杜彥品 王瀟雨 牛永剛

(中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 江蘇 南京 210031)

根據(jù)中國國家鐵路集團有限公司運輸和經(jīng)營發(fā)展要求，為了提高既有線鐵路運輸服務(wù)品質(zhì)，充分利用既有機車、客車的運用和檢修資源，由中國國家鐵路集團有限公司和中國中車股份有限公司共同研制開發(fā)了時速160 km動力集中電動車組。時速160 km動力集中電動車組采用“1動7拖1控”(短編組)和“2動16拖”(長編組)模式，長編組可以根據(jù)運用需要進行靈活編組，兩列短編組可以進行重聯(lián)。

時速160 km動力集中電動車組拖車車體，采用了新結(jié)構(gòu)、模塊化設(shè)計和輕量化設(shè)計，打破了25型客車碳鋼車體多年傳統(tǒng)的設(shè)計結(jié)構(gòu)，提升了車體面耐腐性能和外觀質(zhì)量，提高了列車的檔次。主要車型有二等座車、二等座車(餐吧式)、二等座車(廚房式)、控制車、一等臥車和二等臥車。下文以二等座車為例進行闡述。

1 車體主要技術(shù)參數(shù)

車體長度：25 500 mm；

車體寬度：3 105 mm；

車頂距軌面的高度：4 433 mm；

車輛定距：18 000 mm；

通過臺渡板面距離軌面高度：1 283 mm；

軸重：不大于16.5 t。

2 車體設(shè)計要求

車體鋼結(jié)構(gòu)采用薄壁筒形整體承載結(jié)構(gòu), 主要材質(zhì)為鎳鉻系耐候鋼，板厚不大于6 mm時采用Q310NQL2、Q345NQR2或Q350EWRH材料,型鋼和厚度大于6 mm的板材采用普通碳素鋼Q235B或低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼Q355材料，車頂空調(diào)機組處平頂板、中部端頂板、通過臺地板、衛(wèi)生間和洗面間的金屬地板及腳蹬圍板等易腐蝕部位采用06Cr19Ni10不銹鋼板。

車體鋼結(jié)構(gòu)符合TB/T 1335《鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，穩(wěn)定性符合BS EN 12663-1:2010 《Railway applications—Structural requirements of railway vehicle bodies Part 1: Locomotives and passenger rolling stock(and alternative method for freight wagons)》標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，車體在滿載狀態(tài)和縱向壓縮狀態(tài)下，最小屈曲因子不小于1.5。車體結(jié)構(gòu)設(shè)計壽命為30年。

3 車體鋼結(jié)構(gòu)

3.1 底架鋼結(jié)構(gòu)

車體鋼結(jié)構(gòu)由底架、側(cè)墻、車頂和端墻鋼結(jié)構(gòu)組成(見圖1)。車體鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計時采用模塊化設(shè)計理念，如側(cè)墻骨架模塊化、車頂模塊化，提高設(shè)計效率和生產(chǎn)效率，提高車體外觀質(zhì)量；采用輕量化設(shè)計理念，在滿足結(jié)構(gòu)要求的前提下，減少零件的數(shù)量及板厚，優(yōu)化梁柱斷面，在梁柱上開減重孔等。設(shè)計側(cè)墻和車頂時，側(cè)墻立柱和車頂彎梁對應(yīng)，形成交圈結(jié)構(gòu)，提高車體抗扭轉(zhuǎn)性能。取消了車頂雨檐，減小列車運行阻力，提高車輛的空氣動力學(xué)性能，提高車輛檔次。為了提高車體的耐腐蝕性能，采取了零件間減少搭接量，盡量避免采用封閉結(jié)構(gòu)，地板設(shè)排水孔等措施。

1—底架鋼結(jié)構(gòu)；2—端墻鋼結(jié)構(gòu)； 3—車頂鋼結(jié)構(gòu)；4—側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)。圖1 車體鋼結(jié)構(gòu)

底架鋼結(jié)構(gòu)主要由端牽枕、縱梁、橫梁、側(cè)梁和鐵地板焊接而成(見圖2)。按照PW-220K轉(zhuǎn)向架要求進行牽枕緩接口設(shè)計，牽引梁和枕梁是主要的受力部件，故采用厚板拼焊成箱型斷面；橫梁和縱梁主要采用槽型斷面，側(cè)梁采用槽鋼18b；枕外采用平地板；枕內(nèi)采用波紋地板，傳遞部分縱向力，提高地板抗失穩(wěn)性能。車輛縱向載荷通過鉚接在牽引梁內(nèi)的車鉤安裝座向后傳遞，通過牽引梁傳遞到枕梁，再通過枕后縱梁和側(cè)梁向后傳遞。枕后縱梁端部應(yīng)力較大，故枕內(nèi)第一根橫梁采用厚度較大的箱型斷面，其后設(shè)有一組縱梁，在縱梁后端部與橫梁相接處設(shè)有補強板，防止應(yīng)力集中。枕后縱梁采用魚腹?fàn)?，因變截面處?yīng)力較大，縱梁斷面內(nèi)設(shè)有補強板。枕后側(cè)梁內(nèi)設(shè)有立板，使側(cè)梁(從枕梁到第一根主橫梁)形成箱型斷面，在枕梁下蓋板和側(cè)梁下翼面焊有異形補強板。污物箱和充電機等大設(shè)備安裝橫梁采用大厚度槽型斷面，各設(shè)備吊座與橫梁焊接，在設(shè)備吊座筋板對應(yīng)的槽型橫梁內(nèi)設(shè)有多個對應(yīng)的加強板，當(dāng)設(shè)備受到?jīng)_擊時，保證吊座附近結(jié)構(gòu)強度不超出材料的屈服極限。

為了防止冷凝水積存腐蝕車體，在枕內(nèi)波紋地板避開車下設(shè)備處設(shè)有多列排水孔，在通過臺地板每側(cè)設(shè)有2個下凹深度為20 mm的排水槽，排水槽內(nèi)設(shè)有排水孔。另外，枕外通過臺、衛(wèi)生間和洗面間地板采用不銹鋼板，以提高底架的耐腐蝕性能。

3.2 側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)

側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)主要由立柱、縱梁、上邊梁、墻板和門框焊接而成(見圖3)。車窗兩側(cè)各設(shè)一根立柱，上下各設(shè)有縱梁，側(cè)墻上端設(shè)有上邊梁，和門框共同形成側(cè)墻的主骨架。在車窗中心線處，車窗上下各設(shè)有一根小立柱，窗間設(shè)有小縱梁，以提高墻板剛度和穩(wěn)定性。

1—牽枕緩；2—縱梁；3—橫梁；4—側(cè)梁；5—鐵地板。圖2 底架鋼結(jié)構(gòu)

1—門框；2—立柱；3—縱梁；4—上邊梁；5—墻板。圖3 側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)

設(shè)計側(cè)墻時，采用輕量化設(shè)計，在保證強度的前提下，縱梁翼面開有多個長圓型的減重孔；采用防腐結(jié)構(gòu)設(shè)計，傳統(tǒng)的立柱和縱梁采用帽型斷面，與墻板焊接后形成封閉結(jié)構(gòu)，封閉腔內(nèi)無法進行防腐噴涂，導(dǎo)致車窗下部和側(cè)墻下部腐蝕嚴(yán)重?，F(xiàn)將立柱和縱梁改為乙型斷面，避免形成封閉結(jié)構(gòu)，方便防腐噴涂，大大提高了側(cè)墻的耐腐蝕性能；采用模塊化設(shè)計；傳統(tǒng)的側(cè)墻設(shè)計和組裝采用散組裝模式，很難提高側(cè)墻的平面度，現(xiàn)以兩個車窗為單元，將側(cè)墻骨架分成小模塊，再將小模塊組焊成整體骨架，然后吊到側(cè)墻胎與墻板焊接，在生產(chǎn)過程中，嚴(yán)格控制每個小模塊與墻板焊接面的平面度，大大提高了側(cè)墻的外觀質(zhì)量。

3.3 車頂鋼結(jié)構(gòu)

車頂鋼結(jié)構(gòu)主要由平頂、圓頂、側(cè)頂模塊和中部端頂焊接而成(見圖4)。彎梁與側(cè)墻立柱采用交圈設(shè)計結(jié)構(gòu)，提高車體抗扭轉(zhuǎn)性能。彎梁采用帽型斷面，車頂邊梁采用C型斷面，以提高車頂?shù)哪B(tài)頻率。側(cè)頂采用無雨檐結(jié)構(gòu)，減小列車運行阻力，提高車輛的空氣動力學(xué)性能。側(cè)頂采用模塊化設(shè)計，改變了傳統(tǒng)的散組裝模式，提高了側(cè)頂?shù)耐庥^質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率。

3.4 端墻鋼結(jié)構(gòu)

端墻鋼結(jié)構(gòu)由立柱、橫梁、風(fēng)擋框、墻板、端頂槽鋼和端頂橫梁焊接而成，如圖5所示。立柱斷面為乙型，橫梁斷面為角型，方便防腐噴涂，提高了端墻的耐腐蝕性能。端墻兩側(cè)設(shè)有外風(fēng)擋安裝梁，外風(fēng)擋通過螺栓安裝在該梁上，提高列車的空氣動力學(xué)性能，減小列車端部噪聲，同時也增加了端部的美觀效果。

1—平頂；2—中部端頂；3—側(cè)頂模塊；4—圓頂。圖4 車頂鋼結(jié)構(gòu)

1—立柱；2—橫梁；3—風(fēng)擋框；4—墻板；5—端頂槽鋼；6—端頂橫梁。圖5 端墻鋼結(jié)構(gòu)

4 車體鋼結(jié)構(gòu)驗證

4.1 車體靜強度計算

按照TB/T 1335《鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)，對車體鋼結(jié)構(gòu)靜強度進行仿真分析。具體計算了7種工況，各工況下的應(yīng)力分布情況如表1所示。

表1 各工況應(yīng)力分布表

在工況3和工況5作用下，車體應(yīng)力較大，最大應(yīng)力值分別為210.991 MPa和333.355 MPa,均小于材料的許用應(yīng)力，其應(yīng)力云圖分別如圖6和圖7所示；其他工況下車體的應(yīng)力值均遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力值。車體靜強度滿足設(shè)計要求。

圖6 工況3車體應(yīng)力云圖

圖7 工況5車體應(yīng)力云圖

對車體進行了垂向彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度和模態(tài)計算，車體垂向彎曲剛度值為5.421 1×109N·m2，大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值1.3×109N·m2；車體扭轉(zhuǎn)剛度值為5.576×108N·m2/rad，大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值5.5×108N·m2/rad，車體剛度滿足設(shè)計要求。整備狀態(tài)下，車體一階垂向彎曲自振頻率為10.48 Hz，大于轉(zhuǎn)向架點頭和浮沉自振頻率的1.4倍，車體與轉(zhuǎn)向架不會產(chǎn)生共振。

對車體進行了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算，車體在滿載狀態(tài)下最小屈曲因子為2.285，位于一位端二位側(cè)窗下墻板處(見圖8)；在1.5倍縱向壓縮狀態(tài)下最小屈曲因子為1.0，位于二位端二位側(cè)窗下墻板處(見圖9)，車體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性滿足設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。

圖8 滿載狀態(tài)下車體一階屈曲模態(tài)

圖9 壓縮狀態(tài)下車體1階屈曲模態(tài)

4.2 車體靜強度試驗

根據(jù)二等座車的車體靜強度試驗大綱和TB/T 1806《鐵道車輛車體靜強度試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)，對車體鋼結(jié)構(gòu)進行垂向載荷試驗、縱向力試驗、扭轉(zhuǎn)試驗、頂車試驗，合成應(yīng)力均小于材料的許用應(yīng)力，結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)永久變形，車體靜強度滿足設(shè)計要求。車體的垂向彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度試驗結(jié)果也都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.3 車體疲勞強度計算

按照BS EN 12663-1:2010 《Railway applications—Structural requirements of railway vehicle bodies Part 1: Locomotives and passenger rolling stock(and alternative method for freight wagons)》和 BS EN 1993-1-9:2005《Eurocode 3: Design of steel structures Part 1-9: Fatigue》標(biāo)準(zhǔn)，對車體進行疲勞強度計算，具體計算了10種工況。車體焊接形式主要包括T型焊、對接焊、搭接焊三種，各工況下，不同焊接接頭的最小安全因子如表2所示。

表2 各工況焊接接頭的最小安全因子

在各種工況下，車體鋼結(jié)構(gòu)3種焊接形式的最小安全因子均大于1，車體能夠滿足設(shè)計壽命30年的要求。

在工況9作用下，最小安全因子為1.205，該處焊縫的性能等級為中應(yīng)力等級和高安全等級；在工況8和工況10作用下，最小安全因子分別為1.037(見圖10)和1.039(見圖11)，這兩處焊縫的性能等級為高應(yīng)力等級和中安全等級。這三處焊縫均屬于關(guān)鍵焊縫，制造時要高度重視，需進行表面試驗和體積試驗，確保焊縫質(zhì)量。

圖10 工況8 T型接頭安全因子云圖

圖11 工況10搭接接頭安全因子云圖

5 結(jié)束語

時速160 km動力集中電動車組車體采用新結(jié)構(gòu)、模塊化設(shè)計和輕量化，解決了25型客車碳鋼車體多年存在的腐蝕嚴(yán)重及外觀平面度較差的難題，提升了車體耐腐蝕性能和外觀質(zhì)量，提升了列車的檔次。該電動車組是鐵道客車轉(zhuǎn)型升級過程中的關(guān)鍵產(chǎn)品，已列入“復(fù)興號”中國標(biāo)準(zhǔn)動車組序列。

車體鋼結(jié)構(gòu)通過了強度計算和靜強度試驗，滿足設(shè)計要求。時速160 km動力集中電動車組(短編組)已完成30萬km的運用考核，并通過了技術(shù)評審，現(xiàn)已實現(xiàn)批量生產(chǎn)。該車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計技術(shù)代表當(dāng)前碳鋼車體的最新技術(shù)，對今后碳鋼車體結(jié)構(gòu)設(shè)計具有很高的參考價值?！?/p>