快速市域動車組車下設備艙結構設計

陳 旭

（北京軌道交通技術裝備集團有限公司，北京 100071）

市域動車組在軌道上高速運行時，面臨非常復雜的外部環境，如列車運行和交叉口產生的氣壓波，運行中遇到的雨、雪、風暴，以及外部物體對列車下方區域的高速沖擊。然而，動車組的主要設備是通過吊裝方式安裝在車架下，復雜的外部環境因素嚴重威脅著高速列車的運行安全。為了保護車下設備和高速動車組的安全運行，需要在快速市域車下設置設備艙[1]。

1 設計原則

1.1 設備艙內外部輪廓

設備艙的外部輪廓須不超出該線路車輛限界，同時滿足美工的要求。設備艙的內部輪廓與車下設備的最小距離須大于30 mm，保證安裝過程中或運維過程中不發生干涉或磕碰。

1.2 設備艙強度要求

靜強度要求：設備艙底板靜載工況為內外表面壓差±3 kPa；設備艙裙板、設備艙骨架、設備艙端板靜載工況為內外表面壓差±2 kPa。

疲勞強度要求：在設備艙的疲勞工況為內外表面壓差±1 kPa 條件下，進行107次循環疲勞壽命計算，在壽命周期內，設備艙所有結構件及焊接件應滿足材料的強度要求。

2 結構組成及安裝方式

車下設備艙位于車體底架下方，主要包括骨架組成、裙板組成、底板組成和端板，如圖1 所示。

圖1 設備艙結構組成

2.1 骨架組成

骨架組成是設備艙整體的承載結構，主要包括吊裝支架、支撐槽，其中吊裝支架包括梯形支架和豎向支架，如圖1 所示。梯形支架是由多種不同規格的鋁合金型材焊接而成的梯形結構，通過兩端的吊座，以螺栓連接的方式與車體底架邊梁固定；豎向支架為方鋼和鋼板的焊接結構，通過螺栓與底架下方的C 槽連接。根據車下設備的安裝位置布置梯形支架，且每個吊裝支架之間的間隔應盡量均勻，不應過大或過小。若2 個吊裝支架的間距較大，則需要在二者之間增加1 個或多個豎向支架，以保證該區域的結構強度[2]。

支撐槽采用鋁合金型材，且每根支撐槽上加工有吊裝支架安裝接口、裙板安裝接口和底板安裝接口等。支撐槽與吊裝支架通過預埋在支撐槽型腔內的螺紋滑塊進行螺栓連接，從而形成設備艙整體的承載結構。每根支撐槽的長度根據該區域的裙板數量及長度、底板數量及長度而定，為保證裙板和底板的安裝，一塊裙板（或底板）的所有安裝接口須設置在同一根支撐槽上。

2.2 裙板組成

裙板位于設備艙兩側，用于保護車下設備的側部，防止風沙、石礫和雨雪的沖擊或侵襲，同時優化空氣動力學性能。裙板的分塊及布置須遵循兩側對稱的布置方式，裙板的分塊需要跟據車下設備的布置及通風散熱、檢查空間需求進行分塊設計，且每塊裙板的長度盡量不大于2 m，從而保證檢修維護時的便捷。裙板的組成包括裙板主體、裙板鎖、鎖座、通風格柵和密封膠條等，如圖2 所示，其中：裙板主體由2 塊鋁型材拼焊而成，焊接方式采用攪拌摩擦焊，以保證裙板主體焊接后的輪廓度。對焊接后的裙板主體進行機加工，預留裙板鎖、通風格柵和密封膠條等附件的安裝接口，以及裙板主體與設備艙骨架的安裝接口；裙板鎖包括轉舌鎖和碰鎖2 種鎖型，在便于檢修維護的同時，為車輛的運行安全提供保障；通風格柵根據車下設備的通風需求進行設計，原則上通風格柵的面積不應小于設備自身通風口的面積，且通風格柵的位置盡量正對設備自身通風口，從而滿足設備的散熱或進風需求；密封膠條安裝在裙板主體的四周，通過與設備艙骨架及相鄰裙板的擠壓，保證除通風格柵以外設備艙整體的密封性。

圖2 裙板組成

裙板主體下端與支撐槽之間通過銷軸連接，每塊裙板設置2~4 個銷軸連接點，從而實現骨架對裙板的垂向承載及裙板自身的上下翻轉；裙板上端通過裙板鎖與安裝在車體底架邊梁下方的鎖座進行連接；每塊裙板是相對獨立的，相鄰的裙板之間無剛性連接，只通過裙板兩側的密封膠條支架的擠壓，實現裙板之間的密封。

2.3 底板組成

底板位于設備艙底部，用于保護車下設備的底部，防止風沙、石礫、雨雪的沖擊或侵襲。底板的分塊及布置須根據車下設備的布置及通風散熱、檢查空間需求進行分塊設計，且每塊底板寬度保持一致，由兩側支撐槽的間距決定；底板的長度盡量不大于1.5 m，從而保證檢修維護時的便捷。底板組成包括底板主體、底板橫梁、底板鎖、防脫插銷、通風格柵和密封膠條等，如圖3 所示，其中底板主體采用鋁板與鋁蜂窩的三明治夾層結構，四周由鋁型材封邊，整體為全金屬結構。上下蒙皮均采用雙面環氧處理的鋁合金板材，與鋁蜂窩芯層及四周的型材框架通過膠粘復合而成；底板橫梁采用鋁合金型材，分別與底板主體和支撐槽連接，用于減小底板在車輛運行過程中產生的垂向振幅；通風格柵根據車下設備的通風需求進行設計，原則上通風格柵的面積不應小于設備自身通風口的面積，且通風格柵的位置盡量正對設備自身通風口，從而滿足設備的散熱或進風需求；密封膠條安裝在底板主體的四周，通過與設備艙骨架及相鄰底板的擠壓，保證除通風格柵以外設備艙整體的密封性。

圖3 底板組成

底板主體與支撐槽之間通過底板鎖進行連接，每塊底板設置4~6 個底板鎖、4 個防脫插銷，從而實現設備艙骨架對底板的垂向承載及底板鎖失效情況下的防脫功能；底板橫梁兩端與支撐槽通過螺栓連接，中間位置與底板主體通過螺栓配合套筒的方式進行固定；每塊底板是相對獨立的，相鄰的裙板之間無剛性連接，只通過底板兩側的密封膠條支架的擠壓，實現底板之間的密封。

2.4 端板組成

端板位于設備艙兩端，用于封堵設備艙兩端，使設備艙形成相對密閉的空間結構，同時為車下的各類管路、線路和風道提供安裝接口。由于端板的安裝位置靠近轉向架，因此需要校核轉向架的運動范圍，將端板設置在轉向架動態包絡范圍以外，以免車輛運行過程中發生干涉，導致危險。端板由端板主體、吊耳和密封板焊接而成，如圖4 所示，其中端板主體為鋁型材，原則上端板的外輪廓與設備艙斷面的外輪廓一致。根據車下布管布線的位置以及端板與車體底架的安裝接口，機加工出管線的安裝接口、吊耳的焊接接口及與支撐槽的轉接接口；吊耳為鋁板折彎件，吊耳的布置應盡量遵循兩側對稱原則，且間隔盡量均勻；密封板為鋁板折彎件，焊接在端板主體兩側，用于密封端板主體的型腔，以免雜物進去。

圖4 端板組成

端板上部的吊耳與車體底架下方的C 槽通過螺栓進行連接，安裝工程中可以通過調整墊及長圓孔調整端板與車體的相對位置，需要保證的是端板下沿不得低于底板的下平面、端板側沿不能超出裙板外輪廓；端板下部與支撐槽通過轉接板進行螺栓連接，從而保證端板的穩定性。

3 計算驗證

根據設計原則中的設備艙強度要求，進行仿真計算驗證。

3.1 靜強度驗證

（1）垂向加速度為1 g，同時對底板施加+3 kPa 外載荷，對裙板和端板施加+2 kPa 外載荷，如圖5 所示。

圖5 外載荷及約束

設備艙整體的等效應力分布如圖6 所示，等效應力主要集中在豎向支架、底板橫梁、支撐槽和端板組成等部件上，但是主要應力集中部位的應力值基本不超過80 MPa，相比之下，吊架、頂板和設備艙裙板處的等效應力很小，基本可以忽略。

圖6 設備艙整體等效應力分布

（2）垂向加速度為1 g，同時對底板施加-3 kPa 外載荷，對裙板和端板施加-2 kPa 外載荷，如圖7 所示。

圖7 外載荷及約束

設備艙整體的等效應力分布如圖8 所示，等效應力主要集中在豎向支架、底板橫梁、支撐槽和端板組成等部件上，但是主要應力集中部位的應力值基本不超過80 MPa，相比之下，設備艙裙板、底板處具有較小的等效應力，最大不超過15 MPa；梯形支架連接處的等效應力很小，基本可以忽略。

圖8 設備艙整體等效應力分布

3.2 疲勞強度驗證

如圖9 所示，壽命云圖之所以呈現全部紅色，是因為受到賦予各部件材料屬性的限制，準確來說是受到材料的S-N 曲線及應力壽命曲線的限制。WORKBENCH 材料庫中以上材料的S-N 曲線的循環次數最值只達到1×108，因此仿真計算時當部件的壽命達到1×108循環次數時就會自動終止。因此，計算結果顯示設備艙整體疲勞壽命全部維持在1×108循環次數以上，即在對設備艙施加1 000 Pa 載荷的情況下，各部件均能達到預期的1×107循環次數壽命。

圖9 設備艙整體疲勞分析壽命云圖

4 結束語

快速市域車設備艙的設計過程要考慮實際運營工況，在滿足足夠強度要求和沖擊振動等要求的同時，滿足車下設備的通風需求及檢修維護需求。在本文所描述的設計基礎上，要根據車輛的速度等級、車體結構和車下設備布置等設計輸入條件進行適應性設計，并對新結構進行仿真計算，根據計算結果進行結構優化。