上海國產(chǎn)化A型地鐵列車車體結(jié)構(gòu)靜強度試驗

李 韜

（上海軌道交通設備發(fā)展有限公司，上海200233）

軌道交通車輛作為大運量公共交通系統(tǒng)運輸工具，必須確保所運送人員和貨物的安全，這就要求車輛具有足夠的安全性、可靠性和舒適性。如今，隨著節(jié)能環(huán)保要求和經(jīng)濟性要求的不斷提高，盡可能降低車輛牽引能耗和原材料消耗的要求也日益突出，對車輛結(jié)構(gòu)的輕量化要求也越來越苛刻；因此，在車輛研制時就需要尋求到一個平衡點，即要在滿足車輛強度、剛度、穩(wěn)定性等性能以及工藝性要求的同時，其結(jié)構(gòu)盡可能輕。判斷車輛結(jié)構(gòu)是否滿足要求，首先就要確定車輛的承載結(jié)構(gòu)性能是否合格。車體是車輛的主要承載結(jié)構(gòu)，在設計時會對其強度、剛度、穩(wěn)定性、模態(tài)、疲勞和耐碰撞性進行大量的有限元分析，以確定其性能是否達標，并具有足夠的安全余量。但是，車體的有限元分析往往會因為計算機模擬的程度和設計分析人員的經(jīng)驗等因素影響而產(chǎn)生偏差，車體結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)工藝也會對其性能產(chǎn)生不同程度且不可預測的影響。車體靜強度試驗就是為了檢驗車體的強度、剛度和穩(wěn)定性有限元分析是否準確可信，生產(chǎn)工藝是否安全可靠，并為車體的優(yōu)化設計積累足夠可信的理論依據(jù)。

上海國產(chǎn)化A型地鐵列車是上海市重大產(chǎn)業(yè)科技攻關項目之一，項目研制采用了產(chǎn)學研用的模式，在國內(nèi)率先實現(xiàn)了A型地鐵列車整車系統(tǒng)自主集成，以及車體、轉(zhuǎn)向架、牽引與控制系統(tǒng)等核心技術的自主研發(fā)。為了檢驗上海國產(chǎn)化A型地鐵列車車體結(jié)構(gòu)的強度和剛度性能是否滿足設計要求，車輛研制過程中按照BS EN12663—2000《鐵路應用——鐵路車輛車體結(jié)構(gòu)要求》、JIS E7105—1989《鐵道車輛車體的靜載荷試驗方法》、TB／T1335—1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規(guī)范》和項目技術規(guī)格書的有關要求[1－3]，對其車體結(jié)構(gòu)進行了靜強度試驗，并于2007年6月完成車體型式試驗鑒定。

1 試驗對象和要求

國產(chǎn)化A型地鐵列車采用6輛編組型式，構(gòu)造速度90 km／h，最大載客量2 460人，列車長度139.98 m，車輛寬度3 m，車輛定距15.7 m。其車體結(jié)構(gòu)分為3種型式：帶司機室的拖車（A車）、帶受電弓的動車（B車）和不帶受電弓的動車（C車）。車輛研制過程中分別對其中兩種典型車體結(jié)構(gòu)A車與B車進行了有限元分析、靜強度與模態(tài)型式試驗，以校核車體結(jié)構(gòu)是否滿足設計要求。本文僅講述帶受電弓的動車，即B車車體結(jié)構(gòu)的靜強度試驗，試驗車體為首臺車的車體。

帶受電弓的動車車體采用梯形斷面焊接整體承載結(jié)構(gòu)，由底架、側(cè)墻、端墻和車頂部件組成。車體結(jié)構(gòu)材料選用牌號為EN AW－6005A T6和EN AW－7005 T6的鋁合金型材和鋁合金板材，要求車體結(jié)構(gòu)能夠承受極端條件下的動載荷、靜載荷以及沖擊載荷。在架車、起吊、救援、調(diào)車、連掛和多車編組回送作業(yè)時的各種載荷作用下，車體應力不超過設計許用應力（見表1），車體不產(chǎn)生永久變形及損壞。車體靜強度試驗時，模擬上述各工況對車體強度和剛度進行校核。B車車體靜強度試驗質(zhì)量參數(shù)如表2所示。

表1 B車車體結(jié)構(gòu)材料機械性能

表2 B車車體靜強度試驗質(zhì)量參數(shù)

2 試驗內(nèi)容和方法

靜強度試驗過程中根據(jù)B車車體結(jié)構(gòu)承載情況和有限元計算報告，對B車車體結(jié)構(gòu)施加垂向載荷、縱向載荷及其他附加工況載荷，測取應力和位移數(shù)據(jù)。靜強度試驗工況在表3中列出，各工況的垂向載荷在施加時應減去車體及車載試驗設備自重，其數(shù)值在表4中列出。各工況試驗過程中，首先確認傳感器信號清零，逐步施加垂向載荷，采集數(shù)據(jù)后再逐步施加縱向載荷或扭轉(zhuǎn)載荷及其他附加載荷，數(shù)據(jù)采集完整后，卸載并檢查傳感器信號是否歸零。試驗數(shù)據(jù)由靜態(tài)數(shù)據(jù)采集裝置、稱重傳感器、力傳感器和應變式位移傳感器等進行采集。

表3 B車車體靜強度試驗工況

（續(xù)上表）

表4 B車垂向施加載荷k N

應力和位移測點的數(shù)量和位置在考慮測試車體結(jié)構(gòu)和試驗儀器設備的特點同時，根據(jù)有限元計算結(jié)果、測試載荷工況、測試規(guī)模和試驗經(jīng)驗確定。B車車體靜強度試驗應力和位移測點的布置和編號如圖1所示。

正式試驗前，各工況分別進行2次預加載，載荷分階段增加，直至加到最大載荷，以消除結(jié)構(gòu)內(nèi)應力，然后進行1次正式試驗。圖2所示為B車車體靜強度試驗照片。

圖1 B車車體應力和位移測點的布置和編號

圖2 B車車體靜強度試驗照片

3 試驗分析

B車車體結(jié)構(gòu)靜強度試驗測試結(jié)果顯示所有測點的應力均小于所選用材料的許用應力。測得車體最大應力143.7 MPa，發(fā)生在最大載荷狀態(tài)下車鉤區(qū)域壓縮載荷工況牽引梁下蓋板折彎處，安全系數(shù)1.6。車體最小安全系數(shù)1.4，應力100.6 MPa和97.9 MPa分別發(fā)生在1.3（m1＋m2）垂向載荷工況下窗角處和最大載荷狀態(tài)下車鉤區(qū)域壓縮載荷工況枕內(nèi)地板下表面與枕梁上蓋板中心連接處。在1.3（m1＋m2）垂向載荷（作用長度3 090 mm＋15 700 mm＋3 090 mm）作用下底架邊梁中央下?lián)?0.285 mm，車體的相當垂向彎曲剛度以底架邊梁撓度計算為1.75×109N·m2。二位端一位側(cè)支承點下降時，車體的相當扭轉(zhuǎn)剛度為3.08×108N·m2／rad，二位端二位側(cè)支承點下降時，車體的相當扭轉(zhuǎn)剛度為3.38×108N·m2／rad。B車車體有限元分析得出的數(shù)據(jù)如下：在1.0（m1＋m2）垂向靜載荷作用下底架邊梁中央下?lián)隙?.6 mm，車體的相當彎曲剛度為1.36×109N·m2，相當扭轉(zhuǎn)剛度為5.14×108N·m2／rad。

靜強度試驗結(jié)果經(jīng)與有限元分析結(jié)果對照表明，試驗測試值接近有限元計算結(jié)果，誤差在20%以內(nèi)，有限元計算結(jié)果普遍偏高，偏于保守。B車車體最大載荷狀態(tài)下拉伸載荷工況牽引梁下蓋板測點距枕梁中心距離L的測試與計算應力變化曲線對比（見圖3）為相對典型的對比結(jié)果。

圖3 測點應力變化曲線對比

4 結(jié) 語

上海國產(chǎn)化A型地鐵列車帶受電弓的動車，即B車車體結(jié)構(gòu)靜強度試驗結(jié)果表明：該車體結(jié)構(gòu)的強度和剛度性能均滿足設計要求，車體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，試驗方法正確合理，試驗測試和有限元計算的結(jié)果基本吻合。試驗結(jié)果同時表明：該車體的強度和剛度具有一定余量，其結(jié)構(gòu)優(yōu)化存在一定空間；因此在車輛的產(chǎn)業(yè)化設計時應考慮對其進行有針對性的優(yōu)化，在控制車體生產(chǎn)工藝難度的同時，進一步提高車體結(jié)構(gòu)性能。

[1] 歐洲標準化委員會.BS EN 12663—2000鐵路應用——鐵道車輛車體結(jié)構(gòu)要求[S].布魯塞爾：歐洲標準化委員會，2000.

[2] 日本標準協(xié)會.JIS E 7105—1989鐵道車輛車體的靜載荷試驗方法[S].東京：日本標準協(xié)會，1989.

[3] 中華人民共和國鐵道部.TB／T1335—1996鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規(guī)范[S].北京：中華人民共和國鐵道部，1996.