城軌車輛不銹鋼車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

【摘要】文章對(duì)輕量化不銹鋼車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹，并重點(diǎn)對(duì)車體選材、輕量化設(shè)計(jì)、激光焊等技術(shù)優(yōu)化進(jìn)行了分析，最后對(duì)不銹鋼車體優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】不銹鋼車體；輕量化；激光焊

目前，國內(nèi)城軌車輛的材質(zhì)主要有不銹鋼和鋁合金兩種。不銹鋼車體由于強(qiáng)度剛度高、耐腐蝕能力強(qiáng)、維護(hù)保養(yǎng)成本低等突出優(yōu)點(diǎn)，越來越受到國內(nèi)軌道車輛制造企業(yè)的重視。近幾年，隨著不銹鋼車體輕量化設(shè)計(jì)取得顯著成功，不銹鋼車體廣泛應(yīng)用于城軌車輛產(chǎn)品，市場份額快速增長。

1.不銹鋼車體結(jié)構(gòu)

不銹鋼車體主要由車頂、底架、側(cè)墻、端墻和司機(jī)室（僅頭車有）五大部件組成，五大部件在專門的總組裝臺(tái)位采用焊接方式聯(lián)接成完整的車體。

2.各主要部件結(jié)構(gòu)

2.1 車頂

車頂分為平頂和弧頂兩部分，平頂用于安裝空調(diào)和受電弓裝置，弧頂由邊梁與彎梁通過連接板點(diǎn)焊在一起，形成骨架結(jié)構(gòu)，在弧頂上面鋪設(shè)波紋板，板、梁間通過自動(dòng)編程點(diǎn)焊連接。平頂能支撐空調(diào)機(jī)組和內(nèi)裝部件以及檢修人員的載荷，設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了平臺(tái)的自身強(qiáng)度、剛度及其對(duì)車體總體強(qiáng)度、剛度的影響，確保能夠順暢傳遞縱向載荷，同時(shí)特別考慮平頂?shù)钠秸纫源_保水密性和平頂流水的順暢。

空調(diào)平頂采用內(nèi)嵌式安裝結(jié)構(gòu)，取消平頂板，減少焊接工作量，降低平頂重量。平頂兩側(cè)設(shè)有集水槽，與排水管相連，平頂?shù)挠晁M(jìn)入集水槽后，通過與之相通的排水管，從底架下部直接排出。車頂風(fēng)道、頂板等設(shè)備通過兩根鋁型材整體吊掛在車頂彎梁上，車頂沒有多余的焊件，結(jié)構(gòu)簡單，檢修維護(hù)方便。

2.2 底架

底架采用無中梁結(jié)構(gòu)，由牽引梁、枕梁、緩沖梁、邊梁、橫梁、波紋地板等組成。底架兩側(cè)為兩根不銹鋼冷彎型鋼邊梁，在它們之間布置不銹鋼主橫梁，主橫梁間距根據(jù)車下吊裝設(shè)備需要進(jìn)行調(diào)整，在主橫梁上部鋪設(shè)不銹鋼波紋地板，可支撐AW3的乘客載荷。不銹鋼邊梁與主橫梁間采用連接板點(diǎn)焊連接。牽引梁、枕梁為箱形組焊結(jié)構(gòu)，受力穩(wěn)定，能夠有效傳遞各種載荷。在底架設(shè)計(jì)時(shí)以安全、可靠為主，兼顧考慮輕量化。邊梁、緩沖梁、波紋地板等為不銹鋼材料，牽引梁、枕梁、端部內(nèi)邊梁為耐候結(jié)構(gòu)鋼材料。

底架的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)碳鋼端部底架的預(yù)先整體噴漆保護(hù)要求，提高碳鋼部分的耐腐蝕能力。

底架枕梁附近設(shè)有八處抬車墊板，滿足車輛的檢修、吊運(yùn)和救援作業(yè)需要，抬車位局部加強(qiáng)，同時(shí)在車體上作指導(dǎo)作業(yè)的標(biāo)記。

頭車底架司機(jī)室端設(shè)有邊緣為齒型的防爬器，在出現(xiàn)撞車事故時(shí)，齒型邊緣可以保證兩列車對(duì)中撞擊，確保沖擊力沿底架傳遞，避免相撞列車之間發(fā)生爬疊現(xiàn)象。齒型防爬器后面設(shè)有吸能裝置，吸能裝置可有效吸收列車撞擊時(shí)產(chǎn)生的能量，使車輛及乘客的損傷降至最低。

2.3 側(cè)墻

側(cè)墻采用模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，由數(shù)個(gè)側(cè)墻單元模塊組成，單元模塊主要由側(cè)墻外板、門立柱、窗立柱、橫梁、側(cè)墻上邊梁等組成。

側(cè)墻是不銹鋼車體外觀最顯眼部位，外觀平整光滑，同時(shí)又是承載的重要部件，門角和窗角為應(yīng)力集中區(qū)，所以在門角、窗角處均設(shè)有補(bǔ)強(qiáng)板。在設(shè)計(jì)、有限元計(jì)算、試驗(yàn)時(shí)將重點(diǎn)關(guān)注側(cè)墻的焊接強(qiáng)度、整體剛度和疲勞壽命等問題，避免車輛在運(yùn)用中產(chǎn)生永久變形和疲勞裂紋。

側(cè)墻立柱與窗上、下橫梁以及內(nèi)層筋板組焊成側(cè)墻單元。門口采用槽型立柱形成門型框架。側(cè)墻梁柱為帽形斷面，與外板點(diǎn)焊后形成箱形結(jié)構(gòu)，加大了斷面系數(shù)，提高了抗彎剛度。門口框架、側(cè)墻單元與通長的縱向側(cè)墻上邊梁以及邊梁上橫梁等部件牢固地連接成一個(gè)整體，并在門角和窗角設(shè)有補(bǔ)強(qiáng)板以減少應(yīng)力集中，從而保證車體在縱向、垂向、扭轉(zhuǎn)等載荷作用下，強(qiáng)度、剛度滿足要求，客室門開、關(guān)運(yùn)動(dòng)自如。圖1為側(cè)墻內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖1 側(cè)墻內(nèi)部結(jié)構(gòu)

側(cè)墻外板采用具有裝飾性的2G表面的不銹鋼磨砂板，不帶波紋和壓筋，便于車輛清洗。采用磨砂板可以使產(chǎn)品具有良好的外觀質(zhì)量，提高產(chǎn)品的商品化程度。

側(cè)墻與內(nèi)裝間通過T型螺栓結(jié)構(gòu)或鉚螺母結(jié)構(gòu)安裝，沒有多余的焊件，結(jié)構(gòu)簡單，使用維護(hù)方便。

2.4 端墻

端墻結(jié)構(gòu)主要由端角柱、端彎梁、門立柱、門檻、橫梁、外端板等組成。端墻將車頂、側(cè)墻、底架有機(jī)的結(jié)合成一體，共同承受車體所受的各種載荷。端墻結(jié)構(gòu)滿足聯(lián)掛載荷的要求，當(dāng)列車發(fā)生撞擊事故時(shí)，能夠防止客室受損，保證乘客的人身安全。在端墻設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮貫通道安裝以及貫通道開口對(duì)車輛整體強(qiáng)度的減弱，對(duì)其做了必要的補(bǔ)強(qiáng)。為了保證端墻的平面度，盡量采用焊接變形量較小的電阻點(diǎn)焊。

端墻板采用整體沖壓成型的模壓件，造型美觀，提高了端墻板自身剛度，取消補(bǔ)強(qiáng)梁。

2.5 司機(jī)室

司機(jī)室的外部造型體現(xiàn)了現(xiàn)代地鐵列車的造型特點(diǎn)，代表著現(xiàn)代城市軌道運(yùn)輸系統(tǒng)的時(shí)尚。司機(jī)室主要由鋼骨架、玻璃鋼外罩、裙板等組成。鋼骨架與玻璃鋼外罩預(yù)組成一體，整體安裝。司機(jī)室兩側(cè)設(shè)有登車腳蹬和扶手。

3.不銹鋼車體技術(shù)優(yōu)化

國內(nèi)外車輛制造企業(yè)在滿足車體相關(guān)強(qiáng)度、剛度要求的前提下，在地鐵用不銹鋼材料的選擇上進(jìn)一步優(yōu)化，選用強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的不銹鋼材料。同時(shí)，結(jié)合不銹鋼激光焊接技術(shù)，在車體的不同部位選用不同強(qiáng)度等級(jí)的薄鋼板，降低車體重量，優(yōu)化不銹鋼車體技術(shù)。

3.1 采用專用不銹鋼結(jié)構(gòu)材料

地鐵車輛車體結(jié)構(gòu)主要采用了符合JISG4305標(biāo)準(zhǔn)的SUS301L、SUS304和符合EN10088-2標(biāo)準(zhǔn)的EN1.4318奧氏體不銹鋼材料。其中，SUS301L不銹鋼材料在壓延調(diào)質(zhì)后可得到不同強(qiáng)度等級(jí)的高強(qiáng)度不銹鋼材料，分為LT、DLT、ST、MT、HT共計(jì)5個(gè)強(qiáng)度等級(jí)，可根據(jù)車體具體承載情況應(yīng)用到不同車體結(jié)構(gòu)部位，減小車體結(jié)構(gòu)所用板材的厚度，從材料方面實(shí)現(xiàn)車體輕量化。

3.2 輕量化車體設(shè)計(jì)

對(duì)于不銹鋼車體，優(yōu)化車體局部結(jié)構(gòu)，降低車體重量。同時(shí)，通過認(rèn)真分析有限元仿真結(jié)果和實(shí)物試驗(yàn)數(shù)據(jù)，保證車體強(qiáng)度、剛度滿足使用要求。

（1）車體

車體設(shè)計(jì)中，應(yīng)用成熟的不銹鋼地鐵的技術(shù)平臺(tái)和結(jié)構(gòu)，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，簡化各種吊掛安裝件的接口結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)車體的輕量化。經(jīng)過輕量化設(shè)計(jì)，點(diǎn)焊不銹鋼車體及其附件重量最低可減為7.9t。

（2）底架

底架采用了滾壓成型的波紋地板，提高地板自身剛度，取消支撐用縱向梁。同時(shí)，優(yōu)化端部底架結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)碳鋼端部底架的預(yù)先整體拋丸噴漆工藝，提高碳鋼部分的耐腐蝕能力。經(jīng)過輕量化設(shè)計(jì)，底架重量可減為3.6t。

（3）車頂

車頂采用滾壓成型的波紋頂板，提高頂板自身剛度，取消支撐用縱向梁。

車頂采用臥式機(jī)組下出風(fēng)模式空調(diào)裝置，優(yōu)化空調(diào)平臺(tái)結(jié)構(gòu)，采用中空框架式空調(diào)平臺(tái)，開發(fā)冷彎異型鋼管承載梁，使承載與排水功能合二為一，取消平頂板。

車頂取消眾多的焊接接口件，代之為鋁型材安裝結(jié)構(gòu)，車頂風(fēng)道、頂板等設(shè)備通過兩根鋁型材整體吊掛在車頂彎梁上。經(jīng)過輕量化設(shè)計(jì)，車頂重量可減輕為1.24t。

（4）端墻

端墻板采用整體沖壓成型的模壓件，提高自身剛度，取消補(bǔ)強(qiáng)梁，減少端墻重量，最低可達(dá)到160kg。

（5）司機(jī)室

司機(jī)室采用預(yù)組工藝，將鋼骨架與玻璃鋼外罩預(yù)先組成一體，利用鋼骨架提高玻璃鋼外罩的成型剛度，取消玻璃鋼內(nèi)部的補(bǔ)強(qiáng)梁。經(jīng)過輕量化設(shè)計(jì)，司機(jī)室（包括頭罩、裙板和腳蹬）重量減為500kg。

圖2 車體有限元計(jì)算整車應(yīng)力云圖

以成熟的地鐵不銹鋼車體的模塊化、輕量化設(shè)計(jì)平臺(tái)為基礎(chǔ)，應(yīng)用上述輕量化方法，車體承載結(jié)構(gòu)重量可控制在8噸以內(nèi)。同時(shí)，在車體有限元仿真分析的基礎(chǔ)上，按照EN12663標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：在各種載荷作用下，各應(yīng)力測點(diǎn)的應(yīng)力及合成應(yīng)力均小于所用材料的許用應(yīng)力，不銹鋼車體結(jié)構(gòu)所檢工況的強(qiáng)度符合EN12663標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

圖3 激光焊接側(cè)墻單元外觀

3.3 激光焊接技術(shù)

目前，各車輛制造企業(yè)均在積極推進(jìn)不銹鋼車體的激光焊接技術(shù)。激光焊接技術(shù)是以聚焦的激光束作為能源轟擊焊件所產(chǎn)生的熱量進(jìn)行焊接的技術(shù)。

激光焊具有以下優(yōu)點(diǎn)：熱輸入量小，焊接速度高；熱變形和殘余應(yīng)力??；疲勞強(qiáng)度高；表面平整度好，美觀大方。

圖3為采用了激光焊接技術(shù)的側(cè)墻單元，整個(gè)側(cè)墻組成后，外露表面不存在點(diǎn)焊焊點(diǎn)，整體外觀效果顯著提高。

4.不銹鋼車體優(yōu)點(diǎn)

不銹鋼車體通過材料改進(jìn)、輕量化設(shè)計(jì)、激光焊等技術(shù)優(yōu)化后，具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：

（1）車體能夠承受800kN的縱向壓縮載荷和640kN的縱向拉伸載荷，車體應(yīng)力不超過設(shè)計(jì)許用應(yīng)力值，不產(chǎn)生永久變形及損壞，并且在30年的工作載荷中不產(chǎn)生疲勞失效。

（2）采用國內(nèi)領(lǐng)先的激光焊接結(jié)構(gòu)和工藝，側(cè)墻平整度和外觀效果明顯。

（3）頭車前端底架安裝獨(dú)立防爬器和吸能元件，此吸能元件經(jīng)過動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)，有效吸收碰撞產(chǎn)生的能量，保證旅客安全。

（4）車體在最大垂直載荷（AW3）作用下靜撓度不超過兩轉(zhuǎn)向架支承點(diǎn)之間距離的1‰。

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作者簡介：張永強(qiáng)（1981—），男，山東濱州人，大學(xué)本科，工程師，現(xiàn)供職于南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，研究方向：鐵道車輛。