時速350 km雙層動車組相關技術參數對車體模態的影響

朱 彥 李傳勝 胡 浩

(中車長春軌道客車股份有限公司國家軌道客車工程研究中心，130062，長春//第一作者，正高級工程師)

隨著高速鐵路客流量持續攀升，以京滬高鐵和京廣高鐵為代表的長大干線輸送能力已接近飽和。為進一步滿足快速增長的客流需求，緩解節假日期間干線運力不足問題，有必要開展載客能力更大的時速350 km雙層動車組技術方案研究[1-6]。

本文結合雙層動車組列車的特點，對影響雙層動車組模態的參數，如列車布局、輕量化設計、車體參數等，以及整備狀態下雙層動車組的模態進行分析，以充分發揮其擴容增效優勢。

1 雙層動車組列車布局

本文研究的雙層動車組列車高度為4 500 mm，客室高度相比于普通動車組列車降低300 mm。同時，車下空間匱乏，電氣設備只能布置于車廂兩端。因此，如何克服車輛高度空間不足給乘客帶來的舒適度降低，以及如何確保在車下設備上移的情況下充分利用端部空間增加定員，最終達到質量平衡,成為車輛合理布局的關鍵。

針對上述問題，提出如下優化措施：

1) 客室兩側行李架將用于存放小件隨身行李，但其設計同時應滿足可存放高度、深度尺寸分別為260 mm、300 mm的矩形截面行李的要求。

2) 下層客室地板過道區域采用凹陷的設計理念，以增加凈通過高度。

3) 針對雙層車輛，座椅上下層采用一、二位側對稱布置；一等座椅間距為1 140 mm，二等座椅間距為960 mm。

4) 牽引變流器、輔助變流器、污水箱、制動風缸等設備設置在車輛端部，其中牽引變流器采用一分為二的設計結構，對角布置。

5) 樓梯在一、二位端車長方向對稱布置。

6) 衛生間和電氣柜分設于車輛兩端，且對角布置。

7) 空調機組中心對稱布置。

據此計算得出，車上車下布局相對復雜的動車在X方向的重心為-150 mm，在Y方向的重心為-7.5 mm。

單層和雙層動車組載客量對比如表1所示。由表1可知，雙層動車組可提升定員31.8%。以京滬線為例，在原票價保持不變的情況下,雙層動車組單程客票收入可增加約20萬元。

表1 單層和雙層動車組各節車輛載客量對比 單位:人

2 雙層動車組車體輕量化設計

由于雙層動車組車輛斷面加大、定員增加，且每節車輛采用2個空調單元，較單層動車組車輛增重約3 t，因此，需結合車輛17 t軸重要求，以美觀舒適、防火環保和保證強度的原則對雙層動車組車輛開展輕量化設計。

考慮車輛質量冗余，以動車組為研究對象，對內裝、車內設備、轉向架和電氣系統進行輕量化設計。設計的主要內容包括合理選材、結構優化，以及電氣設備的小型化、精細化設計。雙層動車組具體減重措施及減重對比如表2所示。

表2 雙層動車組減重措施及減重對比

3 雙層動車組車體模態分析

為避免轉向架與車輛發生共振，車輛整備狀態下模態值應大于10 Hz。提高車輛整備模態值的主要方法是降低整備狀態下車體質量或增加車體剛度。基于上述輕量化方案，雙層動車組除車體外其他部件減重后的質量為52.3 t，因此需進一步研究如何在合理的質量指標范圍內提高車體剛度。基于上述分析，結合以往設計經驗，車體質量指標應不大于13.4 t。由于影響車體菱形模態的主要部位為上層地板、下層地板、側墻和車頂，借鑒單層動車組增設內隔墻和內端墻經驗，以此6個部位為研究對象，建立有限元計算模型，通過控制變量法分析車體主要部位的材料、厚度及結構變化等參數對車體模態的影響，最終確定車輛整備狀態下的模態。

3.1 變更上層地板結構材料

為使車體減重，采用鋁蜂窩地板方案，側墻厚度取50 mm。建立的車體有限元模型質量為 12.655 t。通過計算得到的車體菱形模態值為9.867 Hz。

由于鋁蜂窩地板方案下的車體模態值較低，因此考慮選用鋁型材地板，側墻厚度仍取50 mm，以此作為方案1。建立的車體有限元模型質量為12.401 t。方案1下的地板結構和車體模態位移分布云圖如圖1所示。

圖1 方案1下的上層地板結構和車體模態位移分布云圖

3.2 側墻結構加厚

選用鋁型材地板，側墻厚度由50 mm增加至65 mm，以此作為方案2。建立的車體有限元模型質量為12.569 t。方案2下的車體模態位移分布云圖如圖2所示。

圖2 方案2下的車體模態位移分布云圖

3.3 增設內隔墻結構及變更車體橫向尺寸

在方案1的基礎上，在靠近車門位置增設厚度為10 mm的內隔墻，以此作為方案3。建立的車體有限元模型質量為12.688 t。方案3下的內隔墻結構和車體模態位移分布云圖如圖3所示。

圖3 方案3下的內隔墻結構和車體模態位移分布云圖

在方案3的基礎上，將內隔墻沿車體橫向中心線方向延長50 mm，作為方案4。建立的車體有限元模型質量為12.706 t。方案4下的內隔墻結構和車體模態位移分布云圖如圖4所示。

圖4 方案4下的內隔墻結構和車體模態位移分布云圖

在方案3的基礎上，將內隔墻沿車體橫向中心線方向延長10 mm，作為方案5。建立的車體有限元模型質量為12.701 t。方案5下的內隔墻結構和車體模態分布云圖如圖5所示。

圖5 方案5下的內隔墻結構和車體模態位移分布云圖

3.4 增加車頂送風道開孔

在方案3的基礎上，封堵車頂空調口并增加送風道開孔，作為方案6。建立的車體有限元分析模型質量為12.832 t。方案6下的車頂空調口開孔示意和車體模態位移分布云圖如圖6所示。

圖6 方案6下的車頂空調口結構和車體模態位移分布云圖

3.5 下層地板結構加厚

在方案6的基礎上，將下層地板厚度由50 mm增加至80 mm，作為方案7。建立的車體有限元模型質量為12.943 t。方案7下的車體模態位移分布云圖如圖7所示。

3.6 車頂型材加厚

在方案7的基礎上，將車頂型材厚度由40 mm加厚至50 mm，作為方案8。建立的車體有限元模型質量為13.011 t。方案8下的車體模態位移分布云圖如圖8所示。

圖8 方案8下的車體模態位移分布云圖

3.7 增設內端墻結構

在方案8的基礎上，在車輛兩端距離車體縱向中心線6 070 mm的位置增加內端墻結構1，作為方案9。建立的車體有限元模型質量為13.245 t。方案9下的內端墻結構和車體模態位移分布云圖如圖9所示。

圖9 方案9下的內端墻結構1和車體模態位移分布云圖

在方案8的基礎上，在車輛兩端距離車體縱向中心線6 070 mm處增加內端墻結構2，作為方案10。建立的車體有限元模型質量為13.364 t。方案10下的內端墻結構和車體模態位移分布云圖如圖10所示。

圖10 方案10下的內端墻結構2和車體模態位移分布云圖

3.8 車體模態分析結果

根據上述對比分析，形成車體結構參數優化結果，如表3所示。

表3 車體結構參數優化結果

由表3可知，相比于鋁蜂窩結構上層地板，鋁型材上層地板結構可提高車體菱形模態振動頻率2 Hz以上，且車體質量降低254 kg；內隔墻結構可提高車體菱形模態振動頻率1.5 Hz，但車體質量增加287 kg；封堵車頂空調口并增加送風道開孔可提高車體菱形模態振動頻率1.33 Hz，但車體質量增加144 kg；下層地板和車頂型材厚度增加對菱形模態振動頻率影響較小；增加內端墻結構1，可提高車體菱形模態振動頻率1.226 Hz，車體質量增加234 kg；增加內端墻結構2，可提高菱形模態振動頻率4.148 Hz，車體質量增加353 kg。

基于上述分析，確定車體結構參數如表4所示。

表4 車體結構參數

結合輕量化設計理念，基于表4確定的結構參數對內端墻進行結構優化。建立的有限元模型質量為12.627 t，計算得到車體模態值為15.198 Hz，車輛整備狀態下的模態值為 10.318 Hz。優化后的內端墻結構和車體模態位移分布云圖如圖11所示。車輛整備狀態下的模態位移分布云圖如圖12所示。

圖11 內端墻結構優化方案和車體模態位移分布云圖

圖12 車輛整備狀態下的模態位移分布云圖

4 結論

1) 優化后雙層動車組整車質量為64.927 t，模態頻率可達10.318 Hz；通過對車輛其他部位進行輕量化設計，車輛減重2.4 t；相比于單層動車組，雙層動車組載客量可提升31.8%。

2) 車輛設計需進一步結合人機工程學進行分析，如色彩選用明度低的冷色和透明度強的材料；客室界面(如座椅墊等)盡量采用豎長線條及紋理以體現空間感；照明燈光應盡量靠車輛兩側布置，亮度適當增加，但仍以柔光為主，以減輕雙層動車組旅客因車廂高度不足引起的壓抑感。

3) 持續開展輕量化設計，尤其是電氣設備小型化設計，進而釋放更多的質量和空間，進一步提高車輛的運能。