大連地鐵1、2號(hào)線車輛車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

郭蕾

【摘 要】本文主要介紹了大連地鐵1、2號(hào)線車輛的車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從車體材料選擇、焊接工藝、結(jié)構(gòu)連接、強(qiáng)度計(jì)算等多方面保證車體結(jié)構(gòu)能夠滿足地鐵車輛運(yùn)行的各種需要。

【關(guān)鍵詞】不銹鋼車體；鋼結(jié)構(gòu)；材料性能；地鐵車輛

0 前言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，城市化進(jìn)程的不斷加快，市內(nèi)交通需求持續(xù)增長(zhǎng)，城市交通設(shè)施與城市化發(fā)展的矛盾逐漸顯現(xiàn)。軌道交通以其運(yùn)量大、速度快、安全可靠、準(zhǔn)點(diǎn)舒適等優(yōu)勢(shì)成為我國(guó)城市公共交通的發(fā)展方向。

大連地鐵1號(hào)線起自姚家，終至河口，線路全長(zhǎng)28.339km；2號(hào)線起自東海公園，終至南關(guān)嶺，線路全長(zhǎng)36.562km。車輛要適應(yīng)大連市的自然環(huán)境和地鐵線路條件，能在地下、地面和高架線路上運(yùn)行，車輛采用3動(dòng)3拖六輛編組方式。為此，大連地鐵1、2號(hào)線車輛研發(fā)設(shè)計(jì)成B2型不銹鋼車輛，車體采用不銹鋼材料的輕量化整體承載焊接結(jié)構(gòu)，具有列車自動(dòng)駕駛功能，采用模塊化設(shè)計(jì)。以下介紹大連地鐵1、2號(hào)線車輛車體結(jié)構(gòu)、部件和輕量化等方面的具體設(shè)計(jì)。

1 車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 車體鋼結(jié)構(gòu)組成

大連地鐵1、2號(hào)線車輛為6輛/列編組，車輛分為帶司機(jī)室拖車（Tc車）、帶受電弓動(dòng)車（Mp車）和不帶受電弓動(dòng)車（M車）三種。

車體是車輛運(yùn)輸?shù)妮d體，要承受各種靜載荷、動(dòng)載荷、沖擊、振動(dòng)，應(yīng)該滿足構(gòu)造速度運(yùn)行的要求，保證車輛運(yùn)輸安全。除此之外，還要滿足密封、減振、隔熱和防火性能要求，考慮在各種條件下的架車、起吊、高空作業(yè)安全、救援、調(diào)車、連掛、多車編組回送、事故狀態(tài)下的應(yīng)急措施。

大連地鐵車輛車體結(jié)構(gòu)采用不銹鋼輕量化設(shè)計(jì)，是典型的薄壁筒型整體承載的點(diǎn)焊?jìng)髁Y(jié)構(gòu)。車體的主體結(jié)構(gòu)由底架、左右側(cè)墻、端墻、頂棚、司機(jī)室等結(jié)構(gòu)焊接組成。下圖為Tc車體鋼結(jié)構(gòu)裝配三維圖。

圖1 Tc車體鋼結(jié)構(gòu)裝配

1.2 底架裝配

車體底架為無中梁結(jié)構(gòu)，主要由端底架、不銹鋼橫梁、波紋地板、不銹鋼底架邊梁等組成。Tc車底架I位端有防爬裝置和吸能區(qū)，II位端與Mp車前后端基本相同。枕梁和牽引梁部位采用耐候鋼材料，波紋地板選用標(biāo)準(zhǔn)的型材斷面，在底架前后部，與枕梁和端梁塞焊焊接為一體。Tc車I位端底架由吸能結(jié)構(gòu)、牽緩組成、枕梁等組成。

圖2 Tc車底架裝配

1.3 側(cè)墻裝配

側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)由側(cè)墻板、立柱、橫梁、底部橫梁和門框等焊接成為整體。側(cè)墻結(jié)構(gòu)采用分塊模塊化設(shè)計(jì)，由門口隔開。車體左右側(cè)墻完全對(duì)稱，每側(cè)設(shè)有5個(gè)門和3個(gè)側(cè)窗。

圖3 Tc車側(cè)墻裝配

分塊側(cè)墻組成由門立柱裝配、窗立柱裝配、窗上梁裝配、窗下梁裝配、底部橫梁等組成，部件之間均采用點(diǎn)焊連接。各分塊側(cè)墻組成框架結(jié)構(gòu)在專用焊接胎具上，通過自動(dòng)點(diǎn)焊與蒙皮支撐板、窗中板、窗下板裝配、窗角焊接形成一個(gè)分塊側(cè)墻組成單元。車體側(cè)墻兩側(cè)設(shè)有一定數(shù)量的安裝座、安裝梁及走線架，與側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)剛性連接，用來安裝門系統(tǒng)、客室座椅、內(nèi)墻板、門立柱及走線等。

1.4 頂棚裝配

頂棚鋼結(jié)構(gòu)由兩個(gè)上弦梁、頂部彎梁、側(cè)頂板及兩個(gè)空調(diào)機(jī)組平臺(tái)一起焊接組成，在頂棚骨架上面鋪設(shè)波紋板。

圖4 頂棚裝配

空調(diào)機(jī)組平臺(tái)模塊化設(shè)計(jì)，組焊后的空調(diào)機(jī)組平臺(tái)整體與頂棚彎梁、波紋頂板及車頂上弦梁組焊為一體?？照{(diào)機(jī)組平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮整個(gè)平臺(tái)的強(qiáng)度和剛度。整個(gè)平臺(tái)由橫梁、縱梁等幾部分組成，裝配各梁之間使用點(diǎn)焊形成框架結(jié)構(gòu)。彎梁上鋪有波紋頂板組成。波紋頂板兩端增加補(bǔ)強(qiáng)板以保證車頂?shù)膹?qiáng)度及剛度。

1.5 端墻裝配

端墻鋼結(jié)構(gòu)由不銹鋼外板，門口立柱、頂部彎梁、小橫梁和貫通道安裝梁、底部橫梁組成。

1.6 司機(jī)室鋼結(jié)構(gòu)

司機(jī)室采用含鋼結(jié)構(gòu)骨架的整體玻璃鋼結(jié)構(gòu)，與車體的底架、側(cè)壁和頂棚連接到一起。玻璃鋼司機(jī)室主要由玻璃鋼外罩組成（含鋼結(jié)構(gòu)骨架）、裙板、擋板、腳蹬等組成。玻璃鋼外罩鋼結(jié)構(gòu)骨架與玻璃鋼外罩之間的螺栓連接方式，可以進(jìn)行上下和前后的調(diào)節(jié)。

2 車體材料的選擇

輕量化是指采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和有效手段對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，或使用新材料在確保產(chǎn)品性能指標(biāo)的前提下，盡可能降低產(chǎn)品自身質(zhì)量，以達(dá)到減重、降耗、環(huán)保、安全的綜合指標(biāo)。城軌車輛車體輕量化通過選用強(qiáng)度更高、質(zhì)量更小的新材料及設(shè)計(jì)更合理的車體結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，車體輕量化是大連地鐵1、2號(hào)線車輛車體材料選擇的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 奧氏體不銹鋼

車體材料的選擇關(guān)系到車輛成本、重量、安全性、美觀性等，因此車體選材是車體設(shè)計(jì)必須考慮的重要問題。目前城市地鐵車輛車體材料有普通鋼、不銹鋼和鋁合金三種。不銹鋼和鋁合金相比，耐熱性不銹鋼優(yōu)于鋁合金。根據(jù)國(guó)內(nèi)外地鐵車輛車體采用不銹鋼和鋁合金的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，地鐵車輛耐候鋼車體自重約9～10t，不銹鋼車體約7～8t，鋁合金車體約5～6t，然而鋁合金的抗拉強(qiáng)度不如不銹鋼，而且鋁合金剛度低，為保證車體具有足夠的承載強(qiáng)度和剛度，鋁合金車體必須采用大型中空型材及其組合件，并且加大板厚。耐腐蝕性方面，二者都具有較好的耐腐蝕性，但不銹鋼車體比鋁合金車體更優(yōu)越，不銹鋼車體在制造過程中不用進(jìn)行防腐保護(hù)，完工后也不需涂漆。經(jīng)濟(jì)型方面分析，鋁合金車的平均采購(gòu)價(jià)格約是普通鋼車的1.8倍，不銹鋼車的采購(gòu)價(jià)格約是普通鋼車的1.2倍。維修費(fèi)用方面，不銹鋼車體最優(yōu)。整個(gè)地鐵車輛壽命周期來看，鋁合金車體高于普通鋼車體高于不銹鋼車體。

綜合考慮成本、維護(hù)等多方面因素，大連地鐵1、2號(hào)線車輛車體材料采用車輛專用奧氏體不銹鋼，不銹鋼化學(xué)成分、機(jī)械性能、質(zhì)量等級(jí)符合德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)EN10088-2或日本標(biāo)準(zhǔn)JISG4305：1999（底架牽引梁及枕梁部位采用滿足EN10155標(biāo)準(zhǔn)的耐候鋼），其化學(xué)成分、力學(xué)和物理性能及焊接特征如下。

2.2 不銹鋼化學(xué)成分和力學(xué)性能

車體不銹鋼化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1和表2。

SUS301L中的Ni和Cr含量低于SUS304，其屈服極限比（屈服強(qiáng)度/抗拉強(qiáng)度）亦不大于0.8，因而具有更加良好的沖壓加工性能，且能通過冷沖壓加工提高其抗拉強(qiáng)度。SUS301L通過冷加工可以得到不同的強(qiáng)度，然后根據(jù)應(yīng)用部位不同采用屈服強(qiáng)度為200～700N/mm2不等的材料。

2.3 物理性能及焊接特征

由于奧氏體鋼特殊的物理性能，在焊接過程中會(huì)引起較大的應(yīng)力與變形。奧氏體不銹鋼加熱到450～850攝氏度時(shí)會(huì)發(fā)生敏化，鋼材中的Cr的碳化物會(huì)沿晶界析出，使得晶界附近因含Cr量下降而出現(xiàn)晶界腐蝕，同時(shí)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度會(huì)急劇下降。另外，不銹鋼材料的熱膨脹系數(shù)為鋼的1.5倍，因此相同熱量的變形量會(huì)比普通鋼材大的多。因此，不銹鋼車體制造工藝中一般避免采用電弧滿焊，多采用電阻點(diǎn)焊工藝。

3 車體強(qiáng)度與剛度計(jì)算

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN12663：2010“鐵道車輛車體結(jié)構(gòu)要求”，大連地鐵1、2號(hào)線車輛類型歸屬于其中的P-III，即地下快速軌道交通車輛。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(dòng)力等動(dòng)、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(qiáng)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800kN和640kN。以下以Tc車為例，介紹車體強(qiáng)度剛度計(jì)算模型和結(jié)果分析。

本次靜強(qiáng)度和剛度計(jì)算工況共17個(gè)，通過計(jì)算，大連地鐵1、2號(hào)線不銹鋼點(diǎn)焊地鐵Tc車車體的靜強(qiáng)度和剛度的分析結(jié)果表明：在垂直靜載荷的作用下，車體中央斷面底架邊梁下翼緣的垂直撓度值小于撓跨比1/1000的設(shè)計(jì)要求；根據(jù)各工況下的應(yīng)力云圖顯示，車體在垂直載荷工況、縱向壓縮工況、縱向拉伸工況、救援工況、吊裝工況及扭轉(zhuǎn)載荷工況等作用下，所有部位應(yīng)力均不超出該部位所選材料的許用應(yīng)力。因此該車剛度和強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。

4 車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)

2013年12月，由青島四方車輛研究所按JISE7105-2006《鐵道車輛車體的靜載荷試驗(yàn)方法》和EN12663標(biāo)準(zhǔn)對(duì)大連地鐵1、2號(hào)線車輛車體鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行垂向載荷試驗(yàn)、車端壓縮載荷試驗(yàn)、車端拉伸載荷試驗(yàn)、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)和三點(diǎn)支承試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均滿足要求，并且與計(jì)算結(jié)果基本相符。

5 結(jié)語

通過以上設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證的首批38列大連地鐵車輛已經(jīng)交付使用，運(yùn)用良好。該車輛的設(shè)計(jì)過程中采用CREO軟件三維技術(shù)，使用PLM系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的管理和使用，采用了自頂向下的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)整車參數(shù)化和各部門并行工作，不僅達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)，而且極大提高了工作效率和設(shè)計(jì)水平。

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[責(zé)任編輯：王楠]