時速160公里智能市域動車組司機室頭罩的結構設計

武舒然，王會娟，閆宏芳，姚 皓，李學朋

（北京軌道交通技術裝備集團有限公司，北京100071）

市域快軌交通，指的是大城市市域范圍內的客運軌道交通線路，服務于城市與郊區、中心城市與衛星城、重點城鎮間等，服務范圍一般在100公里之內，是介于城市軌道交通（地鐵、輕軌）和城際高速鐵路之間的新型運輸模式。市域快軌多應用于大城市近遠郊通勤線路、串聯城市各組團線路、機場線。上海、廣州是最早推廣市域快軌的軌道交通城市，而北京新機場線、平谷線，廣州18號線、22號線將成為速度目標值最快的市域快軌，運營目標時速達到160公里。

經調研，時速160公里及以下速度車輛司機室頭罩都已經采用復合材料來代替鋁合金或者不銹鋼車頭。復合材料由兩種或兩種以上異質、異性、異形的材料在宏觀尺度上復合而成，是一種可改善原材料的強度、剛度、疲勞壽命、耐高溫性、耐腐蝕性、導電性等性能的新型材料。復合材料的廣泛應用，除實現輕量化外，還能降低成本，改善工藝性，增加美感等，具有很高的使用價值[1]。一般高速車輛的頭罩均為流線型大曲面結構設計，下方設導流罩，優化外形有助于減小空氣阻力，進而減少車輛能耗。

時速160公里智能市域動車組司機室頭罩根據動車組技術條件的要求，以GB/T6769-2000《機車司機室布置規則》和UIC651-2002《機車、動車、動車組和帶司機室客車的司機室結構》及T/CCES 2-2017《市域快速軌道交通設計規范》等標準為基礎進行設計[2]。司機室頭罩即位于車輛外部前端的整體承載結構，屬于車輛關鍵部件，其結構設計好壞將直接影響到車輛運行安全性及可靠性。

1 頭罩材料選型

根據前期的運行工況仿真及分析，頭罩表面須承受±3000Pa表面壓力，這要求司機室玻璃鋼頭罩必須有助于承擔在運營條件下，如列車交會壓力沖擊、振動、瞬態壓力變化、扭曲變形造成的應力和應變，而且風擋玻璃外框必須有足夠剛性，不會在正常條件下在其邊緣處產生變形。同時頭罩的前部區域必須能承受鳥、石頭、從經過列車飛出的物體等影響。尤其是它必須通過飛彈試驗（按UIC651標準附錄C執行），即1.0kg的鋁彈沖擊體以Vmax+160km/h的速度沖擊試樣，試樣不穿透、不脫框。

軌道車輛帶有司機室的一般都是頭車，司機室部分屬于車體加長的部分，而車輛定距不變，這樣帶有司機室的一端就比另一端長，重量較重，不利于車輛的重量平衡設計[3]。

經過前期調研，在傳統城軌車輛設計中，多采用純玻璃鋼結構設計。玻璃鋼（即玻璃纖維增強塑料，簡稱FRP），以樹脂為基體，以玻璃纖維為增強體的復合材料，密度介于1.8～2.0g/cm3，比鋁的密度輕1/3，但機械強度卻很高[4]，其主要材料性能如下：

針對應用需求，司機室頭罩的結構設計要保證整體的強度和剛度，同時需綜合考慮隔音隔熱性能及輕量化要求，材料選型及鋪層設計要充分論證。過程中通過制作不同樣板進行多次驗證，最終司機室頭罩采用玻璃鋼三明治夾芯復合結構，總厚度為30mm。在前方區域，結構內部鋪設芳綸纖維以滿足飛彈沖擊，起到保護司機的作用，尤其在前擋風玻璃周圍進行加強，以能夠承擔氣動壓力造成的沖擊；在側面區域進行局部夾心切割，保留寬度70mm的加強筋結構，達到減重效果的同時保證頭罩剛度，底部裙板同樣采用10mm夾芯結構，來控制風壓下的變形。

2 頭罩結構設計

司機室玻璃鋼頭罩需保證強度足夠，結構安裝牢固、穩定，無異響，能為司機室提供穩定、安全的駕駛環境，并滿足司機室設備的安裝要求。

頭車設前端固定式艙門。艙門固定在司機室外殼時，與司機室外殼形成密閉結構，并形成圓滑光順曲面，使頭車前端具有良好的空氣動力學外形。前端固定式艙門采用手動打開的方式，艙門從司機室頭罩上移除后，車輛其他零部件不影響前端車鉤的聯掛和車輛的運行，以實現動車組回送及救援。

頭罩四周與車體骨架設計機械連接點，并打膠密封，保證整個司機室氣密性。頭罩上裝有前擋風玻璃、側窗玻璃、前照燈、雨刷器、終點站顯示器、天線等部件。

2.1 頭罩與車體的機械接口設計

司機室頭罩位于車輛外部，除金屬頭罩與車體部分直接焊接在一起之外，復合材料頭罩均需要通過螺栓連接等方式安裝在車體骨架上，并保證能夠有一定調整量，能夠適應工藝制造公差以及安裝誤差。

在時速160公里市域車項目中，頭罩設計為流線外形，尺寸為長4.3m、寬3.3m、高3.0m，在布置安裝點的時候需要進行全面分析。除整體的膠粘結構，頭罩與車體骨架設計有24處，保證頭罩在前端、側面、底端均有螺栓固定點，左右對稱，防止頭罩偏重及不均勻受力引起的位置偏移，起到穩固作用。

固定式艙門直接固定在頭罩上，需要滿足方便安裝及拆卸的要求。采用的方式是頭罩內部設不銹鋼支架，支架內部焊接帶有螺母的盒子，艙門上設圓柱鎖（也可稱為裙板鎖）來找中固定。固定式艙門處的操作示意圖如圖1所示。

圖1 艙門拆卸示意圖

由于考慮到安裝及拆卸需盡量減少現場生產人員的工作量，所以在艙門與頭罩之間有設計吊掛結構。頭罩上預埋支撐架，現場人員在安裝時可以先將艙門吊掛在該支撐架上，再去用裙板鎖固定，拆卸時反過來即可。為保證美觀，在鎖的外表面增加扣蓋。

2.2 氣密性設計

車輛設計中有很高的氣密性要求，參考T/CCES 2《市域快速軌道交通設計規范》，要求列車整車動態密封指數τ＞6s。司機室部分最主要的是保證頭罩與車體之間的密封，形式就是在設計時預留膠縫，實際安裝定位之后填補彈性密封膠，既能起到粘接作用也能起到密封作用。頭罩外部與車體之間一般會有密封膠，同樣是為了保證美觀。

由于車體骨架的形式特殊性，頭罩的密封設計存在難點，在底部無法實現打膠，所以整個密封面的設計取在中間部分，必須保證膠縫連續，局部示意圖如圖2所示。

圖2 局部打膠示意圖

在安裝過程中局部打膠略有困難，普通膠槍無法深入，故借用軟膠管來實現膠嘴的延長，相關工具示意圖如圖3所示。

圖3 打膠工具示意圖

2.3 與其他系統接口設計

頭罩設計有很多其他系統接口，由于頭罩是玻璃鋼結構，為維持完整的流線型外形，大多數的接口是頭罩做翻邊，其他零部件一般是直接膠粘或者螺栓鉚螺母方式固定，保證安全性和可靠性。

3 結構驗證

3.1 仿真驗證

在設計完成之后，對該機構進行有限元仿真分析[5]，需驗證強度及剛度要求：（1）司機室玻璃鋼頭罩與前端固定式艙門必須能夠承受列車以（160+10%）km/h的速度雙向運行，并且壓力為±3000Pa時產生的空氣動力學壓力和湍流。車頭主體無損壞，安裝座及內部連接結構物無破壞。（2）擋風玻璃安裝接口在上述的載荷作用下，在最遠點之間的擋風玻璃開口的最大變形不應該超過2mm，并且不對稱值不應該超過±1.5mm，粘接面輪廓度≤1mm。

工況分析見表1：

表1

有限元模型：

根據實際結構和尺寸建立有限元模型，司機室頭罩各部分均采用4節點薄殼單元進行劃分。

約束條件：

截取的車身部分后端固支處理，壓力載荷施加在頭罩的外表面以及裙板的外表面。

仿真結果：

在3000Pa壓力作用下車頭的最大位移為4.88mm，位于開閉罩上，前擋風玻璃開口位置最大位移為1.93mm，對角線位移為0.37mm，側擋風玻璃最大位移為0.84mm，對角線位移為0.18mm，滿足位移小于2mm要求，結構剛度滿足要求；金屬連接件最小安全系數為1.51，螺栓連接件最小安全系數為4.18，金屬件及連接件強度滿足要求；結構穩定性及振動頻率滿足要求。

3.2 裝車驗證

由于頭罩設計的特殊性，應注意確定安裝順序、裝配基準[6]，并在安裝過程中給出合理的現場處理方案。

（1）安裝順序

按照部件特點，確定以頭罩主體-固定式艙門-裙板的順序安裝。首先進行機械連接點的固定，最后進行密封膠填補。

本頭罩需從前向后安裝，實施頭罩整體吊裝（除艙門外，重量達430kg，需選用合適吊具以及吊裝點，確保不會造成結構損壞；吊裝工具需保證表面光滑干凈，對頭罩表面無損壞）。

（2）裝配基準

司機室與車體之間外部設置15mm打膠縫隙，作為縱向及垂向定位，同時車寬方向保證與車體對中。

（3）安裝調整

玻璃鋼產品相對來講屬于彈性材料，可以通過機械連接處的作用力來校正從而保證與車體匹配的輪廓，同時在發生安裝干涉的時候可以對玻璃鋼產品進行打磨，或者局部填補結構膠來彌補錯臺。

3.3 運行驗證

結構設計通常需要經過足夠長運營時間的驗證，時速160公里智能市域動車組即將下線，將會接受時間的考驗。

4 結束語

市域車頭罩設計過程要考慮實際運營工況，滿足足夠強度及剛度，并為其他部件提供安裝接口。在經驗設計基礎上，要根據實際情形做針對性設計，并對新結構進行仿真計算，使其不斷優化。在后續的設計中將會有更多未知問題，應該持續優化，讓車輛更輕、更穩、更舒適。