侯新英,馬 凱,安海亮,劉曉光(南車(chē)四方車(chē)輛有限公司,山東 青島 266000)
160公里出口內(nèi)燃動(dòng)車(chē)組動(dòng)車(chē)車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
侯新英,馬凱,安海亮,劉曉光
(南車(chē)四方車(chē)輛有限公司,山東青島266000)
介紹了出口內(nèi)燃動(dòng)車(chē)組的主要技術(shù)參數(shù)、車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)主要部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)計(jì)算和設(shè)計(jì)驗(yàn)證等。
出口內(nèi)燃動(dòng)車(chē)組;車(chē)體鋼結(jié)構(gòu);強(qiáng)度;有限元
出口內(nèi)燃動(dòng)車(chē)組(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“動(dòng)車(chē)組”)項(xiàng)目是南車(chē)四方車(chē)輛有限公司承接的出口內(nèi)燃動(dòng)車(chē)組項(xiàng)目,共10列,每列編組為2動(dòng)+8拖,主要用途為短途旅客運(yùn)輸。
根據(jù)《160km/hAC-DC內(nèi)燃動(dòng)車(chē)組技術(shù)規(guī)格書(shū)》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《技術(shù)規(guī)范》)和總計(jì)《設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)格書(shū)》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)格書(shū)》)要求,車(chē)體結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度需符合EN12663-2010《鐵路應(yīng)用鐵路車(chē)輛車(chē)體結(jié)構(gòu)要求》中P-II類(lèi)的載荷規(guī)定;司機(jī)室結(jié)構(gòu)瞭望空間及強(qiáng)度按UIC651-1990(C)《機(jī)車(chē)、動(dòng)車(chē)、動(dòng)車(chē)組和駕駛拖車(chē)的司機(jī)室設(shè)計(jì)》中載荷工況的規(guī)定和瞭望要求執(zhí)行。
編組形式為:+D1+T1+T2+T2+T2+T4+T3+T3+T3+D1+,其中D1為動(dòng)車(chē),T1為一等座車(chē),T2為二等座車(chē),T3為軟臥車(chē),T4為餐車(chē),“+”為半自動(dòng)車(chē)鉤并配備過(guò)渡車(chē)鉤與CA-3車(chē)鉤連掛;動(dòng)車(chē)組允許兩列重聯(lián)。
動(dòng)車(chē)的前端為司機(jī)室,其兩側(cè)設(shè)置鋼制折頁(yè)門(mén)用于司機(jī)的上下車(chē);在車(chē)體中部?jī)蓽y(cè)設(shè)置折頁(yè)門(mén)用于設(shè)備操作人員的使用。在司機(jī)室上方的平頂安裝司機(jī)室空調(diào)機(jī)組,車(chē)體中部安裝柴油發(fā)電機(jī)組,一、二位端安裝輔助設(shè)備;在相應(yīng)的車(chē)頂位置設(shè)置活蓋便于設(shè)備安裝及檢修;車(chē)下安裝蓄電池箱、燃油箱、過(guò)渡車(chē)鉤等設(shè)備。圖1為動(dòng)車(chē)的平面布置圖。
在車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)《技術(shù)規(guī)范》及《規(guī)格書(shū)》中涉及的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了認(rèn)真的解讀,分析了動(dòng)車(chē)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及所承受載荷特點(diǎn),最終確定車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)采用整體承載、內(nèi)走廊式全碳鋼焊接結(jié)構(gòu);車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)主要由司機(jī)室、底架、車(chē)頂、側(cè)墻、端墻、隔墻、排障器、裙板及附屬設(shè)備組成,見(jiàn)圖2。
車(chē)頂彎梁、側(cè)墻立柱、底架橫梁采用箱型梁設(shè)計(jì),尤其是底架機(jī)組橫梁組成,是主要承載部件,采用大截面的箱型梁設(shè)計(jì),滿足柴油機(jī)組的公共底架和載荷要求,提高車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)的垂向剛度。制定了《車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)格書(shū)》,確定了車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)各部位的材質(zhì)和主要鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路。
為充分保證車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,對(duì)主要承載結(jié)構(gòu)(底架橫梁、邊梁、枕梁、底架邊梁等)的焊縫做出明確的規(guī)定。如板材厚度大于5mm時(shí),采用坡口焊接。并在《鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)條件》中規(guī)定了車(chē)體各部位鋼結(jié)構(gòu)的焊接執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)、焊接方式和焊接的質(zhì)量等級(jí)等。
通過(guò)多次對(duì)車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度計(jì)算與模態(tài)計(jì)算分析,不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),最終滿足《技術(shù)規(guī)范》和《規(guī)格書(shū)》中規(guī)定的EN12663標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的條款。
3.1 端隔墻鋼結(jié)構(gòu)
端墻鋼結(jié)構(gòu)主要由端角柱、端頂,風(fēng)擋安裝座及各種電氣聯(lián)接器座組成。總裝時(shí)端角柱、端頂與底架、側(cè)墻、車(chē)頂焊接,有效增強(qiáng)車(chē)體強(qiáng)度。由于動(dòng)車(chē)與拖車(chē)鐵地板存在高度差,通過(guò)降低動(dòng)車(chē)風(fēng)擋安裝座高度,使其低于動(dòng)車(chē)鐵地板面,從而解決高度差的問(wèn)題。動(dòng)車(chē)通過(guò)端墻上的電氣連接器座實(shí)現(xiàn)與拖車(chē)之間的走線。
隔墻鋼結(jié)構(gòu)分為電氣室隔墻、冷卻室隔墻和供電室隔墻,主要用于將車(chē)體各個(gè)室分隔開(kāi)來(lái),起到一定的隔音降噪及密封的效果,通過(guò)隔墻與底架、側(cè)墻、車(chē)頂焊接,增強(qiáng)車(chē)體強(qiáng)度。同時(shí),隔墻承載部分電氣件的安裝。
3.2 側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)
側(cè)墻采用框架式側(cè)壁承載結(jié)構(gòu),主要由側(cè)墻板、立柱、橫梁、上邊梁、門(mén)框及濾清窗組成。因?yàn)檐?chē)體整體承載,側(cè)墻會(huì)受到機(jī)組的垂向載荷,為了滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和安裝要求,立柱與橫梁的截面以及作為主要受力部件的上邊梁截面均采用封閉式箱型結(jié)構(gòu),從而增強(qiáng)側(cè)墻的整體承載能力。
側(cè)墻濾清窗采用機(jī)械式空氣分離過(guò)濾器結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)利用離心作用力的沉積原理清除空氣中的塵土、液滴、昆蟲(chóng)和雪花。采用鋁合金材質(zhì),重量輕,結(jié)構(gòu)能有效提高過(guò)濾效率,達(dá)到最低能量損失和最近壓降。
3.3底架鋼結(jié)構(gòu)
底架由前端組成、后端組成、機(jī)組橫梁、左右邊梁四大主要部分及風(fēng)道、輔助橫梁、縱梁以及梁間或梁上的鐵地板等輔助部分組成,如圖3所示。底架鋼結(jié)構(gòu)是車(chē)體的主要受力部件,安裝有牽引柴油發(fā)電機(jī)組、供電柴油發(fā)電機(jī)組、電氣控制柜、車(chē)下燃油箱等重載設(shè)備;同時(shí),通過(guò)車(chē)端車(chē)鉤連接裝置、枕梁牽引拉桿座等結(jié)構(gòu)裝置傳遞機(jī)車(chē)運(yùn)行所需的牽引力、制動(dòng)力等多種復(fù)雜載荷。在設(shè)計(jì)過(guò)程中,采用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)方案多次仿真分析,最終優(yōu)化了設(shè)計(jì)方案。
3.3.1前端組成
包括枕梁組成、牽引梁、緩沖梁、斜撐組成、箱型結(jié)構(gòu)和橫梁組成。枕梁組成除彈簧座、牽引拉桿座外,整體為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu),高度280mm,寬度1454mm;由上下蓋板、枕梁腹板和縱橫向立板組成封閉箱體,箱體內(nèi)腔借助縱橫向立板、枕梁下蓋板、輔助蓋板(Q355GNH)形成風(fēng)道,風(fēng)道縱向貫穿枕梁。牽引拉桿座與枕梁下蓋板組焊,用于傳遞轉(zhuǎn)向架的牽引力和制動(dòng)力;為保證強(qiáng)度,枕梁下蓋板采用材質(zhì)Q345C厚鋼板,同時(shí),在枕梁內(nèi)腔焊接與牽引拉桿座立板相對(duì)應(yīng)的加強(qiáng)筋板,以增強(qiáng)牽引拉桿座傳遞載荷的連續(xù)性;枕梁腹板采用與下蓋板等厚Q345C鋼板,與下蓋板焊接處開(kāi)雙面坡口,雙面焊;與上蓋板焊接處開(kāi)單側(cè)坡口,單面焊。枕梁組成與邊梁組成組焊為L(zhǎng)型斷面,焊接均為坡口焊。
3.3.2后端組成
后端組成與前端組成結(jié)構(gòu)基本一致。作為不同點(diǎn),緩沖梁組成為獨(dú)立組成,由36a槽鋼與壓型鋼板組成形成,高度827mm。緩沖梁組成與牽引梁組成、邊梁組成和后端箱體結(jié)構(gòu)組焊,形成局部大截面剛性結(jié)構(gòu),對(duì)縱向牽引載荷具有良好的適應(yīng)性能。
3.3.3機(jī)組橫梁
機(jī)組橫梁同時(shí)承擔(dān)牽引柴油機(jī)組安裝和燃油箱安裝。由兩根縱梁、兩根橫梁組焊成框架式結(jié)構(gòu),縱梁為階梯斷面,橫梁為箱型斷面;機(jī)組橫梁組成與邊梁組成組焊,并通過(guò)小縱梁將前后端組成聯(lián)接成整體。為提高兩根橫梁與邊梁組成的焊接強(qiáng)度,除在橫梁端部,將橫梁立板、上下蓋板均開(kāi)置單側(cè)全透坡口外,根據(jù)車(chē)體底架邊界條件,適當(dāng)增加橫梁寬度為470mm;經(jīng)計(jì)算,該結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高,剛度好,能夠滿足重載設(shè)備件的安裝。
3.3.4底架邊梁
邊梁組成,作為底架鋼結(jié)構(gòu)重要受力部件,承受一定的縱向力和橫向力,采用36a槽鋼與8mm厚鋼板組焊,封閉腔內(nèi)對(duì)應(yīng)橫梁立板、枕梁腹板增設(shè)筋板。邊梁組成中設(shè)計(jì)有轉(zhuǎn)向架搖頭止擋,結(jié)構(gòu)為封閉組焊盒體。
3.4車(chē)頂鋼結(jié)構(gòu)
車(chē)頂鋼結(jié)構(gòu)由板梁焊接成型,主要有端頂、邊梁、縱梁、安裝座、活蓋和車(chē)頂板組成。車(chē)頂鋼結(jié)構(gòu)下部與側(cè)墻相聯(lián),上部安裝有動(dòng)車(chē)頂部設(shè)備和活蓋。其由蒙皮、骨架、電氣室活蓋、動(dòng)力室活蓋、冷卻室活蓋、供電室活蓋及供電控制室活蓋組成。電氣室活蓋上安裝有空氣過(guò)濾裝置,冷卻室活蓋上安裝有柴油機(jī)冷卻散熱器。
為保證車(chē)體具有良好的密封性,保護(hù)車(chē)內(nèi)設(shè)備,車(chē)頂鋼結(jié)構(gòu)上對(duì)應(yīng)各室的車(chē)頂活蓋通過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的拉緊裝置與車(chē)頂鋼結(jié)構(gòu)骨架聯(lián)接。
3.5司機(jī)室
司機(jī)室主要結(jié)構(gòu)有玻璃鋼頭罩、玻璃鋼裙板、玻璃鋼導(dǎo)流罩、司機(jī)室鋼骨架等組成。頭部梁結(jié)構(gòu)采用矩形截面的板梁,因其無(wú)翼板,不存在翼板翹曲或腹板扭曲的問(wèn)題,可以將其設(shè)計(jì)為平面曲梁,如圖4所示。司機(jī)室鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足UIC651中的相關(guān)要求,材質(zhì)選用Q355GNH或Q345型材焊接而成。
為了便于安裝玻璃鋼頭罩、裙板等結(jié)構(gòu),在玻璃鋼內(nèi)部預(yù)埋了安裝件,在骨架上焊接了連接件。為了保證玻璃鋼與鋼結(jié)構(gòu)的密封及結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,采用高強(qiáng)度、耐高溫的粘膠將玻璃鋼與鋼結(jié)構(gòu)粘接。通過(guò)這種工藝,同時(shí)粘膠也可以補(bǔ)償由于制造工藝而產(chǎn)生的鋼結(jié)構(gòu)誤差。頭部梁結(jié)構(gòu)采用矩形截面的板梁,因其無(wú)翼板,不存在翼板翹曲或腹板扭曲的問(wèn)題,可以將其設(shè)計(jì)為平面曲梁。為了便于安裝玻璃鋼頭罩、裙板等結(jié)構(gòu),在玻璃鋼內(nèi)部預(yù)埋了安裝件,在骨架上焊接了連接件。為了保證玻璃鋼與鋼結(jié)構(gòu)的密封及結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,采用高強(qiáng)度、耐高溫的粘膠將玻璃鋼與鋼結(jié)構(gòu)粘接。通過(guò)這種工藝,同時(shí)粘膠也可以補(bǔ)償由于制造工藝而產(chǎn)生的鋼結(jié)構(gòu)誤差。
3.6開(kāi)閉機(jī)構(gòu)
為了保證動(dòng)車(chē)組的整體流線型結(jié)構(gòu),在司機(jī)室的前端設(shè)置開(kāi)閉機(jī)構(gòu),用于導(dǎo)流罩的開(kāi)閉機(jī)構(gòu),其主要有轉(zhuǎn)臂、底座、鎖、伸縮臂等組成。
開(kāi)閉機(jī)構(gòu)通過(guò)底座安裝在底架上,將導(dǎo)流罩連接在轉(zhuǎn)臂上,通過(guò)鎖裝置實(shí)現(xiàn)導(dǎo)流罩的開(kāi)閉。
3.7排障器
排障器通過(guò)不銹鋼螺栓固定于車(chē)頭底架,安裝檢修方便,主要作用是排除軌道內(nèi)側(cè)的障礙物,如雪、沙、石等。其主要由耐候鋼板焊接而成,頭部呈犁頭狀,整體與車(chē)頭吻合。此形狀有利于切入諸如積雪等障礙物,其排障板可以在20mm范圍內(nèi)上下調(diào)節(jié),這樣軌面上的微小障礙物都能排除掉。當(dāng)排障器所受較大沖擊力時(shí),沖擊力通過(guò)斜撐傳到車(chē)體,從而減弱了由于沖擊引起的震動(dòng)。
4.1有限元模型的處理
動(dòng)車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)在橫向和縱向都不具有完全的對(duì)稱(chēng)性,為使車(chē)體計(jì)算模型與實(shí)際車(chē)體結(jié)構(gòu)保持一致,從而保證計(jì)算結(jié)果的有效性,計(jì)算采用整車(chē)計(jì)算模型。
將車(chē)體結(jié)構(gòu)用薄板組合結(jié)構(gòu)來(lái)模擬,選用板殼單元對(duì)車(chē)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化處理,單元尺寸按25mm進(jìn)行離散。車(chē)體有限元力學(xué)計(jì)算模型中有869474個(gè)殼單元、11974個(gè)質(zhì)量單元、7248個(gè)彈簧單元、152307個(gè)體單元和794209個(gè)節(jié)點(diǎn)。
4.2計(jì)算工況的確定
根據(jù)《技術(shù)規(guī)范》要求,在車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)EN12663-2010、UIC651-1990(C)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了解讀,最終對(duì)車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了24個(gè)工況的靜強(qiáng)度和模態(tài)分析。
工況1:1.3M1*g垂向載荷
工況2:M1(+M4)*g+1500kN縱向壓縮
工況3:M1*g(+M4)+1000kN縱向拉伸
工況4:M1*g+400kN司機(jī)室地板上方壓縮
工況5:M1*g+300kN司機(jī)室窗下橫梁壓縮
工況6:M1*g+300kN二位端車(chē)頂端部壓縮
工況7:1.1M1*g一位端復(fù)軌位提升車(chē)體
工況8:1.1M1*g二位端復(fù)軌位提升車(chē)體
工況9:1.1M1*g整體起吊
工況10:1.1M1*g內(nèi)駕車(chē)墊板駕車(chē)
工況11:M1*g設(shè)備縱向正向3g沖擊
工況12:M1*g設(shè)備縱向反向3g沖擊
工況13:M1*g設(shè)備橫向正向1g沖擊
工況14:M1*g設(shè)備橫向反向1g沖擊
工況15:M1*g設(shè)備垂向正向1g沖擊
工況16:M1*g設(shè)備垂向反向1g沖擊
工況17:M1*g高圓簧座橫向正向沖擊
工況18:M1*g高圓簧座橫向反向沖擊
工況19:M1*g高圓簧座縱向正向沖擊
工況20:M1*g高圓簧座縱向反向沖擊
工況21:不計(jì)轉(zhuǎn)向架的重量下的振動(dòng)模態(tài)
工況22:整車(chē)質(zhì)量下的振動(dòng)模態(tài)
工況23:1.3M1*g下的穩(wěn)定性
工況24:M1*g+1500kN下的穩(wěn)定性
4.3計(jì)算結(jié)果
通過(guò)對(duì)車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算分析,得出以下結(jié)論:(1)整備狀態(tài)下車(chē)體結(jié)構(gòu)在各種起吊工況下的垂向變形值滿足垂向剛度的要求;(2)車(chē)體結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度滿足EN12633-1:2010標(biāo)準(zhǔn)的要求;(3)車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)的一階垂直彎曲振動(dòng)頻率值為11.472Hz,整備狀態(tài)下的車(chē)體一階垂直彎曲振動(dòng)頻率值為11.12Hz,滿足不低于1.4倍轉(zhuǎn)向架的點(diǎn)頭和浮沉最大振動(dòng)頻率(7Hz)的要求;(4)在極限垂向載荷及縱向壓縮載荷工況下,車(chē)體的一階屈曲載荷因子λ最小值分別為1.548和1.667,滿足標(biāo)準(zhǔn)中最小1.5的要求。
5.1車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)布點(diǎn)
根據(jù)計(jì)算結(jié)果及類(lèi)似車(chē)運(yùn)行的反饋,對(duì)車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)主要的受力點(diǎn)進(jìn)行布點(diǎn)檢測(cè),共242個(gè)。
5.2試驗(yàn)工況確定
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求和試驗(yàn)工裝,最終對(duì)車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)的13個(gè)工況進(jìn)行了車(chē)體靜強(qiáng)度的試驗(yàn)。
工況1垂向載荷試驗(yàn)
工況2車(chē)鉤區(qū)域1500kN壓縮載荷+垂向載荷m1
工況3車(chē)鉤區(qū)域1500kN壓縮載荷+垂向載荷m1+m4
工況4車(chē)鉤區(qū)域1000kN拉伸載荷+垂向載荷m1
工況5車(chē)鉤區(qū)域1000kN拉伸載荷+垂向載荷m1+m4
工況6一位端腰帶高度300kN壓縮載荷+垂向載荷m1
工況7二位端地板上方150mm400kN壓縮載荷+垂向載荷m1
工況8二位端腰帶高度300kN壓縮載荷+垂向載荷m1
工況9二位端上邊梁高度300kN壓縮載荷+垂向載荷m1
工況10一位端抬車(chē)試驗(yàn)
工況11二位端抬車(chē)試驗(yàn)
工況12整車(chē)抬車(chē)試驗(yàn)
工況13支承點(diǎn)移位抬車(chē)試驗(yàn)
5.3試驗(yàn)結(jié)果
(1)整備狀態(tài)下車(chē)體結(jié)構(gòu)在各種起吊工況下的垂向變形值滿足垂向剛度的要求;
(2)在極限垂向載荷及縱向壓縮載荷試驗(yàn)結(jié)果表明,該車(chē)的強(qiáng)度滿足EN12663-1:2010《鐵路應(yīng)用—軌道車(chē)輛車(chē)體結(jié)構(gòu)要求—第一部分:機(jī)車(chē)和客車(chē)(P-Ⅱ)》的有關(guān)要求。
通過(guò)動(dòng)車(chē)車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)有限元分析及靜強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證,得到以下結(jié)論:(1)動(dòng)車(chē)車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足EN12663-1:2010《鐵路應(yīng)用—軌道車(chē)輛車(chē)體結(jié)構(gòu)要求—第一部分:機(jī)車(chē)和客車(chē)》的P-Ⅱ類(lèi)要求;(2)垂向剛度滿足《鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)條件》的要求;(3)窗角、牽枕緩、司機(jī)室門(mén)框等高應(yīng)力集中區(qū)試驗(yàn)結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求;(4)計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果的幅值有一定的差別,但應(yīng)力的變化趨勢(shì)相同。
[1]動(dòng)車(chē)車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)制造技術(shù)條件[Z].南車(chē)四方車(chē)輛有限公司,2013.
[2]動(dòng)車(chē)車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度試驗(yàn)大綱[Z].南車(chē)四方車(chē)輛有限公司,2013.
[3]動(dòng)車(chē)車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度、振動(dòng)模態(tài)及穩(wěn)定性計(jì)算分析報(bào)告[D].西南交通大學(xué),2013.
[4]動(dòng)車(chē)車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度試驗(yàn)報(bào)告[Z].四方車(chē)輛研究所,2013.