新能源軌道車車體設計

段啟楠，裴玉虎，解來生

(中鐵四局集團有限公司第八工程分公司,安徽 合肥 230041)

0 引言

隨著技術的進步，環境保護要求的提高，工程機械設備采用新能源動力取代傳統內燃機動力趨勢明顯。新能源軌道車是針對地鐵建設軌道工程施工作業的需求而開發的環保型鋰電池軌道車。由于地鐵施工生產環境的特殊性，使新能源軌道車具有不同于鐵路工務軌道車的特點。為適應這些特點和生產需求，對新能源軌道車車體進行優化設計，在保證車體強度、剛度的同時，滿足整車對新能源動力設備安裝、駕駛操作、安全保護和應用環境等要求。為解決地鐵施工空間狹小，蓄電池箱、電機、車軸齒輪箱等大部件難拆卸問題，滿足軌道車運用檢修保養空間需求，提高運行安全以及達到電氣設施等關鍵部件高離地安裝設計要求，車體創新設計為可整體吊裝內走廊承載式車體鋼結構。

1 車體結構參數及特點

車體包括棚式車廂、車底鋼結構和內層結構，是新能源軌道車各系統和總成的安裝基礎，為操縱臺、走行部、傳動裝置、制動裝置、蓄電池箱、車鉤、輔助裝置等部件提供支撐，并傳遞牽引和制動等垂向、縱向、橫向作用力。其主要特點為：可整體吊裝內走廊承載式車體鋼結構、兩端駕駛室，并滿足標準軌距地鐵限界標準(CJJ96—2003)，以及滿足兩動力輪對、拉桿式軸箱定位和大功率動力電池包車體內部安裝的需求，總長11 m，滿足盾構井口吊裝出入要求，經過高度控制，整機高度尺寸≤3350 mm，便于公路運輸[1-2]。如圖1所示。

圖1 車體

1.1 車體各部分幾何尺寸

車體上安裝車廂，下側安裝走行部、制動系統、冷卻系統、電氣等部件，車體中間布置動力傳動系統，鋰電池箱組安裝在車廂內部兩側、通過電池組防護架固定及保護，車廂中間設置走行通道。

表1 車體各部幾何尺寸

1.2 棚式車廂的設計

棚式車廂由前后司機室端墻、左右側墻、車頂等組焊而成，車廂頂部設置電池箱起吊天窗，車內兩端裝有操縱臺、司機座椅、工具箱及休息座椅等，滿足雙向操作的要求；操縱臺上安裝司控器、空氣制動機自閥和單閥、各操縱按鈕、儀表和信號顯示等裝置；車廂地板布置阻燃、防滑、隔音特性材料的車輛用橡膠地板；車廂前方和兩側均設有鋼化玻璃側拉窗、側窗及前后窗設置窗簾、雨刮器等；車廂采用兩端斜對角雙開門。兩端瞭望玻璃上方設置防止水泥漿污染的鋼擋檐。如圖2所示。

圖2 車廂三維模型圖

1.3 框架式車底鋼結構的設計

車底鋼結構采用箱形邊梁和端梁焊接框架式鋼結構，由側梁、大橫梁、縱梁、斜牽引梁和小橫梁等焊接而成，車架承載軌道車車體重量，便于傳動系統、制動系統等結構的安裝。整車采取中間對稱布置，走行部、牽引傳動裝置、蓄電池等設置于車架中部，其余部件分別設置于車架兩端，使車架結構設計簡潔、受力明確。車架兩端設置了4根斜牽引梁，用于傳遞牽引力，同時用于承載掛鉤時產生的沖擊力。車架中部設置有大橫梁、縱梁和小橫梁，提高車架剛度，滿足走行部、牽引傳動裝置的支撐和傳力。在車架側梁上設置了4個起吊座，用于軌道車整體吊裝，便于施工轉場和公路運輸裝卸車；在車架端梁上設有排障器，用于清除軌面浮渣和雜物，確保軌道車行駛安全。排障器能方便地進行上下調節；端部設有腳踏板，便于工作人員調車作業。如圖3所示。

圖3 車架三維模型圖

地鐵建設軌道工程施工鐵路運輸作業時，列車運行速度低，施工作業面間轉場頻繁，因此公路運輸要求方便經濟，軌道車高度不能超過3.5 m；同時為防止隧道鋪軌施工時涉水運行導致車架下部懸掛電機進水損壞，采用單牽引電機加分動箱驅動形式，將電機安裝在車架上車廂內部。動力從牽引電機傳送至分動箱輸入法蘭，經分動箱前后輸出法蘭同步輸出至前后車軸齒輪箱驅動輪對走行，故輪對不存在同步問題，減少了因前后輪對不同步產生的沖擊、磨耗及動力消耗。在單位電池電量下，單電機驅動方案續航里程更長，更符合綠色環保施工設備的技術要求。動力鋰電池包也采取安裝在車體內部的方式，防止施工區間道床積水、侵限物體造成電池包的損壞。

為滿足兩軸走行部的輪對安裝要求，新能源軌道車車體采用無轉向架兩軸結構形式，牽引電機、輪對、拉桿座、彈簧、垂向減振器為車架安裝順序，新的車體結構稱為車架承載式棚式車體，既承擔車體的作用，承受上部各設備安裝及輔助附件的重量，又承擔了轉向架的作用，支撐輪對，傳遞垂向力及水平力，并通過分動箱和車軸齒輪箱間的傳動軸將動力傳遞給輪對。

在車架設計中，對縱梁和橫梁的形狀、數量和布置位置充分考慮了車架中部兩側鋰電池包保護箱安裝座、牽引電機、操作臺、分動箱、輪對、車鉤等設備的安裝要求和作用力的傳遞。

構架式車體的底架由端部、左右邊梁、橫梁、牽引電機安裝吊掛、整車起吊座、牽引拉桿座等組成。輪對、牽引電機直接安裝在車體底部的底架上。在底架上設置垂向減振器來減輕垂向振動，彈簧對車體起到垂向支撐和減輕垂向振動的作用，牽引拉桿起到傳遞牽引力的作用。

1.4 車鉤的選型

軌道車鋪軌運輸作業時與多臺平板車聯掛，主要用于混凝土、鋼軌、軌排等鋪軌作業材料的運輸，每臺平板車自重13 t，最大載荷為40 t，運行速度不超過40 km/h，經過比選，兼顧軌道車的經濟性，軌道車車鉤緩沖裝置的選型采用成熟產品2號短頸車鉤[4]，如圖4所示。

圖4 2號短頸車鉤

1.5 可整體吊裝內走廊承載式車體鋼結構設計

1)新能源軌道車設計為動力電池組地板上安裝的整體布置方案，在設計上考慮了軸重分配的均勻性，改善軌道車牽引粘著性能和制動性能，滿足牽引力、速度、續航里程等施工要求。

2)設計為框架式車架，無中梁結構，由側梁承重，滿足地鐵隧洞施工井口尺寸、地鐵限界、線路坡度、曲線半徑等施工要求，并便于電氣設備、傳動系統和制動系統等結構的安裝。

3)設計為車體結構上部開設活動檢修窗，解決地鐵施工空間狹小，電機、車軸齒輪箱等大部件難拆卸問題，滿足軌道車運用檢修保養空間需求。

4)走行部、制動系統、牽引傳動系統設計在車體下側，車廂設計在車體上側。

5)電池模塊設計在車廂內兩側，增大了新能源軌道車下部距軌面間隙，以適應區段積水、泥濘、積砟等復雜工況，路面適應性和運行安全性好。

6)車廂設計有天窗，蓄電池箱、電機等大部件通過天窗吊裝進出車廂，能夠方便快捷更換。

2 車體車底鋼結構強度計算

該車車體車底鋼結構采用側梁承載結構，主要由側梁、端梁、斜牽引梁、小橫梁、小縱梁等零部件組成。側梁選用HN400×200型鋼結構；端梁選用槽鋼及鋼板組焊結構；斜牽引梁為焊接工字鋼結構；小橫梁、小縱梁為焊接箱型結構。材質主要采用Q235A結構鋼。為校核車架承載性能，建立有限元模型，對車體結構強度和剛度進行校核。

2.1 車體車底鋼結構受力分析，計算載荷

車體車底鋼結構受到垂向力、縱向力、橫向力、扭轉載荷或扭轉力的作用，其中縱向力有牽引和推進兩種工況[3]。

2.1.1 垂向力

垂向靜載荷由自重及載重組成，在計算過程中車體重16 t(含車架重及車廂等部件)，載重6 t，車架自重按體積力由程序自動計算，其他載荷分別作用于車體相應位置。

車體垂向靜載荷：(16+6)*9.8 =215 kN

垂向動載荷由垂向靜載荷乘垂向動荷系數，垂向動載荷系數及動載荷計算如下：

垂向動荷系數：Kdy=1/f·(a+b·v)+1.65*0.427/power(60,0.5)

=1/60(1.5+0.05*50)+1.65*0.427/power(60,0.5)=0.25

式中：f=60 mm，v=45 km/h。

垂向動載荷：215 kN*0.25=53 kN

垂向總載荷：215 kN+53 kN=268 kN

入河排污口監管是水功能區管理的重要切入點和主要抓手。2002年水法和2004年水利部頒布的 《入河排污口監督管理辦法》為入河排污口監管提供了法律法規保障。“十一五”期間，通過嚴格入河排污口設置審批，較大程度地改善了入河排污口設置無序混亂的狀況。

2.1.2 縱向力

按照規范要求[5-6]，縱向力考慮1200 kN縱向拉伸載荷和1200 kN縱向壓縮載荷，由于該車為地鐵牽引車，實際連掛重量不會超過1000 t，運行速度低于45 km/h，因此縱向拉伸載荷和縱向壓縮載荷取其二分之一來計算，縱向力600 kN，該載荷沿車鉤中心線分別作用在車體牽引座上。

2.1.3 側向力

側向力包括未平衡離心力和風力，按照規范要求[5-6]，取垂向靜載荷產生應力的10%作為側向力。

2.1.4 扭轉力

扭轉力矩為40 kN·m，作用在側梁彈簧座處。

2.2 有限元分析

使用有限元分析軟件ANSYS對車架進行實體建模，網格劃分，采用100 mm四面體網格單元，車體離散單元總數為42454個，節點數為140604個，并進行約束設置。分別如圖5和圖6所示。

圖5 網格劃分

圖6 約束的設置

根據車體受力情況在模型中施加相應的垂向、橫向及縱向位移約束。在車體彈簧座處施加彈性約束。模型中坐標軸的方向為：縱向為Z軸，橫向為X軸，垂向為Y軸。

2.3 車體車底鋼結構剛度計算

在垂向靜載的作用下，牽引工況車體一端最大位移為1.42 mm，撓跨比為1∶7042。推進工況車體一端最大位移為2.48 mm，撓跨比為1∶4032。如圖7、圖8所示。

圖7 牽引工況應變圖

圖8 推進工況應變圖

2.4 車體車底鋼結構強度計算

牽引工況最大應力為137 MPa，發生在斜牽引梁與側梁連接處上蓋板上，推進工況最大應力為138 MPa，發生在端梁中部下板上，如圖9、圖10所示。

圖9 牽引工況應力圖

圖10 推進工況應力圖

在上述各工況中，最大應力發生在推進工況，車體最大應力為138 MPa，發生在端梁中部下板上，小于使用的車體材質Q235A結構鋼所規定的第一許用應力161 MPa；最大變形發生在推進工況，在垂向靜載的作用下，車體一端的最大位移為2.48 mm，撓跨比為1∶4032，小于允許的撓跨比值，所以車體結構強度和剛度均符合規范的設計要求[5-6]。

3 結束語

按照新能源軌道車的車體結構創新設計了首臺試制，在地鐵建設軌道工程施工現場進行了試驗和試運用，作業情況良好，整車性能達到設計要求，滿足軌道工程施工軌排、混凝土、鋼筋等運輸作業需求，同時符合地鐵建設軌道工程施工環保性和經濟性要求。該軌道車的成功研制，對于采用新能源動力工程機械設備取代傳統內燃機動力機械設備具有重要意義。