天津地鐵2號線車輛車體鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計

（大連機車車輛有限公司城軌技術(shù)開發(fā)部，116022，大連∥第一作者，工程師）

天津地鐵2號線車輛車體鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計

劉 軍 周傳誼

（大連機車車輛有限公司城軌技術(shù)開發(fā)部，116022，大連∥第一作者，工程師）

從車體底架、側(cè)墻、頂棚、端墻、司機室及各部件間的連接等方面，介紹了天津地鐵2號線車輛不銹鋼車體結(jié)構(gòu)設(shè)計過程、設(shè)計難點及生產(chǎn)組裝過程。闡述了不銹鋼材料的特性以及在車體結(jié)構(gòu)設(shè)計中選用的依據(jù)。對車體鋼結(jié)構(gòu)進行了靜強度計算和靜強度試驗。結(jié)果表明，車體的強度和剛度滿足車輛設(shè)計要求。

地鐵車輛；不銹鋼車體；結(jié)構(gòu)設(shè)計

First-author's address LRV Technical Development Department of Dalian Locomotive and Rolling Stock Co.，Ltd.，116022，Dalian，China

隨著城市軌道交通的發(fā)展，輕量化不銹鋼車輛已成為城軌車輛中的主流產(chǎn)品。大連機車車輛有限公司在已有大連金州線不銹鋼車輛的基礎(chǔ)上，進行天津地鐵2號線不銹鋼車輛的開發(fā)設(shè)計。

天津地鐵2號線西起曹莊，東至李明莊，線路總長22.6 km。其車輛采用輕量化不銹鋼車體，表面涂裝處理。列車采用3動3拖6輛編組方式。按EN 12663-2000《鐵道車輛車體結(jié)構(gòu)要求》，該車輛類型歸屬于其中的P-III及地下快速軌道交通。該車輛限界滿足CJJ 96-2003《地鐵限界標準》中B1型車的要求：車體能夠承受垂直、縱向、扭轉(zhuǎn)、自重、載重、牽引力、橫向力、制動力等動、靜載荷及作用力，在其使用期限（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800 k N和640 kN。

1 輕量化不銹鋼車體材料的特性

天津地鐵2號線車輛的車體鋼結(jié)構(gòu)材料絕大部分采用城軌車輛專用的高強度奧氏體不銹鋼，僅底架牽引梁及枕梁部位仍采用高強度耐候鋼。車體具有質(zhì)量輕、防火性能高、耐腐蝕性能強、全壽命周期成本低等特點，其結(jié)構(gòu)壽命大于30年。

1.1 車體材料

車體不銹鋼的化學(xué)成分、機械性能等質(zhì)量等級均執(zhí)行德國EN 10088-2標準和日本JISG 4305-1999標準的規(guī)定；高耐候結(jié)構(gòu)鋼化學(xué)成份和機械性能符合與EN 10155相當?shù)闹袊鴩覙藴蔊B/T 4171-2000《耐候結(jié)構(gòu)鋼》的規(guī)定。SUS 301 L和SUS 304不銹鋼的機械性質(zhì)見表1（按日本標準）。

表1 SUS301 L、SUS 304不銹鋼的機械性質(zhì)（日本JIS E 4049標準）

1.2 SUS 301 L的特點

SUS 301 L系列不銹鋼是地鐵車輛專用的高強度不銹鋼，其綜合性能好、強度高、塑性好、硬度適中，并具有高電阻率、較大膨脹系數(shù)和低熱導(dǎo)率等特點。

SUS 301 L有LT、DLT、ST、MT、HT等5個不同強度等級（具體性能指標見表1）。這為實現(xiàn)車體輕量化提供了有利條件。

在車體結(jié)構(gòu)設(shè)計時，依據(jù)不同等級、強度的特性，以及各部位結(jié)構(gòu)特點和強度要求，選擇適應(yīng)等級的材質(zhì)。LT等級相當于SUS 304不銹鋼，適用于強度要求不是很高的部件或構(gòu)件；DLT等級的冷軋壓縮率低，可確保良好的表面平直度，常用于車體的外板（側(cè)頂板、側(cè)墻板、端墻板）；ST等級具有高強度和高張力，適用于需要進行彎曲和拉伸加工的部件（如彎梁、立柱）；MT等級用于要求高強度以及進行彎曲和沖壓加工的部件，如軋制成型的部件；HT等級的屈服強度和拉伸強度最大，主要用于車體底架的側(cè)梁、側(cè)墻立柱、上弦梁等部位。

1.3 不銹鋼焊接工藝性

不銹鋼材料由于電阻率高、熱導(dǎo)率低及熱膨脹系數(shù)高等特點，焊接時產(chǎn)生的熱量不易分散，容易聚集在焊縫周圍。因此，高溫焊接不銹鋼時材料中的Cr化合物會沿晶界析出，使焊縫周圍由于Cr含量降低而易腐蝕，導(dǎo)致屈服強度和抗拉強度大大降低。由于不銹鋼的焊接工藝復(fù)雜，對車體結(jié)構(gòu)設(shè)計要求高，故要大量采用自動點焊技術(shù)以減少焊接的熱影響，部分結(jié)構(gòu)采用熔化極惰性氣體保護焊（MIG）、惰性氣體鎢極保護焊（TIG）和塞焊等焊接技術(shù)。車體鋼結(jié)構(gòu)焊接按照EN 15085標準執(zhí)行。

不銹鋼車體鋼結(jié)構(gòu)主要采用薄板搭接結(jié)構(gòu)，骨架的部件之間采用連接板點焊結(jié)構(gòu)。針對不銹鋼車體主要采用自動點焊的技術(shù)特點，在施工設(shè)計階段，對車體鋼結(jié)構(gòu)焊點的分布和不同板厚組合件的焊點直徑大小進行分析確定，在確保焊接強度的基礎(chǔ)上，使焊點的分布合理、均勻、美觀，焊接工藝可行。在進行車體組焊時，應(yīng)對不同材料、不同板厚的組合進行焊接電流及壓力的測試，并進行焊接樣塊的切樣檢驗及拉力試驗，以最終確定合適的焊接參數(shù)。確定的焊接參數(shù)應(yīng)完全滿足EN標準后再進行正式的焊接。

2 車體組成

天津地鐵2號線列車由Tc（帶有司機室的拖車），M、M1（動車），T（拖車）組成。其中M、M1的鋼結(jié)構(gòu)可完全互換。T車的鋼結(jié)構(gòu)側(cè)墻、頂棚及端墻與M車基本相同，只是底架橫梁分布和車體小件部分略有不同。

Tc車體長度為19 500 mm，M、T車體長度為19 000 mm；車體寬度均為2 800 mm；高度均為3 750 mm。玻璃鋼司機室作為一個模塊，司機室長1 345 mm。車輛定距12 600 mm。本次設(shè)計的不銹鋼車體鋼結(jié)構(gòu)采用的是整體承載輕量化焊接結(jié)構(gòu)。車體主要由車頂、底架、左右側(cè)墻、端墻等大部件組成（見圖1）。

圖1 Tc車體鋼結(jié)構(gòu)

不銹鋼車體主體結(jié)構(gòu)主要由長大型材、柱、梁等縱向貫通構(gòu)件來承受縱向作用力，由外板、頂棚波紋板、底架上波紋板等薄板承受剪切力作用。因載荷不能直接傳遞到薄板上，設(shè)計時將底架、側(cè)墻、頂棚等構(gòu)件焊接為一體，以整體承載方式來承受載荷，并將其分散到薄板上。在將底架、側(cè)墻、頂棚、端墻設(shè)計為薄壁筒形整體承載結(jié)構(gòu)體時，著重考慮骨架型材配置的合理性，使側(cè)柱、車頂彎梁、底架橫梁連結(jié)位置盡量一致，接近于環(huán)狀結(jié)構(gòu)，以提高車體整體剛性，實現(xiàn)輕量化設(shè)計目的。

為保證車體內(nèi)裝及主要設(shè)備安裝方便，車體鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計時充分考慮了主要部件如車體內(nèi)裝、車鉤、空調(diào)、風道、車門、貫通道、玻璃、信息顯示、座椅、電器柜、底架下設(shè)備、電氣管線、制動管路等設(shè)備的安裝接口，預(yù)先在主體鋼結(jié)構(gòu)上預(yù)埋結(jié)構(gòu)件，并保證安裝的強度及運營條件要求。

車體鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計時采用模塊化的設(shè)計理念，將車體分為頂棚、側(cè)墻、端墻、底架等模塊；同時在各個模塊下分設(shè)子模塊，如空調(diào)平臺、分塊側(cè)墻、門框、枕梁、牽引梁、端底架等模塊。這樣，可有效提高生產(chǎn)精度，便于減重和生產(chǎn)組裝，可有效節(jié)約能耗和提高生產(chǎn)效率。

3 車體鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 底架

底架采用模塊化設(shè)計，主要由I、II位端底架，以及邊梁、橫梁和波紋地板等組成。底架需要吊裝各種電器、制動設(shè)備和管路等，同時還要承受自重及傳遞牽引力與制動力，所以底架設(shè)計時主要考慮結(jié)構(gòu)的強度和剛度。

端底架分別由牽引梁、枕梁、邊梁及吸能區(qū)（僅Tc有）等組成。牽引梁是承受和傳遞牽引力、制動力與沖擊力的主要部件，由牽引梁上下蓋板、腹板、車鉤安裝板、肋板等焊接成箱形結(jié)構(gòu)。其材質(zhì)為高強度耐候鋼板。

枕梁是由上下蓋板、立板及加強板等焊接而成的箱形結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為高強度耐候鋼板。轉(zhuǎn)向架的空氣彈簧安裝座和中心牽引銷同枕梁相連。枕梁組焊后對中心牽引銷、空氣彈簧座進行整體加工，以保證安裝所需要的平面度。

圖2 Tc車I位端底架、II位端底架

底架邊梁和橫梁由于承受大的沖擊載荷和設(shè)備吊裝，板材厚度為3～4.5 mm。邊梁與橫梁采用連接板點焊連接。邊梁為長大滾軋型材，材質(zhì)為SUS 301 L-HT。橫梁為壓型槽鋼，強度為DLT和LT。設(shè)計橫梁的位置時應(yīng)充分考慮底架設(shè)備的吊裝；無法實現(xiàn)時應(yīng)增加安裝支座或小縱梁，以點焊或塞焊方式連接。焊接前應(yīng)對焊點的強度、焊核大小進行試驗，以充分保證焊接后的強度和剛度。

波紋地板選用標準的型材斷面，材質(zhì)為SUS 301 L-MT。波紋地板與橫梁采用電鉚焊連接。

底架上設(shè)有架車位，以保證車輛故障時整體起吊。在底架枕梁附近安裝與轉(zhuǎn)向架整體吊裝的連接座。

Tc車I位端底架的吸能區(qū)由防爬器和孔梁吸能構(gòu)件等組成（見圖3）。此結(jié)構(gòu)需通過結(jié)構(gòu)強度計算和車體碰撞分析，并滿足車輛速度在25 km/h時的吸能要求，以有效保護司乘人員安全。

圖3 Tc車I位端底架吸能結(jié)構(gòu)

3.2 側(cè)墻

側(cè)墻結(jié)構(gòu)各部分采用模塊化設(shè)計，主要有門框裝配、分段側(cè)墻裝配、門上梁裝配及蒙皮等模塊，全部為不銹鋼材質(zhì)。

側(cè)墻上裝有車門、玻璃、座椅、內(nèi)裝等，同時要承受和傳遞各種載荷，尤其是垂向載荷，所以必須在保證其結(jié)構(gòu)強度的前提下進行輕量化設(shè)計。

側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)完全為點焊連接結(jié)構(gòu)。側(cè)墻蒙皮厚度為1.5 mm，梁柱板材厚度為1～2 mm，骨架厚度為50 mm。骨架型材斷面采用壓型梁、乙型梁及盆形梁。由于側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)主要采用薄板搭接結(jié)構(gòu)，在門角及窗角的高應(yīng)力區(qū)會造成應(yīng)力集中，致使其強度不足。設(shè)計時重點考慮了該部位結(jié)構(gòu)。門框采用整體門框。門框板材厚度為4 mm，門角圓弧過渡。窗角采用整體壓型窗角，可提高窗角強度及焊接質(zhì)量。在門區(qū)兩側(cè)外蒙皮，內(nèi)側(cè)增加一層補強板，并在蒙皮內(nèi)側(cè)增加壓型襯梁。補強板、襯梁與蒙皮和骨架點焊連接，有效提高了門區(qū)結(jié)構(gòu)強度，且利于塞拉門安裝及滿足運用條件。

天津地鐵2號線車輛的車體側(cè)墻為盲窗帶結(jié)構(gòu)，與以往的不銹鋼側(cè)墻結(jié)構(gòu)有很大的不同。側(cè)墻中部的盲窗區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)向車內(nèi)凹進，增大了側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的難度。為保證既能安裝上單、雙層玻璃又滿足窗角區(qū)域強度要求，將窗角設(shè)計成整體壓型件。此為側(cè)墻結(jié)構(gòu)的主要創(chuàng)新點。盲窗斷面及窗角視圖如圖4所示。

側(cè)墻與底架、頂棚采用點焊、塞焊和連接板方式連接。側(cè)墻在生產(chǎn)時預(yù)留撓度，以配合底架、頂棚的撓度要求。

3.3 頂棚

頂棚結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計。Tc車和M、T車均由2個空調(diào)安裝平臺以及上弦梁、彎梁、側(cè)頂板與波紋頂板等組焊而成，材質(zhì)全部為不銹鋼。頂棚上設(shè)有新型結(jié)構(gòu)的機械廢排裝置。

圖4 盲窗斷面及窗角視圖

空調(diào)安裝平臺設(shè)計時充分考慮空調(diào)機組的自重和振動特性。平臺骨架厚度為40 mm，采用壓型的縱梁和橫梁點焊連接。骨架上鋪有不銹鋼板，骨架與不銹鋼板點焊連接。平臺兩側(cè)為立面結(jié)構(gòu)。整個裝配保證密封，并具有足夠的強度和剛度。在平臺上設(shè)有空調(diào)機組安裝座，平臺的蒙皮開口與空調(diào)機組的送風口和回風口相對。為保證車輛的美觀性，空調(diào)平臺兩側(cè)有凸起通過臺。

上弦梁、側(cè)頂板為長大滾壓型材。兩側(cè)雨檐與側(cè)頂板設(shè)計成一體，以有效提高側(cè)頂板的剛度。彎梁為拉彎梁，彎梁的布置重點考慮內(nèi)裝及空調(diào)風道的安裝，并盡量與側(cè)墻、底架的骨架梁位置一致，形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，以提高車體的強度和剛度。

波紋頂板采用標準的型材斷面，材質(zhì)為SUS 301 L-MT。波紋頂板與彎梁采用點焊連接。

圖5 頂棚局部圖

頂棚與側(cè)墻采用點焊和連接板方式連接。頂棚組焊時預(yù)留撓度，便于組裝。

3.4 端墻

端墻由蒙皮、2個門立柱、橫梁、蒙皮加強梁、小橫梁、小縱梁等組成，材質(zhì)為不銹鋼。

端墻設(shè)計時，重點考慮外蒙皮板的平整度及與車體其他部分的連接，以及折棚風擋和端部內(nèi)飾安裝的需要。門立柱及門上橫梁在設(shè)計時應(yīng)保證寬體折棚風擋的通過寬度（1 300 mm）和高度（1 900 mm）。端墻蒙皮的搭接位置根據(jù)國內(nèi)外板材寬度的要求，采用頂部橫向拼縫。

端墻與底架采用塞焊和連接板方式連接，端墻與側(cè)墻采用點焊和連接板方式連接，端墻與頂棚采用點焊方式連接。

3.5 司機室

司機室為獨立模塊設(shè)計，采用纖維增強復(fù)合塑料（FRP）中預(yù)埋不銹鋼結(jié)構(gòu)，與Tc車底架側(cè)墻頂棚連接。司機室鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計時主要以車輛整體外觀為前提，再充分考慮與車體鋼結(jié)構(gòu)的連接調(diào)整，以及司機室擋風玻璃、前照燈、司機室門、操縱臺、頂部設(shè)備、內(nèi)裝等部件的安裝接口。司機室結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 司機室結(jié)構(gòu)

總組裝時，司機室鋼結(jié)構(gòu)放到底架上，與底架塞焊連接，與側(cè)墻和頂棚通過連接板和塞焊連接，并通過玻璃鋼外罩與鋼骨架的連接螺栓調(diào)整到準確合理的位置。

3.6 車體各部件間的連接

在車體結(jié)構(gòu)設(shè)計時，充分考慮了焊接設(shè)備、工裝設(shè)備、胎模具及車間生產(chǎn)能力等因素，各部件采用不同的連接方式（見圖7）：司機室底部圈梁、后端梁，通過螺栓與底架、側(cè)墻連接，調(diào)整好后與頂棚端梁進行塞焊連接。頂棚與端墻通過點焊設(shè)備進行連接后，在波紋板與端墻連接處涂密封膠密封。側(cè)墻與頂棚、端墻也通過雙面點焊設(shè)備連接，焊接前在相應(yīng)位置涂抹導(dǎo)電密封膠密封。側(cè)墻底架采用單面點焊和塞焊（門框區(qū)域）進行連接，端墻與底架采用塞焊進行連接。

4 車體鋼結(jié)構(gòu)的靜強度計算

圖7 車體部件間連接

車體結(jié)構(gòu)設(shè)計、計算按照GB/T 7928和EN 12663等相關(guān)標準執(zhí)行。在車體鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，為檢驗車體設(shè)計結(jié)構(gòu)的合理性，校核了車體的強度、剛度是否滿足設(shè)計要求，并為車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和車體靜強度試驗提供可靠依據(jù)。需對車體結(jié)構(gòu)進行靜強度計算、模態(tài)分析、碰撞計算及疲勞的相關(guān)計算，在保證結(jié)構(gòu)強度的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化和減重設(shè)計，使車體的結(jié)構(gòu)完全滿足設(shè)計要求。

本次設(shè)計利用先進的有限元分析軟件建立Tc、M車體的有限元模型，進行垂直載荷、縱向壓縮、縱向拉伸、救援、吊裝及扭轉(zhuǎn)載荷等近20種工況下的靜強度計算和3種工況模態(tài)分析，以得到車體結(jié)構(gòu)在各工況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)力分布、剛度、自振頻率及振型。

設(shè)計時基于HYPERMESH軟件建立了用于劃分有限元網(wǎng)格的幾何模型和有限元模型。模型的幾何形狀從車體三維設(shè)計中各處厚度的中面提取；有限元模型構(gòu)成以任意四節(jié)點為等參變化的薄殼單元為主，三節(jié)點薄殼單元為輔。與梁單元、板單元相比，殼單元由于結(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)，因此具有更高的計算精度。

車體的剛度分析、靜強度分析和車體的模態(tài)分析均采用整車結(jié)構(gòu)為計算對象。車體的計算模型和網(wǎng)格如圖8所示。

通過靜強度計算得出以下結(jié)論：

（1）在垂直靜載荷作用下，車體中央斷面底架邊梁下翼緣的垂直撓度值小于撓跨比1/1 000的設(shè)計要求，因此，該車剛度滿足設(shè)計要求。

（2）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、救援、吊裝及扭轉(zhuǎn)載荷等工況作用下，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，該車強度也滿足設(shè)計要求。

圖8 Tc、M車體的計算模型和網(wǎng)格

5 車體靜強度試驗

車體鋼結(jié)構(gòu)總組焊完成后，為驗證車體的強度和剛度是否滿足設(shè)計要求，由青島四方車輛研究所有限公司按JISE 7105-1989《鐵道車輛車體的靜載荷試驗方法》，對車體鋼結(jié)構(gòu)進行了靜強度試驗。先后進行了垂向載荷試驗、車端壓縮載荷試驗、扭轉(zhuǎn)試驗、三點支承試驗。試驗結(jié)果表明，車體結(jié)構(gòu)強度完全滿足車輛設(shè)計要求，試驗結(jié)果與計算結(jié)果基本相符。

6 結(jié)語

目前，天津地鐵2號線項目的車輛已交付完畢，并順利通過型式試驗及5 000 km運行試驗，車輛整體狀態(tài)良好。天津地鐵2號線車輛不銹鋼車體的研發(fā)和制造，為我公司軌道車輛積累了豐富的經(jīng)驗，也為后續(xù)項目的車輛設(shè)計提供了廣闊的平臺。

［1］ 嚴雋耄.車輛工程［M］.北京：中國鐵道出版社，1992.

［2］ 內(nèi)田博行，高魁源.日本不銹鋼車輛技術(shù)［J］.國外鐵道車輛，2001（4）：1.

［3］ 趙明花，劉玉民.城市軌道車輛不銹鋼車體的研發(fā)［J］.城市軌道交通研究，2004（1）：76.

［4］ 劉軍.大連金州線不銹鋼車體側(cè)墻結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］.機車車輛通訊，2008（3）：2.

Design of Steel Structure Vehicle for Tianjin Metro Line 2

Liu Jun，Zhou Chuanyi

Vehicle used for Tianjin Metro Line 2 is a standard B1 stainless steel vehicle developed and manufactured by Dalian Locomotive and Rolling Stock Company.In this paper，the stainless steel structureof the carbody，the difficulties in design and the procedure of manufacture and assemblyare mainly introduced.Besides，the characteristics of stainless steel material and its usage in the structure of metro carbody are explained，a static strength calculation and test are conducted，the result verifies the strength and stiffness of the carbody.

metro vehicle；stainlesssteel carbody；structure design

U 270.32：U 231

2012-04-13）