一種軌道列車車頂結構設計研究

王國靜

(中車唐山機車車輛有限公司產品研發中心 河北 唐山 063035)

目前我國城市軌道交通處于一個快速發展時期。以氫燃料電池為動力的城市軌道交通車輛，以其特有的零排放、無污染、低噪聲、能源可再生、轉化效率高等優勢成為新時代城市交通發展的亮點，不僅解決了常規有軌電車需架設接觸網、普通儲能式有軌電車續航里程短等“瓶頸”問題，而且車載氫燃料電池能量密度高，整個反應過程最高溫度不超過100 ℃，不產生氮氧化合物，唯一產物是水，做到了真正意義上的“無污染、零排放”環保標準。

氫燃料混合動力100%低地板現代有軌電車最大的特點就是將電氣大型設備安裝到車頂上，使車體底架最大化地實現低地板[1]。電氣大型設備的轉移，對車頂結構的設計提出了較高的要求，主要涉及到氫燃料混合動力100%低地板現代有軌電車在減輕自身質量且滿足強度要求的情況下實現大型設備的安裝，這不僅要合理布置設備，還要對車頂結構進行合理化的設計。

1 車頂結構特點

1.1 車頂結構組成

圖1 車頂斷面示意圖

氫燃料混合動力100%低地板現代有軌電車車頂結構主要由車頂邊梁左、車頂邊梁右、車頂中頂焊接組成和車頂端梁焊接而成(見圖1)。

車頂中頂焊接組成由車頂板型材1、車頂板型材2、車頂板型材3組焊而成。車頂中頂焊接組成表面呈一個低圓弧頂，在下雨的時候雨水沿著圓弧表面流到車頂邊梁處，沿著端部排水槽排出車頂，避免了電纜、接地座等電氣設備在雨水中被長時間浸泡的風險。

1.2 車頂板型材特點

車頂板共有3種型材，其中車頂板型材3設計成帶有水平面結構形式并通過型材擠壓成型的C型槽，用于安裝空調和內裝二次骨架等設備；這種型材自帶的擠壓C型槽，縱向通長排布，使空調及內裝二次骨架的安裝能更加靈活。車頂板型材3在左端部厚度設計成70 mm，利于與車頂邊梁進行搭接，同時滿足車頂的受力需求；其右端部厚度設計成25 mm，便于與車頂板型材2進行插接。車頂板型材3這種變截面的設計能夠有效實現車頂的受力，并實現輕量化，如圖2所示。

圖2 車頂板型材3斷面及安裝空調示意圖

車頂板型材1和車頂板型材2整體呈弧線設計，這兩個部件基本不受力，在設計型材斷面時采用了薄壁大斷面的鋁型材，兩型材間采用插接結構形式，并在型材設計之初帶有焊接襯板，這種型材自帶焊接襯板的結構焊接性能更好(見圖3)。其型材厚度設計成25 mm，并采用矩形型腔形式，能夠有效實現車頂輕量化。

圖3 車頂板型材1和型材2

1.3 車頂邊梁特點

車頂邊梁是車頂的主要受力部件，需要安裝車門和車頂裙板等設備。車頂邊梁型腔設計成三角形和梯形，三角形型腔結構穩定、變形小，對車門和車頂裙板的安裝強度有一定的保障。同時在與車頂板型材3連接處采取搭接的接頭形式，便于車頂大部件的組裝和調整車頂的寬度。車頂邊梁與車頂板型材3連接部分厚度設計成70 mm，保證與車頂板型材3的連接，并確保車頂邊梁與車頂板型材3整體受力；同時將車頂邊梁型材C型槽部位進行局部加厚，以滿足設備的受力和安裝需求，如圖4所示。

圖4 車頂邊梁型材斷面及邊梁安裝設備示意圖

2 車頂材料

該軌道列車的車頂采用鋁合金型材，其強度滿足EN 755-2標準，熱處理滿足DIN EN515標準。鋁合金板材采用EN AW-5083-H111，滿足EN 485-2標準。車頂部件的材料清單如表1所示。

表1 車頂主要部件材料清單

3 車頂結構有限元分析

通過車體的強度仿真計算，研究了車體的強度和剛度。計算結果表明車體設計滿足標準要求(見圖5)，也證明了此氫燃料混合動力100%低地板現

圖5 AW3作用下車體的應力和位移云圖

代有軌電車車頂結構及強度能夠滿足車頂設備載重的強度和剛度要求，并符合標準EN 12663-1：2010《鐵路應用——鐵路車輛車體的結構要求》。

4 結束語

氫燃料混合動力100%低地板現代有軌電車車頂的結構設計，以安全、可靠和輕量化為核心理念，采用大斷面鋁合金擠壓型材和板材焊接而成， 滿足空調的安裝、檢修和維護，更主要的是實現了超級電容等較大電氣設備的安裝和載重要求。此氫燃料混合動力100%低地板現代有軌電車車頂質量較輕、強度高，結構簡單，采取數量少的大斷面擠壓鋁合金型材種類，實現結構和強度要求。通過車體強度和剛度的仿真計算，驗證了此氫燃料混合動力100%低地板現代有軌電車車頂結構滿足設計標準要求。