武舒然,王會(huì)娟,閆宏芳,姚 皓,李學(xué)朋
(北京軌道交通技術(shù)裝備集團(tuán)有限公司,北京100071)
市域快軌交通,指的是大城市市域范圍內(nèi)的客運(yùn)軌道交通線路,服務(wù)于城市與郊區(qū)、中心城市與衛(wèi)星城、重點(diǎn)城鎮(zhèn)間等,服務(wù)范圍一般在100公里之內(nèi),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。市域快軌多應(yīng)用于大城市近遠(yuǎn)郊通勤線路、串聯(lián)城市各組團(tuán)線路、機(jī)場(chǎng)線。上海、廣州是最早推廣市域快軌的軌道交通城市,而北京新機(jī)場(chǎng)線、平谷線,廣州18號(hào)線、22號(hào)線將成為速度目標(biāo)值最快的市域快軌,運(yùn)營(yíng)目標(biāo)時(shí)速達(dá)到160公里。
經(jīng)調(diào)研,時(shí)速160公里及以下速度車輛司機(jī)室頭罩都已經(jīng)采用復(fù)合材料來代替鋁合金或者不銹鋼車頭。復(fù)合材料由兩種或兩種以上異質(zhì)、異性、異形的材料在宏觀尺度上復(fù)合而成,是一種可改善原材料的強(qiáng)度、剛度、疲勞壽命、耐高溫性、耐腐蝕性、導(dǎo)電性等性能的新型材料。復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用,除實(shí)現(xiàn)輕量化外,還能降低成本,改善工藝性,增加美感等,具有很高的使用價(jià)值[1]。一般高速車輛的頭罩均為流線型大曲面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),下方設(shè)導(dǎo)流罩,優(yōu)化外形有助于減小空氣阻力,進(jìn)而減少車輛能耗。
時(shí)速160公里智能市域動(dòng)車組司機(jī)室頭罩根據(jù)動(dòng)車組技術(shù)條件的要求,以GB/T6769-2000《機(jī)車司機(jī)室布置規(guī)則》和UIC651-2002《機(jī)車、動(dòng)車、動(dòng)車組和帶司機(jī)室客車的司機(jī)室結(jié)構(gòu)》及T/CCES 2-2017《市域快速軌道交通設(shè)計(jì)規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]。司機(jī)室頭罩即位于車輛外部前端的整體承載結(jié)構(gòu),屬于車輛關(guān)鍵部件,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)好壞將直接影響到車輛運(yùn)行安全性及可靠性。
根據(jù)前期的運(yùn)行工況仿真及分析,頭罩表面須承受±3000Pa表面壓力,這要求司機(jī)室玻璃鋼頭罩必須有助于承擔(dān)在運(yùn)營(yíng)條件下,如列車交會(huì)壓力沖擊、振動(dòng)、瞬態(tài)壓力變化、扭曲變形造成的應(yīng)力和應(yīng)變,而且風(fēng)擋玻璃外框必須有足夠剛性,不會(huì)在正常條件下在其邊緣處產(chǎn)生變形。同時(shí)頭罩的前部區(qū)域必須能承受鳥、石頭、從經(jīng)過列車飛出的物體等影響。尤其是它必須通過飛彈試驗(yàn)(按UIC651標(biāo)準(zhǔn)附錄C執(zhí)行),即1.0kg的鋁彈沖擊體以Vmax+160km/h的速度沖擊試樣,試樣不穿透、不脫框。
軌道車輛帶有司機(jī)室的一般都是頭車,司機(jī)室部分屬于車體加長(zhǎng)的部分,而車輛定距不變,這樣帶有司機(jī)室的一端就比另一端長(zhǎng),重量較重,不利于車輛的重量平衡設(shè)計(jì)[3]。
經(jīng)過前期調(diào)研,在傳統(tǒng)城軌車輛設(shè)計(jì)中,多采用純玻璃鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。玻璃鋼(即玻璃纖維增強(qiáng)塑料,簡(jiǎn)稱FRP),以樹脂為基體,以玻璃纖維為增強(qiáng)體的復(fù)合材料,密度介于1.8~2.0g/cm3,比鋁的密度輕1/3,但機(jī)械強(qiáng)度卻很高[4],其主要材料性能如下:
針對(duì)應(yīng)用需求,司機(jī)室頭罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要保證整體的強(qiáng)度和剛度,同時(shí)需綜合考慮隔音隔熱性能及輕量化要求,材料選型及鋪層設(shè)計(jì)要充分論證。過程中通過制作不同樣板進(jìn)行多次驗(yàn)證,最終司機(jī)室頭罩采用玻璃鋼三明治夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu),總厚度為30mm。在前方區(qū)域,結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋪設(shè)芳綸纖維以滿足飛彈沖擊,起到保護(hù)司機(jī)的作用,尤其在前擋風(fēng)玻璃周圍進(jìn)行加強(qiáng),以能夠承擔(dān)氣動(dòng)壓力造成的沖擊;在側(cè)面區(qū)域進(jìn)行局部夾心切割,保留寬度70mm的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu),達(dá)到減重效果的同時(shí)保證頭罩剛度,底部裙板同樣采用10mm夾芯結(jié)構(gòu),來控制風(fēng)壓下的變形。
司機(jī)室玻璃鋼頭罩需保證強(qiáng)度足夠,結(jié)構(gòu)安裝牢固、穩(wěn)定,無異響,能為司機(jī)室提供穩(wěn)定、安全的駕駛環(huán)境,并滿足司機(jī)室設(shè)備的安裝要求。
頭車設(shè)前端固定式艙門。艙門固定在司機(jī)室外殼時(shí),與司機(jī)室外殼形成密閉結(jié)構(gòu),并形成圓滑光順曲面,使頭車前端具有良好的空氣動(dòng)力學(xué)外形。前端固定式艙門采用手動(dòng)打開的方式,艙門從司機(jī)室頭罩上移除后,車輛其他零部件不影響前端車鉤的聯(lián)掛和車輛的運(yùn)行,以實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組回送及救援。
頭罩四周與車體骨架設(shè)計(jì)機(jī)械連接點(diǎn),并打膠密封,保證整個(gè)司機(jī)室氣密性。頭罩上裝有前擋風(fēng)玻璃、側(cè)窗玻璃、前照燈、雨刷器、終點(diǎn)站顯示器、天線等部件。
司機(jī)室頭罩位于車輛外部,除金屬頭罩與車體部分直接焊接在一起之外,復(fù)合材料頭罩均需要通過螺栓連接等方式安裝在車體骨架上,并保證能夠有一定調(diào)整量,能夠適應(yīng)工藝制造公差以及安裝誤差。
在時(shí)速160公里市域車項(xiàng)目中,頭罩設(shè)計(jì)為流線外形,尺寸為長(zhǎng)4.3m、寬3.3m、高3.0m,在布置安裝點(diǎn)的時(shí)候需要進(jìn)行全面分析。除整體的膠粘結(jié)構(gòu),頭罩與車體骨架設(shè)計(jì)有24處,保證頭罩在前端、側(cè)面、底端均有螺栓固定點(diǎn),左右對(duì)稱,防止頭罩偏重及不均勻受力引起的位置偏移,起到穩(wěn)固作用。
固定式艙門直接固定在頭罩上,需要滿足方便安裝及拆卸的要求。采用的方式是頭罩內(nèi)部設(shè)不銹鋼支架,支架內(nèi)部焊接帶有螺母的盒子,艙門上設(shè)圓柱鎖(也可稱為裙板鎖)來找中固定。固定式艙門處的操作示意圖如圖1所示。
圖1 艙門拆卸示意圖
由于考慮到安裝及拆卸需盡量減少現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)人員的工作量,所以在艙門與頭罩之間有設(shè)計(jì)吊掛結(jié)構(gòu)。頭罩上預(yù)埋支撐架,現(xiàn)場(chǎng)人員在安裝時(shí)可以先將艙門吊掛在該支撐架上,再去用裙板鎖固定,拆卸時(shí)反過來即可。為保證美觀,在鎖的外表面增加扣蓋。
車輛設(shè)計(jì)中有很高的氣密性要求,參考T/CCES 2《市域快速軌道交通設(shè)計(jì)規(guī)范》,要求列車整車動(dòng)態(tài)密封指數(shù)τ>6s。司機(jī)室部分最主要的是保證頭罩與車體之間的密封,形式就是在設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留膠縫,實(shí)際安裝定位之后填補(bǔ)彈性密封膠,既能起到粘接作用也能起到密封作用。頭罩外部與車體之間一般會(huì)有密封膠,同樣是為了保證美觀。
由于車體骨架的形式特殊性,頭罩的密封設(shè)計(jì)存在難點(diǎn),在底部無法實(shí)現(xiàn)打膠,所以整個(gè)密封面的設(shè)計(jì)取在中間部分,必須保證膠縫連續(xù),局部示意圖如圖2所示。
圖2 局部打膠示意圖
在安裝過程中局部打膠略有困難,普通膠槍無法深入,故借用軟膠管來實(shí)現(xiàn)膠嘴的延長(zhǎng),相關(guān)工具示意圖如圖3所示。
圖3 打膠工具示意圖
頭罩設(shè)計(jì)有很多其他系統(tǒng)接口,由于頭罩是玻璃鋼結(jié)構(gòu),為維持完整的流線型外形,大多數(shù)的接口是頭罩做翻邊,其他零部件一般是直接膠粘或者螺栓鉚螺母方式固定,保證安全性和可靠性。
在設(shè)計(jì)完成之后,對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真分析[5],需驗(yàn)證強(qiáng)度及剛度要求:(1)司機(jī)室玻璃鋼頭罩與前端固定式艙門必須能夠承受列車以(160+10%)km/h的速度雙向運(yùn)行,并且壓力為±3000Pa時(shí)產(chǎn)生的空氣動(dòng)力學(xué)壓力和湍流。車頭主體無損壞,安裝座及內(nèi)部連接結(jié)構(gòu)物無破壞。(2)擋風(fēng)玻璃安裝接口在上述的載荷作用下,在最遠(yuǎn)點(diǎn)之間的擋風(fēng)玻璃開口的最大變形不應(yīng)該超過2mm,并且不對(duì)稱值不應(yīng)該超過±1.5mm,粘接面輪廓度≤1mm。
工況分析見表1:
表1
有限元模型:
根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)和尺寸建立有限元模型,司機(jī)室頭罩各部分均采用4節(jié)點(diǎn)薄殼單元進(jìn)行劃分。
約束條件:
截取的車身部分后端固支處理,壓力載荷施加在頭罩的外表面以及裙板的外表面。
仿真結(jié)果:
在3000Pa壓力作用下車頭的最大位移為4.88mm,位于開閉罩上,前擋風(fēng)玻璃開口位置最大位移為1.93mm,對(duì)角線位移為0.37mm,側(cè)擋風(fēng)玻璃最大位移為0.84mm,對(duì)角線位移為0.18mm,滿足位移小于2mm要求,結(jié)構(gòu)剛度滿足要求;金屬連接件最小安全系數(shù)為1.51,螺栓連接件最小安全系數(shù)為4.18,金屬件及連接件強(qiáng)度滿足要求;結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及振動(dòng)頻率滿足要求。
由于頭罩設(shè)計(jì)的特殊性,應(yīng)注意確定安裝順序、裝配基準(zhǔn)[6],并在安裝過程中給出合理的現(xiàn)場(chǎng)處理方案。
(1)安裝順序
按照部件特點(diǎn),確定以頭罩主體-固定式艙門-裙板的順序安裝。首先進(jìn)行機(jī)械連接點(diǎn)的固定,最后進(jìn)行密封膠填補(bǔ)。
本頭罩需從前向后安裝,實(shí)施頭罩整體吊裝(除艙門外,重量達(dá)430kg,需選用合適吊具以及吊裝點(diǎn),確保不會(huì)造成結(jié)構(gòu)損壞;吊裝工具需保證表面光滑干凈,對(duì)頭罩表面無損壞)。
(2)裝配基準(zhǔn)
司機(jī)室與車體之間外部設(shè)置15mm打膠縫隙,作為縱向及垂向定位,同時(shí)車寬方向保證與車體對(duì)中。
(3)安裝調(diào)整
玻璃鋼產(chǎn)品相對(duì)來講屬于彈性材料,可以通過機(jī)械連接處的作用力來校正從而保證與車體匹配的輪廓,同時(shí)在發(fā)生安裝干涉的時(shí)候可以對(duì)玻璃鋼產(chǎn)品進(jìn)行打磨,或者局部填補(bǔ)結(jié)構(gòu)膠來彌補(bǔ)錯(cuò)臺(tái)。
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常需要經(jīng)過足夠長(zhǎng)運(yùn)營(yíng)時(shí)間的驗(yàn)證,時(shí)速160公里智能市域動(dòng)車組即將下線,將會(huì)接受時(shí)間的考驗(yàn)。
市域車頭罩設(shè)計(jì)過程要考慮實(shí)際運(yùn)營(yíng)工況,滿足足夠強(qiáng)度及剛度,并為其他部件提供安裝接口。在經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上,要根據(jù)實(shí)際情形做針對(duì)性設(shè)計(jì),并對(duì)新結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算,使其不斷優(yōu)化。在后續(xù)的設(shè)計(jì)中將會(huì)有更多未知問題,應(yīng)該持續(xù)優(yōu)化,讓車輛更輕、更穩(wěn)、更舒適。