不銹鋼地鐵車輛車體結構設計的要點分析

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

車體是車輛結構的主體。車體材料決定了車體的結構形式、性能和技術經濟指標；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。因而，車體結構的設計思路在地鐵車輛的設計過程中非常重要。不銹鋼地鐵車輛的設計是一個綜合的、復雜的且必須精確的過程，車體結構是車輛的載體，是整個車輛設計的基礎。目前，不銹鋼地鐵車輛車體結構一般由車頂、底架、側墻、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構。

1 不銹鋼地鐵車輛車體的設計的要點分析

不銹鋼車輛車體結構設計時需綜合考慮車體本身及其他安裝系統的各項指標及要求，最主要的設計要點主要分為以下幾種：

1.1 不銹鋼材料的選擇

不銹鋼車體結構的設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構形式，決定了車體結構的性能及技術經濟指標。不銹鋼材料具有其他材料無法比擬的優良特性：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重要，是影響車體結構設計是否合理的關鍵因素之一。

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，不銹鋼車體設計必須嚴格遵循相關標準，只有具備了豐富的理論知識和實際經驗，才能設計出合理的車體結構。例如，為了實現輕量化及結構的優化設計，車體主要承載部件采用了高強度的HT材料，如底架邊梁、側墻立柱，按以往結構側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，這樣的結構顯然不合理。考慮到這些問題，我們在結構設計時通過側墻下邊梁實現了底架邊梁和側墻立柱間的點焊連接，避免了上述問題。

在車體的結構設計中，并非所有材料均選擇不銹鋼材料，需依據實際的承載及受力情況綜合考慮。在底架結構的設計過程中，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。根據不同的受力特點選擇合適的材料是車體結構設計應遵循的原則之一。

1.2 骨架結構的設計

不銹鋼車體結構的設計最重要的即為骨架結構的設計。端墻、側墻、底架、車頂均為梁柱與外板組成的板梁結構。梁柱結構即為骨架結構。車體結構方案設計階段，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構形成閉環結構，保證車體結構承載的穩定性，避免出現載荷難以傳遞的情況。梁柱結構的斷面盡量采用箱型結構斷面，對抗扭曲及橫向載荷非常有效，同時避免出現截面突變的情況，如無法避免，盡量使截面突變處緩慢過渡。

骨架設計時需注意避讓結構開口處，并根據不同設備的安裝，考慮增加開孔處的梁柱厚度或調整梁柱間距，或改變梁柱斷面形狀，最終使設計符合設備安裝要求。

車體各部位結構均為骨架與外板點焊結構。點焊是不銹鋼車體鋼結構最重要的焊縫之一，其質量好壞直接影響車體鋼結構的最終質量。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，可使外板承受的應力減少。如側墻骨架與側墻外板之間的點焊連接，既保證了側墻結構整體的剛度又保證了側墻外表面的美觀。

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計應遵循的基本原則和發展趨勢。車體的輕量化能夠帶來很多優點：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構的設計具有較高的強度和抗疲勞的特性，三者缺一不可。車體的設計需綜合考慮多種因素，選取重要的方面，需整個車輛系統做出協調。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。車體結構要實現較佳程度的輕量化，需對結構進行可靠的分析和試驗驗證。

1.4 車體結構的強度分析

安全是車體結構設計的第一要素，其次才是舒適性與經濟性。車體結構設計始終應遵循的最基本原則是滿足EN 12663《鐵路車輛車體結構要求》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。有限元分析計算和靜強度、剛度試驗是驗證車體結構設計是否合理的重要依據和原則。

同時，對于受力較大或者容易出現疲勞區域的部位應重點予以關注，如客室門角和司機室門角、窗角，底架枕梁、車鉤安裝座區域等。對以往出現過類似問題的受力區域，也應注意避免，或通過強度計算驗證該結構是否存在問題。

1.5 車體的制造工藝

車體結構設計應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量對車體的制造質量有很大影響。目前的不銹鋼車體結構形式與原來的結構相比重量輕、制造工藝簡單。然而仍需提高結構設計的模塊化程度，減少零部件的數量，以簡化制造工藝。

2 結論

軌道業的發展促進了不銹鋼車體結構的設計與發展，不銹鋼車體結構的設計仍有很大的發展空間。然而，不銹鋼車體結構設計始終要遵循不銹鋼材料的選擇、骨架結構的重點設計、輕量化、高強度、抗疲勞、車體結構的強度分析、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構的設計提供一定的借鑒意義。

[1]陳鋒，徐國梁.地鐵不銹鋼車體研究[J].鐵道車輛,2007(03).

[2]黃志宏，許彥強.不銹鋼車體結構設計及仿真分析要點[J].鐵道車輛,2012(06).

[3]姚曙光,許平.[J].城市軌道交通研究,2004(05).