不銹鋼地鐵車輛車體結(jié)構(gòu)設(shè)計的要點分析

劉曉芳

（中國北車 長春軌道客車股份有限公司,長春 130000）

0 前言

車體是車輛結(jié)構(gòu)的主體。車體材料決定了車體的結(jié)構(gòu)形式、性能和技術(shù)經(jīng)濟指標；車體的強度、剛度決定車輛運行的安全可靠性和舒適性；車輛外觀、壽命由車體的耐腐蝕能力決定；能耗大小、載客能力、乘客舒適度乃至列車編組形式(動拖比)，均與車體重量息息相關(guān)。因而，車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路在地鐵車輛的設(shè)計過程中非常重要。不銹鋼地鐵車輛的設(shè)計是一個綜合的、復(fù)雜的且必須精確的過程，車體結(jié)構(gòu)是車輛的載體，是整個車輛設(shè)計的基礎(chǔ)。目前，不銹鋼地鐵車輛車體結(jié)構(gòu)一般由車頂、底架、側(cè)墻、端墻四大部位組成，是由鋼骨架和薄板組成的薄壁筒形整體承載結(jié)構(gòu)。

1 不銹鋼地鐵車輛車體的設(shè)計的要點分析

不銹鋼車輛車體結(jié)構(gòu)設(shè)計時需綜合考慮車體本身及其他安裝系統(tǒng)的各項指標及要求，最主要的設(shè)計要點主要分為以下幾種：

1.1 不銹鋼材料的選擇

不銹鋼車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計首先必須了解不銹鋼車體材料的性能。不銹鋼材料決定了不銹鋼車體的結(jié)構(gòu)形式，決定了車體結(jié)構(gòu)的性能及技術(shù)經(jīng)濟指標。不銹鋼材料具有其他材料無法比擬的優(yōu)良特性：耐高溫、抗扭曲、抗彎曲變形、高抗拉強度。選擇合適的不銹鋼板材對車輛的性能及安全至關(guān)重要，是影響車體結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理的關(guān)鍵因素之一。

不銹鋼車體材料按強度從弱到強分為LD、DLT、ST、MT和HT等5個等級，除強度不同外還具有不同的物理特性，同時，不銹鋼車體設(shè)計必須嚴格遵循相關(guān)標準，只有具備了豐富的理論知識和實際經(jīng)驗，才能設(shè)計出合理的車體結(jié)構(gòu)。例如，為了實現(xiàn)輕量化及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，車體主要承載部件采用了高強度的HT材料，如底架邊梁、側(cè)墻立柱，按以往結(jié)構(gòu)側(cè)墻立柱需直接焊接在底架邊梁上。由于HT材料有在高溫下強度會降低到DLT水平的物理特性，這樣的結(jié)構(gòu)顯然不合理。考慮到這些問題，我們在結(jié)構(gòu)設(shè)計時通過側(cè)墻下邊梁實現(xiàn)了底架邊梁和側(cè)墻立柱間的點焊連接，避免了上述問題。

在車體的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，并非所有材料均選擇不銹鋼材料，需依據(jù)實際的承載及受力情況綜合考慮。在底架結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，對于承載比較重要的牽引梁及枕梁部位，選擇使用低合金高強度鋼。這是由于低合金鋼具有很好的抗疲勞特性和焊接性能。根據(jù)不同的受力特點選擇合適的材料是車體結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)遵循的原則之一。

1.2 骨架結(jié)構(gòu)的設(shè)計

不銹鋼車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計最重要的即為骨架結(jié)構(gòu)的設(shè)計。端墻、側(cè)墻、底架、車頂均為梁柱與外板組成的板梁結(jié)構(gòu)。梁柱結(jié)構(gòu)即為骨架結(jié)構(gòu)。車體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計階段，需考慮的最重要的問題即是梁柱的斷面形式及骨架的對稱性，盡量使整車的骨架結(jié)構(gòu)形成閉環(huán)結(jié)構(gòu)，保證車體結(jié)構(gòu)承載的穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)載荷難以傳遞的情況。梁柱結(jié)構(gòu)的斷面盡量采用箱型結(jié)構(gòu)斷面，對抗扭曲及橫向載荷非常有效，同時避免出現(xiàn)截面突變的情況，如無法避免，盡量使截面突變處緩慢過渡。

骨架設(shè)計時需注意避讓結(jié)構(gòu)開口處，并根據(jù)不同設(shè)備的安裝，考慮增加開孔處的梁柱厚度或調(diào)整梁柱間距，或改變梁柱斷面形狀，最終使設(shè)計符合設(shè)備安裝要求。

車體各部位結(jié)構(gòu)均為骨架與外板點焊結(jié)構(gòu)。點焊是不銹鋼車體鋼結(jié)構(gòu)最重要的焊縫之一，其質(zhì)量好壞直接影響車體鋼結(jié)構(gòu)的最終質(zhì)量。骨架與外板點焊連接不僅降低了車體重量，同時減少了熱量的堆積，可使外板承受的應(yīng)力減少。如側(cè)墻骨架與側(cè)墻外板之間的點焊連接，既保證了側(cè)墻結(jié)構(gòu)整體的剛度又保證了側(cè)墻外表面的美觀。

1.3 輕量化、高強度、抗疲勞

輕量化、高強度、抗疲勞是目前不銹鋼車體設(shè)計應(yīng)遵循的基本原則和發(fā)展趨勢。車體的輕量化能夠帶來很多優(yōu)點：提高車輛的加速度、降低運能消耗、牽引及制動能耗低、減輕對線路的磨耗及沖擊，擴大了運輸能力。而車體重量的減輕必然要求車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計具有較高的強度和抗疲勞的特性，三者缺一不可。車體的設(shè)計需綜合考慮多種因素，選取重要的方面，需整個車輛系統(tǒng)做出協(xié)調(diào)。車輛整體的重量須滿足合同及標準要求，車體的重量分配也須滿足整體分配要求。車體結(jié)構(gòu)要實現(xiàn)較佳程度的輕量化，需對結(jié)構(gòu)進行可靠的分析和試驗驗證。

1.4 車體結(jié)構(gòu)的強度分析

安全是車體結(jié)構(gòu)設(shè)計的第一要素，其次才是舒適性與經(jīng)濟性。車體結(jié)構(gòu)設(shè)計始終應(yīng)遵循的最基本原則是滿足EN 12663《鐵路車輛車體結(jié)構(gòu)要求》標準中各種工況下車體及各種零部件的強度及剛度、疲勞等的要求，通過有限元分析計算和靜強度、剛度試驗來實現(xiàn)。有限元分析計算和靜強度、剛度試驗是驗證車體結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理的重要依據(jù)和原則。

同時，對于受力較大或者容易出現(xiàn)疲勞區(qū)域的部位應(yīng)重點予以關(guān)注，如客室門角和司機室門角、窗角，底架枕梁、車鉤安裝座區(qū)域等。對以往出現(xiàn)過類似問題的受力區(qū)域，也應(yīng)注意避免，或通過強度計算驗證該結(jié)構(gòu)是否存在問題。

1.5 車體的制造工藝

車體結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)滿足的重要原則即是制造工藝性能良好。焊接的可行性和焊縫的質(zhì)量對車體的制造質(zhì)量有很大影響。目前的不銹鋼車體結(jié)構(gòu)形式與原來的結(jié)構(gòu)相比重量輕、制造工藝簡單。然而仍需提高結(jié)構(gòu)設(shè)計的模塊化程度，減少零部件的數(shù)量，以簡化制造工藝。

2 結(jié)論

軌道業(yè)的發(fā)展促進了不銹鋼車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計與發(fā)展，不銹鋼車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計仍有很大的發(fā)展空間。然而，不銹鋼車體結(jié)構(gòu)設(shè)計始終要遵循不銹鋼材料的選擇、骨架結(jié)構(gòu)的重點設(shè)計、輕量化、高強度、抗疲勞、車體結(jié)構(gòu)的強度分析、制造工藝性能良好等要點，缺一不可。本文或可為不銹鋼車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供一定的借鑒意義。

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