菲律賓馬尼拉3號線增購車底架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

韓雪松 曲曉梅 曹艷艷

（中車大連機(jī)車車輛有限公司（城軌技術(shù)開發(fā)部），遼寧 大連 116022）

0　前言

菲律賓馬尼拉3號線車輛為新型鉸接式地鐵車輛，采用+A*B*C+編組形式，其中 A、B、C代表車輛，‘+’代表車鉤，‘*’代表轉(zhuǎn)向架，編組如圖1所示。 列車共有四個(gè)轉(zhuǎn)向架，其中兩個(gè)轉(zhuǎn)向架設(shè)在車輛之間鉸接處，車體結(jié)構(gòu)符合標(biāo)準(zhǔn) EN12663：2010“鐵道車輛車體結(jié)構(gòu)要求”。

圖1　車輛編組圖

1　車體底架材料

底架是車體結(jié)構(gòu)的重要承載部分，不僅承受底架上和車內(nèi)所有設(shè)備及乘客的重量，同時(shí)還要傳遞車輛的牽引力和制動力并承受運(yùn)行過程中的彎曲、扭轉(zhuǎn)等各種復(fù)雜載荷，因此其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇直接影響整車的強(qiáng)度以及行車安全問題。本項(xiàng)目車輛車體底架材料主要采用奧氏體冷軋不銹鋼和優(yōu)質(zhì)低合金鋼。

1.1　不銹鋼材料的化學(xué)成分、機(jī)械性能

車體底架材料除端底架部分結(jié)構(gòu)外均采用高強(qiáng)度奧氏體不銹鋼，牌號為SUS301L和SUS304,其化學(xué)成分（見表1）和機(jī)械性能（見表2）等質(zhì)量級均符合日本JISG4305：1999標(biāo)準(zhǔn)。

SUS301L系列不銹鋼材料按其抗拉強(qiáng)度（或屈服強(qiáng)度）由大到小分為 HT級、MT級、ST級、DLT級和 LT級5個(gè)等級。其特點(diǎn)是綜合性能好、強(qiáng)度好、塑性好、硬度適中、具有較高的電阻率，較大的膨脹系數(shù)和低的導(dǎo)熱率。

1.2　優(yōu)質(zhì)低合金鋼的選擇

表1　SUS301L、SUS304不銹鋼的化學(xué)成分（JISG 4305：1999）

表 2 SUS301L、SUS304不銹鋼的機(jī)械性能（JIS E 4049）

A車底架結(jié)構(gòu)中的I位端底架和II位端底架和B車的端底架大部分結(jié)構(gòu)承受的沖擊力與壓縮力較大，選用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼和耐候鋼材料，其化學(xué)成分和機(jī)械性能滿足EN10025：2004或GB/T4171-2008耐候鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。低合金鋼具有優(yōu)良的焊接性能和很好的抗疲勞極限。

2　底架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車體結(jié)構(gòu)為薄壁筒形整體承載焊接結(jié)構(gòu)，具有較高的強(qiáng)度和剛度。車體車型分為 A、B、C三種，均由頂棚、側(cè)墻、端墻、底架等部分焊接組成，能夠承受垂直、縱向、扭轉(zhuǎn)等動、靜載荷。

底架是車體的主要承載結(jié)構(gòu)，與端墻、左右側(cè)墻相連接構(gòu)成車體主體的結(jié)構(gòu)。根據(jù)車輛的編組及各節(jié)車輛間鉸接的特別連接形式，車體底架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有A車底架、B車底架和 C車底架三種。底架中的I、II位端底架采用模塊化設(shè)計(jì)，C車底架除II位端底架采用B車I位端底架外，其他結(jié)構(gòu)與A車基本相同，底架編組布置如圖2所示。

圖2　底架編組布置圖

2.1　A車底架

A車底架主要由I位端底架、II位端底架、邊梁、橫梁組成、縱梁、波紋地板等組成，其中I位端底架、II位端底架采用模塊化設(shè)計(jì)，A車底架結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3　A車底架結(jié)構(gòu)組成

2.1.1I位端底架

I位端底架主要由吸能組成、牽緩組成、枕梁組成、碳鋼邊梁、小橫梁組成、縱梁、主橫梁等組成。因耐候鋼具有較好的焊接性能和強(qiáng)度，在端底架結(jié)構(gòu)中除小橫梁組成和主橫梁外，其它零部件均采用耐候鋼材質(zhì)，牌號為09CuPCrNi-A。小橫梁和主橫梁采用不銹鋼材質(zhì)，等級采用SUS301L的DLT級。I位端底架結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　I位端底架結(jié)構(gòu)

吸能組成設(shè)有防爬和吸能結(jié)構(gòu)，滿足車輛碰撞后的能量吸收要求；牽緩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有車鉤安裝座，列車行駛過程中的牽引、制動力通過牽緩結(jié)構(gòu)均勻的傳遞到底架結(jié)構(gòu)以至整個(gè)車體；枕梁組成設(shè)計(jì)有車體與轉(zhuǎn)向架的連接結(jié)構(gòu)，力通過牽引銷軸傳遞到走行部位；小橫梁組成及主橫梁根據(jù)車下設(shè)備的布置和安裝需要，開有不同大小的安裝孔。

2.1.2II位端底架

由于車輛間采用鉸接轉(zhuǎn)向架連接，車端鉸接區(qū)域受力情況復(fù)雜，載荷大，因此II位端底架結(jié)構(gòu)除考慮強(qiáng)度要求外還要考慮與轉(zhuǎn)向的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。II端底架主要由碳鋼邊梁、主橫梁、縱梁、小橫梁組成、端梁組成、連接組成、加強(qiáng)梁等結(jié)構(gòu)組成。除小橫梁采用不銹鋼材質(zhì)外，其他結(jié)構(gòu)零部件均采用耐候鋼材質(zhì)。連接結(jié)構(gòu)組成設(shè)計(jì)有與轉(zhuǎn)向架連接的銷軸。II位端底架結(jié)構(gòu)見圖 5。

圖5　II位端底架結(jié)構(gòu)

2.2　B車底架裝配

B車底架結(jié)構(gòu)，無吸能結(jié)構(gòu)、牽枕緩組成，主要由I位端底架組成、II位端底架組成、邊梁、橫梁組成、縱梁等組成。B車底架結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6　B車底架結(jié)構(gòu)

2.2.1B車I位端底架

B車I位端底架結(jié)構(gòu)與A車II位端底架結(jié)構(gòu)為成對匹配結(jié)構(gòu)，共同連接于相同的鉸接轉(zhuǎn)向架。B車I位端底架結(jié)構(gòu)是無銷軸襯套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，除連接結(jié)構(gòu)不同外其他主體結(jié)構(gòu)與A車II位端底架基本相同。端底架具體結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7　B車I位端底架結(jié)構(gòu)

2.3　底架組焊

不銹鋼材質(zhì)焊接時(shí)產(chǎn)生的熱量不能很快散失,大量的熱量積聚于焊縫區(qū)域，容易產(chǎn)生焊接變形。為減小焊接變形和防止高溫下不銹鋼材料機(jī)械性能的下降,地鐵不銹鋼車體結(jié)構(gòu)的連接多采用電阻點(diǎn)焊方式。根據(jù)底架結(jié)構(gòu)及材料的特點(diǎn)，橫梁組成與邊梁的焊接及波紋地板的焊接采用點(diǎn)焊的焊接方式，底架其他各零部件的組焊主要采用弧焊的焊接方式。首先完成A車I位端底架（牽枕緩模塊）、II位端底架、B車I位端底架及其他部件的組焊。然后，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙將各模塊及零部件進(jìn)行組焊，完成底架骨架結(jié)構(gòu)。最后鋪設(shè)波紋地板，將波紋地板點(diǎn)焊到底架骨架結(jié)構(gòu)上，完成整個(gè)底架裝配。

3　車體結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度計(jì)算

在底架鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，為檢驗(yàn)底架設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性，校核底架強(qiáng)度、剛度是否滿足設(shè)計(jì)要求。需對整個(gè)車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使車體的結(jié)構(gòu)完全滿足設(shè)計(jì)要求。計(jì)算采用了大型通用有限元分析及處理軟件HYPERMESH及 ANSYS，建立 A、B、C三輛車編組后的有限元模型，進(jìn)行垂直載荷、縱向壓縮、縱向拉伸、剛度、吊車等工況下的靜強(qiáng)度計(jì)算，從而得到車體結(jié)構(gòu)在各工況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)力分布、剛度等。有限元模型構(gòu)成以任意四節(jié)點(diǎn)為等參變化的薄殼單元為主，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(jì)算精度。車體的計(jì)算模型和網(wǎng)格如圖8所示。

圖8　車計(jì)算模型和網(wǎng)格

通過靜強(qiáng)度計(jì)算，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、剛度、吊車等工況作用下，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(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，底架結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。

4　車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)

車體鋼結(jié)構(gòu)總組焊完成后，為驗(yàn)證車體的強(qiáng)度和剛度是否滿足設(shè)計(jì)要求，由青島四方車輛研究所有限公司依據(jù) EN12663-1：2010《鐵路應(yīng)用—軌道車輛車體結(jié)構(gòu)要求》進(jìn)行靜強(qiáng)度試驗(yàn)。先后進(jìn)行了垂向載荷試驗(yàn)、車端400kN壓縮載荷試驗(yàn)、車端400kN拉伸載荷試驗(yàn)等試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度完全滿足車輛設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果基本相符。

5　結(jié)束語

菲律賓馬尼拉3號線增購車為鉸接轉(zhuǎn)向架車輛，車輛間鉸接的連接形式與國內(nèi)不銹鋼車的車鉤連接形式不同，因此底架結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有不銹鋼底架也不同。本項(xiàng)目車輛底架I、II位端底架結(jié)構(gòu)采用了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，經(jīng)有限元分析和車體的靜強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證，底架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能承受400kN縱向拉伸、壓縮載荷及最不利的垂直載荷。底架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，滿足車輛的強(qiáng)度、剛度要求。

【參考文獻(xiàn)】

［1］竇廣旭,等.不銹鋼車體制造技術(shù).機(jī)車車輛工藝,2005.

［2］李培,等.地鐵不銹鋼車體強(qiáng)度分析及試驗(yàn)驗(yàn)證,內(nèi)燃機(jī)車，2011.