架采用B車I位端底架外,其他結(jié)構(gòu)與A車基本相同,底架編組布置如圖2所示。

        圖2 底架編組布置圖

        2.1 A車底架

        A車底架主要由I位端底架、II位端底架、邊梁、橫梁組成、縱梁、波紋地板等組成,其中I位端底架、II位端底架采用模塊化設(shè)計(jì),A車底架結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

        圖3 A車底架結(jié)構(gòu)組成

        2.1.1I位端底架

        I位端底架主要由吸能組成、牽緩組成、枕梁組成、碳鋼邊梁、小橫梁組成、縱梁、主橫梁等組成。因耐候鋼具有較好的焊接性能和強(qiáng)度,在端底架結(jié)構(gòu)中除小橫梁組成和主橫梁外,其它零部件均采用耐候鋼材質(zhì),牌號(hào)為09CuPCrNi-A。小橫梁和主橫梁采用不銹鋼材質(zhì),等級(jí)采用SUS301L的DLT級(jí)。I位端底架結(jié)構(gòu)如圖4所示。

        圖4 I位端底架結(jié)構(gòu)

        吸能組成設(shè)有防爬和吸能結(jié)構(gòu),滿足車輛碰撞后的能量吸收要求;牽緩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有車鉤安裝座,列車行駛過(guò)程中的牽引、制動(dòng)力通過(guò)牽緩結(jié)構(gòu)均勻的傳遞到底架結(jié)構(gòu)以至整個(gè)車體;枕梁組成設(shè)計(jì)有車體與轉(zhuǎn)向架的連接結(jié)構(gòu),力通過(guò)牽引銷軸傳遞到走行部位;小橫梁組成及主橫梁根據(jù)車下設(shè)備的布置和安裝需要,開(kāi)有不同大小的安裝孔。

        2.1.2II位端底架

        由于車輛間采用鉸接轉(zhuǎn)向架連接,車端鉸接區(qū)域受力情況復(fù)雜,載荷大,因此II位端底架結(jié)構(gòu)除考慮強(qiáng)度要求外還要考慮與轉(zhuǎn)向的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。II端底架主要由碳鋼邊梁、主橫梁、縱梁、小橫梁組成、端梁組成、連接組成、加強(qiáng)梁等結(jié)構(gòu)組成。除小橫梁采用不銹鋼材質(zhì)外,其他結(jié)構(gòu)零部件均采用耐候鋼材質(zhì)。連接結(jié)構(gòu)組成設(shè)計(jì)有與轉(zhuǎn)向架連接的銷軸。II位端底架結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 5。

        圖5 II位端底架結(jié)構(gòu)

        2.2 B車底架裝配

        B車底架結(jié)構(gòu),無(wú)吸能結(jié)構(gòu)、牽枕緩組成,主要由I位端底架組成、II位端底架組成、邊梁、橫梁組成、縱梁等組成。B車底架結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。

        圖6 B車底架結(jié)構(gòu)

        2.2.1B車I位端底架

        B車I位端底架結(jié)構(gòu)與A車II位端底架結(jié)構(gòu)為成對(duì)匹配結(jié)構(gòu),共同連接于相同的鉸接轉(zhuǎn)向架。B車I位端底架結(jié)構(gòu)是無(wú)銷軸襯套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),除連接結(jié)構(gòu)不同外其他主體結(jié)構(gòu)與A車II位端底架基本相同。端底架具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7。

        圖7 B車I位端底架結(jié)構(gòu)

        2.3 底架組焊

        不銹鋼材質(zhì)焊接時(shí)產(chǎn)生的熱量不能很快散失,大量的熱量積聚于焊縫區(qū)域,容易產(chǎn)生焊接變形。為減小焊接變形和防止高溫下不銹鋼材料機(jī)械性能的下降,地鐵不銹鋼車體結(jié)構(gòu)的連接多采用電阻點(diǎn)焊方式。根據(jù)底架結(jié)構(gòu)及材料的特點(diǎn),橫梁組成與邊梁的焊接及波紋地板的焊接采用點(diǎn)焊的焊接方式,底架其他各零部件的組焊主要采用弧焊的焊接方式。首先完成A車I位端底架(牽枕緩模塊)、II位端底架、B車I位端底架及其他部件的組焊。然后,根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙將各模塊及零部件進(jìn)行組焊,完成底架骨架結(jié)構(gòu)。最后鋪設(shè)波紋地板,將波紋地板點(diǎn)焊到底架骨架結(jié)構(gòu)上,完成整個(gè)底架裝配。

        3 車體結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度計(jì)算

        在底架鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后,為檢驗(yàn)底架設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性,校核底架強(qiáng)度、剛度是否滿足設(shè)計(jì)要求。需對(duì)整個(gè)車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算,在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),使車體的結(jié)構(gòu)完全滿足設(shè)計(jì)要求。計(jì)算采用了大型通用有限元分析及處理軟件HYPERMESH及 ANSYS,建立 A、B、C三輛車編組后的有限元模型,進(jìn)行垂直載荷、縱向壓縮、縱向拉伸、剛度、吊車等工況下的靜強(qiáng)度計(jì)算,從而得到車體結(jié)構(gòu)在各工況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)力分布、剛度等。有限元模型構(gòu)成以任意四節(jié)點(diǎn)為等參變化的薄殼單元為主,由于結(jié)合考慮了結(jié)構(gòu)單元中間面上的平面剛度、彎曲剛度及曲率效應(yīng),因此具有更高的計(jì)算精度。車體的計(jì)算模型和網(wǎng)格如圖8所示。

        圖8 車計(jì)算模型和網(wǎng)格

        通過(guò)靜強(qiáng)度計(jì)算,各工況下的應(yīng)力云圖顯示,車體在垂直載荷、縱向壓縮、縱向拉伸、剛度、吊車等工況作用下,所有部位應(yīng)力均不超出其所選材料的許用應(yīng)力值。因此,該車強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求,底架結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。

        4 車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)

        車體鋼結(jié)構(gòu)總組焊完成后,為驗(yàn)證車體的強(qiáng)度和剛度是否滿足設(shè)計(jì)要求,由青島四方車輛研究所有限公司依據(jù) EN12663-1:2010《鐵路應(yīng)用—軌道車輛車體結(jié)構(gòu)要求》進(jìn)行靜強(qiáng)度試驗(yàn)。先后進(jìn)行了垂向載荷試驗(yàn)、車端400kN壓縮載荷試驗(yàn)、車端400kN拉伸載荷試驗(yàn)等試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度完全滿足車輛設(shè)計(jì)要求,試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果基本相符。

        5 結(jié)束語(yǔ)

        菲律賓馬尼拉3號(hào)線增購(gòu)車為鉸接轉(zhuǎn)向架車輛,車輛間鉸接的連接形式與國(guó)內(nèi)不銹鋼車的車鉤連接形式不同,因此底架結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有不銹鋼底架也不同。本項(xiàng)目車輛底架I、II位端底架結(jié)構(gòu)采用了創(chuàng)新設(shè)計(jì),經(jīng)有限元分析和車體的靜強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證,底架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能承受400kN縱向拉伸、壓縮載荷及最不利的垂直載荷。底架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,滿足車輛的強(qiáng)度、剛度要求。

        【參考文獻(xiàn)】

        [1]竇廣旭,等.不銹鋼車體制造技術(shù).機(jī)車車輛工藝,2005.

        [2]李培,等.地鐵不銹鋼車體強(qiáng)度分析及試驗(yàn)驗(yàn)證,內(nèi)燃機(jī)車,2011.

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