朱 彥 李傳勝 胡 浩

(中車長春軌道客車股份有限公司國家軌道客車工程研究中心，130062，長春//第一作者，正高級(jí)工程師)

隨著高速鐵路客流量持續(xù)攀升，以京滬高鐵和京廣高鐵為代表的長大干線輸送能力已接近飽和。為進(jìn)一步滿足快速增長的客流需求，緩解節(jié)假日期間干線運(yùn)力不足問題，有必要開展載客能力更大的時(shí)速350 km雙層動(dòng)車組技術(shù)方案研究[1-6]。

本文結(jié)合雙層動(dòng)車組列車的特點(diǎn)，對影響雙層動(dòng)車組模態(tài)的參數(shù)，如列車布局、輕量化設(shè)計(jì)、車體參數(shù)等，以及整備狀態(tài)下雙層動(dòng)車組的模態(tài)進(jìn)行分析，以充分發(fā)揮其擴(kuò)容增效優(yōu)勢。

1 雙層動(dòng)車組列車布局

本文研究的雙層動(dòng)車組列車高度為4 500 mm，客室高度相比于普通動(dòng)車組列車降低300 mm。同時(shí)，車下空間匱乏，電氣設(shè)備只能布置于車廂兩端。因此，如何克服車輛高度空間不足給乘客帶來的舒適度降低，以及如何確保在車下設(shè)備上移的情況下充分利用端部空間增加定員，最終達(dá)到質(zhì)量平衡,成為車輛合理布局的關(guān)鍵。

針對上述問題，提出如下優(yōu)化措施：

1) 客室兩側(cè)行李架將用于存放小件隨身行李，但其設(shè)計(jì)同時(shí)應(yīng)滿足可存放高度、深度尺寸分別為260 mm、300 mm的矩形截面行李的要求。

2) 下層客室地板過道區(qū)域采用凹陷的設(shè)計(jì)理念，以增加凈通過高度。

3) 針對雙層車輛，座椅上下層采用一、二位側(cè)對稱布置；一等座椅間距為1 140 mm，二等座椅間距為960 mm。

4) 牽引變流器、輔助變流器、污水箱、制動(dòng)風(fēng)缸等設(shè)備設(shè)置在車輛端部，其中牽引變流器采用一分為二的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，對角布置。

5) 樓梯在一、二位端車長方向?qū)ΨQ布置。

6) 衛(wèi)生間和電氣柜分設(shè)于車輛兩端，且對角布置。

7) 空調(diào)機(jī)組中心對稱布置。

據(jù)此計(jì)算得出，車上車下布局相對復(fù)雜的動(dòng)車在X方向的重心為-150 mm，在Y方向的重心為-7.5 mm。

單層和雙層動(dòng)車組載客量對比如表1所示。由表1可知，雙層動(dòng)車組可提升定員31.8%。以京滬線為例，在原票價(jià)保持不變的情況下,雙層動(dòng)車組單程客票收入可增加約20萬元。

表1 單層和雙層動(dòng)車組各節(jié)車輛載客量對比 單位:人

2 雙層動(dòng)車組車體輕量化設(shè)計(jì)

由于雙層動(dòng)車組車輛斷面加大、定員增加，且每節(jié)車輛采用2個(gè)空調(diào)單元，較單層動(dòng)車組車輛增重約3 t，因此，需結(jié)合車輛17 t軸重要求，以美觀舒適、防火環(huán)保和保證強(qiáng)度的原則對雙層動(dòng)車組車輛開展輕量化設(shè)計(jì)。

考慮車輛質(zhì)量冗余，以動(dòng)車組為研究對象，對內(nèi)裝、車內(nèi)設(shè)備、轉(zhuǎn)向架和電氣系統(tǒng)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括合理選材、結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以及電氣設(shè)備的小型化、精細(xì)化設(shè)計(jì)。雙層動(dòng)車組具體減重措施及減重對比如表2所示。

表2 雙層動(dòng)車組減重措施及減重對比

3 雙層動(dòng)車組車體模態(tài)分析

為避免轉(zhuǎn)向架與車輛發(fā)生共振，車輛整備狀態(tài)下模態(tài)值應(yīng)大于10 Hz。提高車輛整備模態(tài)值的主要方法是降低整備狀態(tài)下車體質(zhì)量或增加車體剛度?；谏鲜鲚p量化方案，雙層動(dòng)車組除車體外其他部件減重后的質(zhì)量為52.3 t，因此需進(jìn)一步研究如何在合理的質(zhì)量指標(biāo)范圍內(nèi)提高車體剛度。基于上述分析，結(jié)合以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，車體質(zhì)量指標(biāo)應(yīng)不大于13.4 t。由于影響車體菱形模態(tài)的主要部位為上層地板、下層地板、側(cè)墻和車頂，借鑒單層動(dòng)車組增設(shè)內(nèi)隔墻和內(nèi)端墻經(jīng)驗(yàn)，以此6個(gè)部位為研究對象，建立有限元計(jì)算模型，通過控制變量法分析車體主要部位的材料、厚度及結(jié)構(gòu)變化等參數(shù)對車體模態(tài)的影響，最終確定車輛整備狀態(tài)下的模態(tài)。

3.1 變更上層地板結(jié)構(gòu)材料

為使車體減重，采用鋁蜂窩地板方案，側(cè)墻厚度取50 mm。建立的車體有限元模型質(zhì)量為 12.655 t。通過計(jì)算得到的車體菱形模態(tài)值為9.867 Hz。

由于鋁蜂窩地板方案下的車體模態(tài)值較低，因此考慮選用鋁型材地板，側(cè)墻厚度仍取50 mm，以此作為方案1。建立的車體有限元模型質(zhì)量為12.401 t。方案1下的地板結(jié)構(gòu)和車體模態(tài)位移分布云圖如圖1所示。

圖1 方案1下的上層地板結(jié)構(gòu)和車體模態(tài)位移分布云圖

3.2 側(cè)墻結(jié)構(gòu)加厚

選用鋁型材地板，側(cè)墻厚度由50 mm增加至65 mm，以此作為方案2。建立的車體有限元模型質(zhì)量為12.569 t。方案2下的車體模態(tài)位移分布云圖如圖2所示。

圖2 方案2下的車體模態(tài)位移分布云圖

3.3 增設(shè)內(nèi)隔墻結(jié)構(gòu)及變更車體橫向尺寸

在方案1的基礎(chǔ)上，在靠近車門位置增設(shè)厚度為10 mm的內(nèi)隔墻，以此作為方案3。建立的車體有限元模型質(zhì)量為12.688 t。方案3下的內(nèi)隔墻結(jié)構(gòu)和車體模態(tài)位移分布云圖如圖3所示。

圖3 方案3下的內(nèi)隔墻結(jié)構(gòu)和車體模態(tài)位移分布云圖

在方案3的基礎(chǔ)上，將內(nèi)隔墻沿車體橫向中心線方向延長50 mm，作為方案4。建立的車體有限元模型質(zhì)量為12.706 t。方案4下的內(nèi)隔墻結(jié)構(gòu)和車體模態(tài)位移分布云圖如圖4所示。

圖4 方案4下的內(nèi)隔墻結(jié)構(gòu)和車體模態(tài)位移分布云圖

在方案3的基礎(chǔ)上，將內(nèi)隔墻沿車體橫向中心線方向延長10 mm，作為方案5。建立的車體有限元模型質(zhì)量為12.701 t。方案5下的內(nèi)隔墻結(jié)構(gòu)和車體模態(tài)分布云圖如圖5所示。

圖5 方案5下的內(nèi)隔墻結(jié)構(gòu)和車體模態(tài)位移分布云圖

3.4 增加車頂送風(fēng)道開孔

在方案3的基礎(chǔ)上，封堵車頂空調(diào)口并增加送風(fēng)道開孔，作為方案6。建立的車體有限元分析模型質(zhì)量為12.832 t。方案6下的車頂空調(diào)口開孔示意和車體模態(tài)位移分布云圖如圖6所示。

圖6 方案6下的車頂空調(diào)口結(jié)構(gòu)和車體模態(tài)位移分布云圖

3.5 下層地板結(jié)構(gòu)加厚

在方案6的基礎(chǔ)上，將下層地板厚度由50 mm增加至80 mm，作為方案7。建立的車體有限元模型質(zhì)量為12.943 t。方案7下的車體模態(tài)位移分布云圖如圖7所示。

3.6 車頂型材加厚

在方案7的基礎(chǔ)上，將車頂型材厚度由40 mm加厚至50 mm，作為方案8。建立的車體有限元模型質(zhì)量為13.011 t。方案8下的車體模態(tài)位移分布云圖如圖8所示。

圖8 方案8下的車體模態(tài)位移分布云圖

3.7 增設(shè)內(nèi)端墻結(jié)構(gòu)

在方案8的基礎(chǔ)上，在車輛兩端距離車體縱向中心線6 070 mm的位置增加內(nèi)端墻結(jié)構(gòu)1，作為方案9。建立的車體有限元模型質(zhì)量為13.245 t。方案9下的內(nèi)端墻結(jié)構(gòu)和車體模態(tài)位移分布云圖如圖9所示。

圖9 方案9下的內(nèi)端墻結(jié)構(gòu)1和車體模態(tài)位移分布云圖

在方案8的基礎(chǔ)上，在車輛兩端距離車體縱向中心線6 070 mm處增加內(nèi)端墻結(jié)構(gòu)2，作為方案10。建立的車體有限元模型質(zhì)量為13.364 t。方案10下的內(nèi)端墻結(jié)構(gòu)和車體模態(tài)位移分布云圖如圖10所示。

圖10 方案10下的內(nèi)端墻結(jié)構(gòu)2和車體模態(tài)位移分布云圖

3.8 車體模態(tài)分析結(jié)果

根據(jù)上述對比分析，形成車體結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，如表3所示。

表3 車體結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

由表3可知，相比于鋁蜂窩結(jié)構(gòu)上層地板，鋁型材上層地板結(jié)構(gòu)可提高車體菱形模態(tài)振動(dòng)頻率2 Hz以上，且車體質(zhì)量降低254 kg；內(nèi)隔墻結(jié)構(gòu)可提高車體菱形模態(tài)振動(dòng)頻率1.5 Hz，但車體質(zhì)量增加287 kg；封堵車頂空調(diào)口并增加送風(fēng)道開孔可提高車體菱形模態(tài)振動(dòng)頻率1.33 Hz，但車體質(zhì)量增加144 kg；下層地板和車頂型材厚度增加對菱形模態(tài)振動(dòng)頻率影響較小；增加內(nèi)端墻結(jié)構(gòu)1，可提高車體菱形模態(tài)振動(dòng)頻率1.226 Hz，車體質(zhì)量增加234 kg；增加內(nèi)端墻結(jié)構(gòu)2，可提高菱形模態(tài)振動(dòng)頻率4.148 Hz，車體質(zhì)量增加353 kg。

基于上述分析，確定車體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表4所示。

表4 車體結(jié)構(gòu)參數(shù)

結(jié)合輕量化設(shè)計(jì)理念，基于表4確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)對內(nèi)端墻進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。建立的有限元模型質(zhì)量為12.627 t，計(jì)算得到車體模態(tài)值為15.198 Hz，車輛整備狀態(tài)下的模態(tài)值為 10.318 Hz。優(yōu)化后的內(nèi)端墻結(jié)構(gòu)和車體模態(tài)位移分布云圖如圖11所示。車輛整備狀態(tài)下的模態(tài)位移分布云圖如圖12所示。

圖11 內(nèi)端墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案和車體模態(tài)位移分布云圖

圖12 車輛整備狀態(tài)下的模態(tài)位移分布云圖

4 結(jié)論

1) 優(yōu)化后雙層動(dòng)車組整車質(zhì)量為64.927 t，模態(tài)頻率可達(dá)10.318 Hz；通過對車輛其他部位進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，車輛減重2.4 t；相比于單層動(dòng)車組，雙層動(dòng)車組載客量可提升31.8%。

2) 車輛設(shè)計(jì)需進(jìn)一步結(jié)合人機(jī)工程學(xué)進(jìn)行分析，如色彩選用明度低的冷色和透明度強(qiáng)的材料；客室界面(如座椅墊等)盡量采用豎長線條及紋理以體現(xiàn)空間感；照明燈光應(yīng)盡量靠車輛兩側(cè)布置，亮度適當(dāng)增加，但仍以柔光為主，以減輕雙層動(dòng)車組旅客因車廂高度不足引起的壓抑感。

3) 持續(xù)開展輕量化設(shè)計(jì)，尤其是電氣設(shè)備小型化設(shè)計(jì)，進(jìn)而釋放更多的質(zhì)量和空間，進(jìn)一步提高車輛的運(yùn)能。