無中梁米軌動車組底架鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計與強(qiáng)度分析

郭 斌，李喜輝，李東鋒，李志申，沈旭奎

（唐山軌道客車有限責(zé)任公司 產(chǎn)品研發(fā)中心，河北唐山063035）

出口孟加拉國動車組是唐山軌道客車有限責(zé)任公司（簡稱唐車公司）為孟加拉國米軌鐵路開發(fā)研制的內(nèi)燃交流電傳動動車組，用于孟加拉國內(nèi)重要線路的旅客運輸。能夠以最高80km／h的速度運行。最高試驗速度允許達(dá)到88km／h。動車組為內(nèi)燃動車組，交流電傳動，由3輛車組成。動車組配置2動1拖，兩列動車組可以編組連掛運行，如圖1所示。本文介紹其動車底架鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計難點、結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化、強(qiáng)度試驗情況。

圖1 動車組配置圖

1 動車底架鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)難點

孟加拉國動車組外形、車內(nèi)布置與國內(nèi)地鐵列車相似，并且采用內(nèi)燃交流電傳動系統(tǒng)，列車運行的動力由列車自帶的設(shè)備提供，為保證車內(nèi)有足夠的空間，整列車的動力、制動設(shè)備集中布置在車體底架上。

由于孟加拉國內(nèi)鐵路軌距為1 000mm，底架懸掛設(shè)備布置密集集中，最重的設(shè)備（動力集成系統(tǒng)）約4t，是目前地鐵產(chǎn)品懸掛最重設(shè)備的2倍多。設(shè)備間連接管路布置難度大。

孟加拉國動車組車體鋼結(jié)構(gòu)采用碳鋼材質(zhì)，車體骨架材料質(zhì)量比不銹鋼車體要大許多。為滿足孟加拉國鐵路限制的最大軸重11.96t及車下設(shè)備空間量的要求，孟加拉國內(nèi)燃動車組車體底架采用無中梁結(jié)構(gòu)設(shè)計，以提供所需的承載功能，包括有效載荷、安裝在車體上的所有結(jié)構(gòu)件及正常運行條件和特殊試驗條件的所有載荷，結(jié)構(gòu)設(shè)計難度大。

（4）車體側(cè)墻上由于開有大開度的門口、窗口，剛度被大大削弱。由此底架將承受大部分載荷，其剛度及強(qiáng)度決定整車的承載能力。

2 動車底架鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計介紹

孟加拉國動車組動車底架鋼結(jié)構(gòu)組成由牽引梁、枕梁、緩沖梁、邊梁、橫梁和枕內(nèi)波紋地板、枕外平地板等組成。根據(jù)上述設(shè)計技術(shù)難點，結(jié)合實際需求的承載要求，對底架邊梁、底架橫梁等受力部件結(jié)構(gòu)、尺寸等進(jìn)行了全新設(shè)計。

2.1 底架邊梁設(shè)計

由于動車底架采用無中梁結(jié)構(gòu)，底架邊梁將承受大部分拉壓載荷、垂向載荷、扭轉(zhuǎn)載荷以及上述組合工況的強(qiáng)度校核考驗，并且考慮吊裝區(qū)域有周期振動的動力集成系統(tǒng)承載因素，以及孟加拉國鐵路限界條件，故底架邊梁結(jié)構(gòu)不采用傳統(tǒng)的槽鋼形式，對其截面進(jìn)行全新設(shè)計。

底架邊梁截面為具有一定斜度的非對稱槽型斷面，采用冷彎型材，厚度為8mm，材質(zhì)為09CuPCrNi-A。截面尺寸如圖2所示。

圖2 底架邊梁截面尺寸

此底架邊梁設(shè)計與傳統(tǒng)底架槽鋼型邊梁相比，具有如下優(yōu)點：

（1）此型材的強(qiáng)度、剛度、平面度均有明顯提高，能極大的提高車體整體強(qiáng)度和承載能力；

（2）寬厚的下翼面能為大型車下設(shè)備提供吊裝接口，保證車下承載重力布置均勻，適用大型集成系統(tǒng)的吊裝；

（3）立面的簡易凹槽與側(cè)墻板的搭接輪廓自然過渡，提高車體的整體美感，外觀平整度高于傳統(tǒng)連接結(jié)構(gòu)。

2.2 底架橫梁設(shè)計

孟加拉國動車組輪廓截面受該國車輛限界條件限制，車內(nèi)空間布置不足，為保證地板厚度和車內(nèi)高度，需要下沉波紋地板，減小了主橫梁截面高度，又需要保證底架橫梁在懸掛車下設(shè)備時有足夠大強(qiáng)度以及抗彎剛度，經(jīng)過設(shè)計比對，最終確定如圖3所示的截面方案。

圖3 底架橫梁斷面

枕內(nèi)橫梁為槽型斷面，材質(zhì)采用09CuPCrN-A。下面懸掛設(shè)備的橫梁或者受應(yīng)力較大較集中的橫梁選擇6mm厚耐候鋼板壓制成型，其余橫梁選擇4mm厚耐候鋼板壓制成型。

2.3 底架構(gòu)架整體布置

底架邊梁與主橫梁插接連接，波紋地板搭接于主橫梁上翼面，并通過乙型梁與邊梁對接，共同形成整體通長結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 波紋地板與邊梁、橫梁的連接

2.4 底架橫梁統(tǒng)型設(shè)計

孟加拉國動車組動車車下設(shè)備密集，設(shè)備間管路布置空間狹小，大量管路受空間限制布置在橫梁間，在設(shè)備位置確定后，按照各設(shè)備安裝要求在主橫梁立面設(shè)置穿線孔，同時進(jìn)行較大程度的統(tǒng)型，便于模塊化設(shè)計和生產(chǎn)制造，如圖5所示。

在應(yīng)力集中不明顯區(qū)域的每根底架橫梁立面布置9個長圓孔，在焊接吊鉤的橫梁區(qū)域取消對應(yīng)的長圓孔。在應(yīng)力集中明顯區(qū)域的底架橫梁不開孔或是盡量少開孔，并適當(dāng)增加補(bǔ)強(qiáng)措施，保證該位置的強(qiáng)度。統(tǒng)型開孔橫梁結(jié)構(gòu)有以下幾點優(yōu)勢：

（1）減輕底架質(zhì)量。統(tǒng)型后的底架質(zhì)量降低300kg，有利于轉(zhuǎn)向架軸重支撐。

（2）有利于生產(chǎn)。統(tǒng)型開孔有利于模具加工生產(chǎn)，或者是集中加工，提高生產(chǎn)效率。

（3）方便車下設(shè)備布置及安裝。當(dāng)因?qū)嶋H安裝過程出現(xiàn)失誤造成與原方案不符時，可利用主橫梁上備用的長圓孔，快速落實更改方案。

圖5 枕內(nèi)橫梁立面通行開孔示意圖

3 底架懸掛固結(jié)設(shè)備結(jié)構(gòu)介紹

孟加拉國動車組動車車下設(shè)備布置密集，設(shè)備總重、體積大小不等，車下設(shè)備多采用螺栓固結(jié)于底架鋼結(jié)構(gòu)上，特別是動力包集成系統(tǒng)與底架鋼結(jié)構(gòu)的吊裝設(shè)計。

3.1 動力包集成系統(tǒng)特點介紹

動力包集成系統(tǒng)是為孟加拉國動車組提供穩(wěn)定動力的集成系統(tǒng)，該設(shè)備質(zhì)量約為4t，體積巨大，動力包系統(tǒng)內(nèi)部各功能單元布置較密集，設(shè)備運行有很大的振動，安裝環(huán)境需要高強(qiáng)度、高剛度及高穩(wěn)定性。該設(shè)備受空間約束不適合懸掛在底架橫梁下面，不適合安裝吊座，故選擇底架邊梁吊裝動力包系統(tǒng)。

3.2 底架動力包吊裝結(jié)構(gòu)介紹

動力包設(shè)備重，體積大，具有周期振動性，并且需要在底架地板上設(shè)置檢查門，便于檢查維修動力包集成系統(tǒng)，為提升該區(qū)域的強(qiáng)度與剛度，采取如下措施：

（1）在邊梁內(nèi)側(cè)布置長約4m的邊梁補(bǔ)強(qiáng)梁，上下翼面和立面均設(shè)置塞焊孔，并在補(bǔ)強(qiáng)梁內(nèi)組焊支撐立板，邊梁補(bǔ)強(qiáng)梁端頭設(shè)計為楔形結(jié)構(gòu)，減少補(bǔ)強(qiáng)梁與邊梁的剛性接觸，避免此部位發(fā)生應(yīng)力集中，如圖6所示。

圖6 底架邊梁與內(nèi)嵌補(bǔ)強(qiáng)梁的連接

（2）在動力包區(qū)域波紋地板上設(shè)置6mm厚減振板，與波紋地板塞焊連接，兩側(cè)與底架邊梁角焊連接為一體。為提高車體抗振性和檢查門開孔區(qū)域的強(qiáng)度與剛度，在開孔周圍增加檢查門框，如圖7所示。

圖7 動力包系統(tǒng)鐵地板區(qū)域補(bǔ)強(qiáng)示意

（3）為保證安裝動力包系統(tǒng)螺栓連接準(zhǔn)確性與工藝性，以及動力包安裝后的水平度要求，底架邊梁下面組焊定位安裝墊板，并設(shè)計動力包安裝孔的開孔工裝，進(jìn)行整體開孔，保證安裝孔的精度，如圖8所示。

圖8 動力包系統(tǒng)吊裝結(jié)構(gòu)示意圖

4 有限元計算及結(jié)果分析

4.1 有限元模型

將Proe中建立好的整車模型導(dǎo)入Hypermesh軟件處理，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分。其中整車結(jié)構(gòu)見圖9。

圖9 動車車體整車結(jié)構(gòu)圖

本次計算主要采用ANSYS12.1，整個車體模型大多采用四邊形板殼單元模擬，在心盤座、彈簧座、車鉤前后從板座、頂車位等處設(shè)有剛性單元。離散后的車體模型共包含335 198個殼單元，316 098個節(jié)點，22個剛性單元，22個質(zhì)量單元。

車體坐標(biāo)系方向定義為：

X向為車體縱向，正方向由一位端指向二位端；

Y向為垂直方向，正方向垂直向上；

Z向為車體橫向，與X、Y構(gòu)成右手系。

4.2 邊界條件

根據(jù)EN 12663-2010《鐵路設(shè)施—鐵路車輛車身的結(jié)構(gòu)要求》中類別P-III的要求和TB／T 1335-1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范 》制定了《孟加拉國車體強(qiáng)度驗證概念》，將邊界條件分為車體位移約束和載荷約束。

車體位移約束分別為施加于彈簧安裝座、心盤座、頂車位垂向和縱向的不同組合，用代碼C1～C6表示。

（1）約束1（記為C1）：約束一、二位端彈簧安裝座處二位側(cè)處剛性元節(jié)點的y、z向的平動自由度，一位側(cè)處剛性元節(jié)點y向的平動自由度；約束一位端心盤座處剛性元節(jié)點x向的平動自由度。

約束C1用于模擬壓縮、拉伸、垂直載荷及組合工況的約束情形。

（2）約束2（記為C2）：一位端頂車位二位角處剛性元節(jié)點約束x向、y向和z向平動自由度，一位角處剛性元節(jié)點約束y向平動自由度；二位彈簧安裝座四位角處剛性元節(jié)點約束y向與z向平動自由度，三位角處剛性元節(jié)點約束y向平動自由度。

約束C2模擬一位端抬車的約束情形。

（3）約束3（記為C3）：一位端彈簧安裝座二位角處剛性元節(jié)點約束y向與z向平動自由度，一位角處剛性元節(jié)點約束y向平動自由度；二位端頂車位四位角處剛性元節(jié)點約束x向、y向和z向平動自由度，三位角處剛性元節(jié)點約束y向平動自由度。

約束C3模擬二位端抬車的約束情形。

（4）約束4（記為C4）：兩端頂車位二位側(cè)二位角處剛性元節(jié)點約束x向、y向和z向平動自由度，四位角處剛性元節(jié)點約束y向、z向平動自由度，一位側(cè)處剛性元節(jié)點約束y向平動自由度。

約束C4模擬兩端抬車的約束情形。

（5）約束5（記為C5）：二位端彈簧安裝座四位角處剛性元節(jié)點約束x向、y向和z向平動自由度，三位角處剛性元節(jié)點約束x向和y向平動自由度；約束一位端心盤座處剛性元節(jié)點y向的平動自由度。

約束C5用于模擬扭轉(zhuǎn)的約束情形。

（6）約束6（記為C6）：與約束4相比，工況7：釋放一位側(cè)三位角處約束，使得三位角處的約束下降10mm；工況8：釋放一位側(cè)一位角處約束，使得一位角處的約束下降10mm。

約束C6用于模擬3點支撐時的約束情形。

載荷約束包括施加于底架橫梁和心盤上的垂向載荷、車下懸掛設(shè)備載荷，施加于從板座和車鉤安裝座處的縱向載荷和施加于枕梁端部的扭轉(zhuǎn)載荷。

（1）垂向載荷：垂向載荷包括正常運營狀態(tài)下的車體質(zhì)量載荷，包括水、沙、油、食物等所有運營所需物資的質(zhì)量以及乘務(wù)人員的質(zhì)量；兩個轉(zhuǎn)向架的質(zhì)量載荷；車體底架懸掛設(shè)備載荷。底架懸掛設(shè)備載荷見圖10。

圖10 底架懸掛設(shè)備載荷模型

（2）縱向載荷：縱向600kN拉伸載荷，縱向800kN壓縮載荷。均作用于一位端后從板座處和二位端車鉤安裝座處。

（3）扭轉(zhuǎn)載荷：在車體一位端枕梁的端部施加方向相反的力使得車體產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩為40kN·m。

4.3 計算工況

依據(jù)不同約束，共制定了11種計算工況，具體見表1。

4.4 強(qiáng)度計算結(jié)果及分析

通過對以上11種工況進(jìn)行計算分析，得出各工況下在底架部位出現(xiàn)的明顯應(yīng)力集中值，見表2。

表1 計算工況與對應(yīng)約束、載荷間的關(guān)系

分析發(fā)現(xiàn)，孟加拉國動車組動車底架鋼結(jié)構(gòu)在整備狀態(tài)下各工況最大應(yīng)力值均小于其材料的屈服極限，且多次優(yōu)化結(jié)構(gòu)后（如客室門下底架邊梁焊接補(bǔ)強(qiáng)筋板、底架橫梁下面開螺栓用孔焊接補(bǔ)強(qiáng)鐵等），各工況下的最大計算應(yīng)力值均有下降，強(qiáng)度裕量得到提高，表明無中梁吊裝集成設(shè)備米軌客車底架鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足《孟加拉國車體強(qiáng)度驗證概念》強(qiáng)度要求。

表2 各工況下底架部位出現(xiàn)的最大應(yīng)力值

5 結(jié)束語

唐車公司出口孟加拉國動車組采用了自主創(chuàng)新無中梁底架米軌車設(shè)計、設(shè)備車下懸掛技術(shù)，屬于國內(nèi)首創(chuàng)。車體結(jié)構(gòu)在整備狀態(tài)下，拉伸、壓縮、抬車的各工況模擬計算中，車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、車體平衡性等各種性能指標(biāo)，均滿足EN 12663-2010《鐵路設(shè)施—鐵路車輛車身的結(jié)構(gòu)要求》，公司試制生產(chǎn)后，由南車四方車輛研究所對車體進(jìn)行了靜強(qiáng)度試驗，并在整車試驗合格后開展了批量生產(chǎn)。

［1］白彥超.出口加納動車組動車車體強(qiáng)度有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.鐵道車輛，2009，47（12）：17-20.

［2］馬紀(jì)軍.車體鋼結(jié)構(gòu)的輕量化研究［J］.鐵道車輛，2005，43（4）：7-10.

［3］EN 12663-2010.鐵道應(yīng)用，鐵路設(shè)施—鐵路車輛車身的結(jié)構(gòu)要求［S］.