沃少帥，計(jì)夢(mèng)男，梁森，孫維超，李茁，張金玲，陳旭，張小龍

（北京京投軌道交通技術(shù)研究院有限公司，北京 100070）

0 引言

市域快軌交通在國(guó)內(nèi)整個(gè)交通體系中發(fā)展相對(duì)緩慢，是介于城市軌道交通（地鐵、輕軌）和城際高速鐵路之間的新型運(yùn)輸模式[1]，由于它具有特殊的大載客量、低運(yùn)營(yíng)成本、快起快停、快速乘降等優(yōu)點(diǎn)，因此適用于城市與郊區(qū)、重點(diǎn)城鎮(zhèn)間、中心城市與衛(wèi)星城等。目前高鐵、城際鐵路規(guī)劃都在快速推進(jìn)，但在建和運(yùn)營(yíng)的市域快軌比例非常少，因此市域快軌將來(lái)可能會(huì)成為國(guó)家的重點(diǎn)發(fā)展對(duì)象，并越來(lái)越受到人們的青睞[2-7,9]。本文介紹了市域快軌中的快速市域車車體，著重介紹了快速市域車鋁合金車體側(cè)墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

1 側(cè)墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

快速市域車車體采用大型中空鋁合金擠壓型材整體組焊和模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，主要由底架、側(cè)墻、車頂、司機(jī)室骨架和端墻五大部分組成，如圖1所示。其中，側(cè)墻在車體結(jié)構(gòu)中起著關(guān)鍵作用，與其它四大部件都有緊密聯(lián)系，上與車頂相連，下連接底架，一位端連接司機(jī)室骨架，二位端連接端墻。同時(shí)，側(cè)墻的機(jī)加工需要核對(duì)對(duì)應(yīng)部位的接口，尤其是門和窗（該處的接口對(duì)側(cè)墻的強(qiáng)度、剛度和平面度影響較大）。因此，側(cè)墻設(shè)計(jì)質(zhì)量對(duì)整車車體設(shè)計(jì)的強(qiáng)度、剛度、焊接質(zhì)量等影響重大。

圖1 市域車車體總圖

1.1 側(cè)墻的主要技術(shù)參數(shù)

如圖2所示，車體整個(gè)側(cè)墻主要由2個(gè)整體側(cè)墻單元、8個(gè)門立柱單元、2個(gè)側(cè)墻端角柱單元、2個(gè)側(cè)墻上部連接件、4個(gè)雨檐和4個(gè)外緊急解鎖襯套組成。該車體總共有2對(duì)門、6對(duì)窗，其中：門的寬度為1370 mm，高度為2116 mm；窗口的寬度為1400 mm，高度為910 mm。

圖2 車體總圖（側(cè)墻外面）

1.2 整體側(cè)墻單元設(shè)計(jì)

本側(cè)墻的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的模塊化側(cè)墻[2]有所不同，采用5塊通長(zhǎng)的型材組焊而成，這比模塊化側(cè)墻加工周期短，側(cè)墻整體性得到提高，強(qiáng)度和剛度也相應(yīng)提高，降低了側(cè)墻型材變形量，而且各大塊型材之間采用通長(zhǎng)自動(dòng)焊縫，會(huì)減少像模塊化側(cè)墻門立柱與側(cè)墻的折線焊縫數(shù)量（折線焊縫數(shù)量會(huì)增加熱應(yīng)力集中區(qū)域，該區(qū)域由于應(yīng)力集中會(huì)出現(xiàn)凹坑或凸起現(xiàn)象），同時(shí)，該單面?zhèn)葔Φ拈T數(shù)（2個(gè)）比其他軌道車輛[8-9]（單面通常為4～5個(gè)）少，并且為單扇門（城市軌道車輛通常為雙扇門），門口的開(kāi)口尺寸比城市軌道車輛小，因此該側(cè)墻結(jié)構(gòu)具有較高的整體強(qiáng)度、剛度和良好的氣密性。該側(cè)墻的窗口設(shè)計(jì)不僅美觀，而且尺寸一致，便于工人加工，提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。

1.2.1 側(cè)墻板設(shè)計(jì)

每塊側(cè)墻板型材通過(guò)減小側(cè)墻板內(nèi)外壁壁厚，不斷優(yōu)化型材內(nèi)部立筋分布，在滿足強(qiáng)度的要求下，盡量減小質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)側(cè)墻設(shè)計(jì)的輕量化（如圖4）。側(cè)墻板采用通長(zhǎng)的雙層中空鋁合金型材組焊而成，該焊接工藝有利于提高側(cè)墻板整體剛度和強(qiáng)度，同時(shí)提高車體氣密性，隔聲降噪。其中：最上部的側(cè)墻上部縱梁組成是由2塊型材（側(cè)墻上部縱梁（一）和側(cè)墻上部縱梁（二））與中間加工的厚板件（側(cè)墻上部連接件7）組焊而成，下部的4塊型材（側(cè)墻板（一）、側(cè)墻板（二）、側(cè)墻板（三）、側(cè)墻板（四））通過(guò)焊接機(jī)器人采用長(zhǎng)直焊縫一次性自動(dòng)焊接成型，最后，側(cè)墻上部縱梁組成與側(cè)墻下墻板組成通長(zhǎng)一次性自動(dòng)連續(xù)焊接，這種一次性自動(dòng)焊接成型工藝及合理的焊接順序會(huì)使側(cè)墻板的變形在制造過(guò)程中得到很好的控制。側(cè)墻前端件結(jié)構(gòu)（側(cè)墻上部連接件7）相對(duì)比較復(fù)雜，這是機(jī)床機(jī)械加工的連接件。板材的加入主要為了與車頂一位端的邊梁相接，對(duì)車頂邊梁起到支撐作用，同時(shí)，側(cè)墻上部連接件7上設(shè)計(jì)了排水槽（如圖4），便于車頂型材邊梁的排水。

圖4 側(cè)墻板結(jié)構(gòu)圖

整體式側(cè)墻加工簡(jiǎn)便，在精密的數(shù)控車床上可以連續(xù)切割車門和車窗，機(jī)加工完成后，直接與底架、車頂、端墻、司機(jī)室骨架合成車體，節(jié)省了大量時(shí)間，且降低了生產(chǎn)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。此外，型材設(shè)計(jì)含有通長(zhǎng)的C槽（這用于座椅、內(nèi)裝板、行李架和門機(jī)構(gòu)等內(nèi)裝件的安裝），減少了焊接C槽的時(shí)間。每相隔1～2 m會(huì)切除寬60 mm垂向的通長(zhǎng)C槽（圖3中標(biāo)注出一條通長(zhǎng)切除C槽），這為了方便后續(xù)滑塊安裝和拆卸，有利于工人施工。

圖3 車體總圖（側(cè)墻內(nèi)面）

1.2.2 門立柱單元設(shè)計(jì)

門立柱單元由門立柱、門立柱后筋板、門立柱底架筋板3部分組成。門立柱采用10 mm厚的板材機(jī)械加工折彎件，與側(cè)墻相連。門立柱的一端與側(cè)墻型材外輪廓線一致，另一端為折彎區(qū)域，門立柱與側(cè)墻的連接通過(guò)在側(cè)墻型材上開(kāi)HV型坡口來(lái)進(jìn)行焊接。門立柱后邊有5塊厚度為6 mm的筋板，用于增強(qiáng)門立柱的強(qiáng)度和剛度。門立柱后筋板上的2個(gè)孔不僅可以減重，還便于后續(xù)電氣設(shè)備的穿線。門立柱上的長(zhǎng)圓孔可以方便安裝門機(jī)構(gòu)。由于門機(jī)構(gòu)開(kāi)關(guān)門會(huì)給門立柱縱向方向的力，因此，為了使門立柱的強(qiáng)度和剛度更高，在門立柱最下面焊接10 mm厚的門立柱底架筋板（如圖5）。采用板材的門立柱單元，不僅滿足強(qiáng)度的要求，而且節(jié)省了像擠壓型材門立柱[10]的模具費(fèi)。

圖5 門立柱單元結(jié)構(gòu)

1.2.3 端角柱單元設(shè)計(jì)

端角柱單元與側(cè)墻板采用插接的方式連接，如圖6所示。端角柱前端有2個(gè)擋膠板，可以防止司機(jī)室頭罩打膠時(shí)膠水隨意流動(dòng)而影響粘接效果。端角柱結(jié)構(gòu)為彎曲型材，折彎半徑很小，且折彎方向是在相對(duì)窄的一面，折彎難度很大，型材折彎處會(huì)起褶皺，為了防止褶皺的出現(xiàn)，在端角柱下部開(kāi)了一個(gè)工藝豁口后再折彎。為了防止豁口影響氣密性，四周用封板封堵。端角柱最下面3個(gè)圓孔為電氣設(shè)備的穿線孔，便于電氣設(shè)備往司機(jī)室走線。

圖6 端角柱單元設(shè)計(jì)

1.2.4 雨檐設(shè)計(jì)

雨檐采用一定厚度的板材，經(jīng)過(guò)加工折彎，然后通過(guò)分段焊的形式焊接到側(cè)墻門口上方，未焊接區(qū)域需要打膠處理（如圖7），雨檐的形狀為L(zhǎng)形，雨檐的長(zhǎng)度要大于門的寬度，這樣才能避免雨天時(shí)開(kāi)關(guān)門雨水對(duì)乘客上下車造成影響。該方案做工簡(jiǎn)便，滿足需求，節(jié)省成本。

圖7 雨檐

1.2.5 電解鎖鑰匙和外緊急襯套設(shè)計(jì)

電解鎖鑰匙和外緊急襯套都為板材加工件，電解鎖鑰匙襯套采用與側(cè)墻型材寬度、厚度相同的板材，通過(guò)機(jī)床加工成形。如圖8所示，襯套的中間部分開(kāi)適當(dāng)大小的方孔，且該孔需要貫通整個(gè)板材，這由電解鎖鑰匙形狀和安裝形式?jīng)Q定；襯套的前端還需要切出適當(dāng)深度的凹槽，可以防止電解鎖鑰匙凸出側(cè)墻輪廓線；襯套前端需要加工4處貫通板材的螺紋襯套孔，該孔深度大小需與電解鎖鑰匙螺釘尺寸保持一致；襯套的后端需要切出一定深度的凹槽。外緊急襯套與電解鎖鑰匙襯套一致，為機(jī)加工板材件，襯套的中間部分開(kāi)適當(dāng)大小的圓孔，且該孔需要貫通整個(gè)板材，這由外緊急的形狀和安裝形式?jīng)Q定；襯套的前端還需要切出適當(dāng)深度的凹槽，作用與電解鎖鑰匙襯套相似，為了防止外緊急凸出側(cè)墻輪廓線；襯套前端需要加工4處一定深度的螺紋襯套孔，該孔深度大小需與外緊急的螺釘尺寸保持一致。

圖8 電解鎖鑰匙襯套和外緊急襯套

2 側(cè)墻結(jié)構(gòu)所用材料

為了保證整體側(cè)墻的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，除了優(yōu)異的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，還需要選擇合適的鋁合金材料，同時(shí)需要考慮材料的焊接可達(dá)性。根據(jù)材料的具體位置和作用（尤其是受力狀況）來(lái)選擇材料，本側(cè)墻結(jié)構(gòu)所有型材都采用EN AW-6005A-T6材料，門立柱、門立柱后筋板、門立柱底架筋板和端立柱下筋板都采用EN AW-5083-H111材料，關(guān)鍵部件側(cè)墻上部連接板、外緊急襯套、電解鎖鑰匙襯套選用EN AW-6082-T6材料。

3 側(cè)墻靜強(qiáng)度分析

側(cè)墻不能作為一個(gè)單獨(dú)模塊來(lái)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，需要在整車模型設(shè)計(jì)后，參照EN12663[11]要求，對(duì)整車模型在各種工況下的靜強(qiáng)度計(jì)算來(lái)分析側(cè)墻結(jié)構(gòu)的合理性。由于側(cè)墻的門口和窗口需要機(jī)床加工切除，切除后的門口和窗口易為應(yīng)力集中區(qū)，因此一般門口和窗口區(qū)域的靜強(qiáng)度是工程師的關(guān)注點(diǎn)。有4種計(jì)算工況：1）工況一。AW3垂向載荷工況。2）工況二。1.3AW3垂向載荷工況。3）工況三。AW0＋1500 kN縱向壓縮。4）工況四。AW3＋1500 kN縱向壓縮。如圖9所示，可以看出門角和窗角為應(yīng)力集中區(qū)域，表1為圖9對(duì)應(yīng)的各處最大應(yīng)力值，可知：門角和窗角在這4種工況下，最大應(yīng)力值都小于許用應(yīng)力值。其余工況下應(yīng)力相對(duì)較小，且強(qiáng)度校核合格，證明側(cè)墻結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，側(cè)墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)合理。

圖9 車體側(cè)墻門角和窗角應(yīng)力圖

表1 4種工況靜強(qiáng)度最大值匯總

4 結(jié)論

1）快速市域車采用中空鋁合金型材，在滿足強(qiáng)度要求的情況下實(shí)現(xiàn)輕量化；2）側(cè)墻采用整體式鋁合金側(cè)墻的設(shè)計(jì)，加工流程簡(jiǎn)單，安裝方便，既提高了生產(chǎn)效率，也降低了生產(chǎn)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)提高了側(cè)墻的整體強(qiáng)度和剛度，減少了折線焊縫的數(shù)量（熱應(yīng)力集中區(qū)域減少），保證了車體整體美觀性；3）側(cè)墻的中空鋁型材和單側(cè)側(cè)墻門數(shù)較少等設(shè)計(jì)都有利于提高車體的密封性，對(duì)車體提速至關(guān)重要；4）側(cè)墻前端件結(jié)構(gòu)為板材機(jī)械加工件，為異型件，可連接車頂、側(cè)墻型材，同時(shí)設(shè)計(jì)了排水槽，方便車頂排水；5）門立柱單元采用板材結(jié)構(gòu)，便于門機(jī)構(gòu)的安裝，比擠壓型材節(jié)省大量成本（尤其是模具開(kāi)模費(fèi)用），且滿足強(qiáng)度要求；6）為了防止端角柱折彎時(shí)出現(xiàn)褶皺，在端角柱下部開(kāi)了一個(gè)工藝豁口后再折彎；7）提供了一種新型的板材折彎雨檐，加工簡(jiǎn)單，安裝方便，節(jié)約成本；8）提供了一種新型的軌道車輛電解鎖鑰匙襯套和外緊急襯套結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便，采用板材結(jié)構(gòu)，價(jià)格低廉。