地鐵列車前端結構優(yōu)化設計

李 辰

（北方國際合作股份有限公司，北京 100040）

0 前言

近年來，隨著城市軌道交通事業(yè)飛速發(fā)展，地鐵列車設計理念不斷進步，碳鋼方形列車前端已經(jīng)逐漸淡出現(xiàn)代生活，應運而生的玻璃鋼-鋼骨架結構前端以其時尚的造型和靚麗的外觀被推崇。目前采用新結構前端的地鐵列車已普遍投入到各國城市地鐵線路的運營中。然而，傳統(tǒng)的二維繪圖方法難以適應雙曲面復雜形狀結構的設計，所以，新一代地鐵列車的前端設計采用了目前主流的?CAD-CAE?設計方法：通過建立基本的計算機分析模型，對所設計的車輛進行強度、壽命分析，以及運動學、動力學仿真，從而得到車輛的各種性能[1]，指導城市軌道交通車輛設計。

本文以設計實例為基礎，介紹地鐵列車前端三維結構設計的方法和過程[2]。在闡述設計過程中，將通過與既有線路列車前端結構進行比較，暴露目前運營車輛存在的設計問題與安全隱患，著重說明新結構如何規(guī)避原有問題，逐步優(yōu)化提升，以期提供一種標準化的地鐵列車前端設計方法，縮短地鐵車輛整體設計周期，提高設計質量。

1 列車前端的構成

1.1 地鐵車輛鋼結構構成

地鐵車輛鋼結構可以分為前端、車頂、底架、側墻和端墻，通常采用不銹鋼、耐候鋼與鋁合金材料[3]。GB50157《地鐵設計規(guī)范》對車輛限界做出了明確的規(guī)定，除前端外的車體鋼結構基本實現(xiàn)了標準化生產(chǎn)。但前端部分由于需要體現(xiàn)列車個性化外觀，滿足不同地區(qū)的定制化要求，仍屬于非標設計范疇。玻璃鋼-鋼骨架結構前端見圖?1。

圖1 玻璃鋼-鋼骨架結構前端

1.2 前端的主要結構

列車前端可采用焊接或栓接形式與車體鋼結構相連接，內(nèi)部包含司機室，集成了擋風玻璃、車鉤、司機室內(nèi)裝等必備結構和前照燈、遮陽簾、雨刷器、司機臺等諸多設備，是車輛各大系統(tǒng)的交匯點（圖?2）。

一般列車前端結構由前端外罩和前端鋼結構通過連接件栓接而成，并設置設備的安裝接口，本文將詳細介紹前端結構的設計方法。

圖2 列車前端結構

2 前端整體方案設計

2.1 建立整體框架

前端結構采用?Creo2.0?三維軟件進行設計，首先需要建立總組成的三維模型骨架樹形圖（圖?3）。

骨架樹形圖是整個設計的框架，具體的零部件設計是在此框架內(nèi)進行的，在設計過程中，骨架樹形圖也在不斷完善、增加和改進中。

圖3 三維模型骨架樹形圖

建立骨架樹形圖可以理清設計總思路，便于區(qū)別或集合每個子裝配，避免由于參考混亂導致設計疏漏或模型錯誤。

2.2 材質選取

前端組成各零部件根據(jù)其功能與加工工藝不同，所用材質亦不相同（表?1）。

前端外罩造型復雜，要求使用具有較高強度與硬度、較好韌性以及優(yōu)良的耐腐性能的材料。選用聚酯玻璃鋼制造前端外罩，不但可以滿足設計需求，而且加工工藝簡單，適合中小批量生產(chǎn)。

前端鋼結構及連接件采用?06Cr19Ni10?不銹鋼材質，與車體材質保持一致，避免由于材質不同導致與車體接口焊縫發(fā)生電離腐蝕和缺陷。

表1 前端組成部件及所用材料

2.3 確定整體尺寸

前端總體尺寸受到?3?個基本限界的限制，分別為：

（1）車輛外輪廓限界：前端的后端面外輪廓必須與鋼結構外輪廓保持一致（車頂部分可略低于波紋板）；

（2）車輛前端削角：前端屬于車體司機室加長部位，需要滿足車輛設備限界在司機室的削角限制，即從后端面開始向前逐漸收縮；

（3）車下限界：前端在底架以下的部分受車下限界的影響，所有造型及設備必須包絡在限界內(nèi)，避免與線路設備碰撞。

按上述?3?個基本限界對前端進行修正后，整體尺寸即可確定。之后即可根據(jù)整車布置圖確認外觀方案，并合理布置窗口、燈口等分區(qū)，在詳細設計中逐步細化（圖?4）。前端整體布局將作為詳細設計的基礎，整個設計過程在“整體-局部”的交互中逐步改良與細化。

3 前端鋼結構設計

前端鋼結構是前端結構設計的核心，是前端組成強度、剛度的主要提供部分，也是所有其他前端部件裝配的基準參考。它的設計制造精度會直接影響其他部件，尤其是司機室內(nèi)裝和設備的組裝。

前端鋼結構也是車體底架、側墻、車頂和前端外罩連接的橋梁，因此，在進行設計時，必須與接口部位的設計工程師充分溝通，確認連接方式和位置，并隨著設計的深化，逐步細化各自的部件和接口。

3.1 前端鋼結構布局

前端鋼結構的基本功能是支撐前端外罩。從基本功能出發(fā)，鋼結構應布置在前端造型的重要部位，如與側墻和車頂相接的后端面、與底架相連接的底面、窗口、疏散門門口等。

除了支撐和連接作用，前端鋼結構還是整個司機室的安全屏障。

車輛的沖撞一般是緩沖裝置破壞后底架端梁之間的沖撞，但由于列車高速撞擊后前端間的爬升與碾軋，前端部分將成為第?2?個結構吸能區(qū)，如圖?5?所示。

使用非線性有限元分析對車輛碰撞進行模擬，將非動力兩端設計為弱剛度可大變形的吸能區(qū)[4-5]。除了車輛間的互相撞擊，其他形式的碰撞基本直接作用在前端鋼結構之上。為了保證司機的安全，要特別注意下面?2?個問題。

圖4 前端限界及分區(qū)

圖5 車輛撞擊過程

3.1.1 設置中立柱的必要性

北京地鐵?6?號線列車前端鋼結構進行了大幅的精簡，其中間部位采用了徹底開放的形式，沒有設置任何的立柱與橫梁（圖?6）。

圖6 北京地鐵 6 號線列車前端鋼結構

這種結構雖然降低了前端鋼結構的復雜程度，有一定的減重作用，但是一旦發(fā)生撞擊，尤其是前端中部的沖撞，將直接導致外罩變形壓入司機室，存在安全隱患。由此可見，前端中部設置高強度立柱和橫梁，是非常必要的。

3.1.2 立柱與底架直接焊接的必要性

北京地鐵?9?號線與亦莊線車輛采用了相似結構，圈梁與立柱下方均與連接板焊接在一起，在組裝過程中，再將連接板與底架塞焊（圖?7）。

圖7 北京地鐵 9 號線列車前端鋼結構

各立柱并沒有直接與底架焊接在一起，在發(fā)生碰撞時，前端鋼結構將向后移動，撕開在底架與立柱間的連接板，造成鋼結構不能達到預期的剛度。2015?年北京亦莊線事故列車前端嚴重變形，暴露了該結構的不足（圖?8）。

可見，前端鋼結構的主立柱必須與底架直接焊接在一起，才能夠在撞擊時與底架構成整體框架，降低前端的變形量。

3.2 設計方案

充分考慮前端鋼結構的支撐作用和防撞擊作用，即可初步完成鋼結構的梁柱骨架圖（圖?9）。主支撐結構采用了?3?根完整的拉彎立柱來實現(xiàn)，是前端鋼結構最強的部分。

傳統(tǒng)結構（圖10?）中，強度較高的完整橫梁并不在容易受到?jīng)_擊的中部區(qū)域，而首當其沖的立柱多處拼焊且在橫梁處斷開，鋼結構整體布置不合理。與之比較，當前采用的整體立柱結構擁有更好的剛度與防撞擊性能。

3.3 前端鋼結構梁柱設計

3.3.1 圈梁設計

圈梁是前端鋼結構與車頂、側墻和底架連接的部件，也是前端鋼結構的設計基準。圈梁采用?U?形斷面，與其他橫梁的交匯處需要補焊加強筋，以傳遞沖擊力（圖?11）。

建議圈梁采用拉彎加工并拼焊成型的方法制造。北京地鐵?5?號線車輛圈梁采用了底板與壓彎角鋼整體焊接成型的方法，由于焊接量過大，整體變形難以控制（圖?12）。

圖8 北京亦莊線事故列車

圖9 前端鋼結構的梁柱骨架

圖10 北京地鐵 5 號線車輛前端鋼結構

3.3.2 主支撐結構設計

前端鋼結構以中立柱及兩側的窗立柱、門立柱組成主支撐結構，用以支撐前端外罩并承受撞擊力（圖13）。立柱采用大斷面的槽鋼制成，保證立柱的剛度。在支撐位置加焊加強板，使補強橫梁與立柱焊接充分。

3.3.3 窗區(qū)支撐結構

窗上橫梁、窗下橫梁、門上橫梁、門檻橫梁均采用U?形梁結構，設置與前窗、緊急疏散門以及前端外罩的接口。除此之外，還可連接支撐?3?根主立柱，增強整體剛度。

圖11 圈梁的結構

圖12 北京地鐵 5 號線車輛圈梁結構

圖13 主支撐結構

雨刷安裝立柱主要用于雨刷器的安裝，并通過與底架的焊接在一定程度上加強司機前方鋼結構的強度。

門區(qū)、窗區(qū)支撐結構見圖?14。

圖14 門區(qū)、窗區(qū)支撐結構

4 前端外罩設計

由于前端造型不斷復雜化、個性化，其成型工藝使玻璃鋼材質取代金屬材質成為軌道車輛前端外罩的主要材料。設計階段完成的三維模型就是開模的原始數(shù)據(jù)，是前端組成設計中最復雜的部分。

4.1 外觀面處理

對整個前端的造型曲面進行分析和處理，切除曲面中的開口部分（擋風玻璃、疏散門口等），最后將處理完的曲面進行加厚或抽殼得到均勻壁厚的實體（圖15）。

圖15 前端外罩曲面的處理

4.2 開口區(qū)域設計

以窗區(qū)設計為例，外罩設置凹槽作為擋風玻璃的粘接區(qū)域，并防止外力將玻璃壓入司機室（圖?16）。

外罩翻邊一直延伸到司機室內(nèi)部，在方便與鋼結構組裝的同時與司機室內(nèi)裝搭接，解決內(nèi)裝板在窗口的過渡問題。

圖16 前端外罩窗區(qū)設計

對比北京地鐵?2?號線列車，其玻璃鋼外罩窗口向內(nèi)的翻邊不與司機室內(nèi)裝相連接，導致內(nèi)裝必須與玻璃配合，需要反復修磨內(nèi)裝窗口區(qū)域使其貼合玻璃曲面（圖17），工藝復雜、揚塵大而且不美觀，必須加裝窗膠條。改良后的設計較好地解決了這個問題。

圖17 北京地鐵 2 號線車輛外罩窗區(qū)設計

4.3 設備安裝區(qū)域設計

設備安裝區(qū)域的設計以所裝設備的模型為基礎，將外購設備的外輪廓與安裝接口作為參考，設計翻邊、開孔以及安裝板等。設計完畢后，須校核設備安裝可調量及操作空間是否充足。前端下部設置車鉤開口，與前照燈、防爬器等靜態(tài)設備不同，車鉤屬于運動部件，除考慮靜態(tài)接口外，還需考慮車鉤左右各?30°、向上?15°的移動量。前端外罩設置的開口須在車鉤運動量以外增加20%?的安全余量，避免碰撞（圖18）。

圖18 設備安裝接口設計

5 前端外罩與鋼結構的連接

前端鋼結構與玻璃鋼外罩的連接主要采用連接角鐵配合調整螺栓的方式來固定，連接角鐵上適當設置長圓孔，保證在外罩和鋼結構組裝時有一定的調整量。

連接角鐵的布置主要根據(jù)前端整體尺寸均分得到基本連接位置，如圈梁部分的連接。對于窗口、門口等重要位置，則需要靈活配置和設計連接角鐵，使其滿足具體部位的結構特點，保證連接強度并易于操作。鋼結構與外罩的連接如圖?19?所示。

圖19 鋼結構與外罩的連接

6 模型校核

前端所有的零部件完成設計后，需要對整個裝配體進行校核，該步驟是三維設計區(qū)別于傳統(tǒng)設計的重要優(yōu)勢。它將保證最終的產(chǎn)品不會出現(xiàn)靜態(tài)干涉和裝配干涉，最大程度上實現(xiàn)“零差錯”。

6.1 靜態(tài)干涉檢查

靜態(tài)干涉檢查是模型校核的基礎，通過軟件干涉分析，即可得出干涉部位的位置、干涉零件的名稱以及干涉體積。剖開干涉位置，發(fā)現(xiàn)窗立柱尖角與外罩內(nèi)壁干涉，位置非常隱蔽，現(xiàn)車生產(chǎn)中將造成外罩與鋼結構卡死，無法調整，難以達到要求的尺寸，需將立柱與外罩內(nèi)壁留有一定的調整空間。靜態(tài)干涉檢查如圖?20?所示。

圖20 靜態(tài)干涉檢查

6.2 裝配干涉檢查

裝配干涉檢查用于解決零件裝配中出現(xiàn)的干涉問題。如圖?21?所示，前端外罩下部區(qū)域與底架已經(jīng)設有豁口，不存在靜態(tài)干涉。前端外罩需要從外部裝配到車體鋼結構上，下部插接到底架鋼結構，在向內(nèi)裝配過程中，外罩與底架鋼結構的底架吊耳干涉，因此，需要增大外罩下部開口的尺寸，避免在實際裝配過程中不必要的修磨與延誤。

圖21 發(fā)現(xiàn)干涉區(qū)域

7 結論

本文通過對地鐵車輛前端設計方法的介紹，總結了既往經(jīng)驗，吸收利用優(yōu)秀的設計成果，分析優(yōu)化不合理的結構形式，力求規(guī)范不銹鋼地鐵列車前端設計，從而使前端設計更加高效準確，實現(xiàn)“無差錯”。

[1] 朱軼. 半掛牽引車車架有限元分析[D]. 安徽合肥：合肥工業(yè)大學，2009.

[2] 李莉，劉天賦，敬俊娥. 北京4號線地鐵車輛三維設計方法[J]. 鐵道車輛，2010，48（1）：22-25．

[3] 商躍進，王清永，駱炎. 地鐵車輛車體結構設計方法研究[J]. 城市公共交通，2006（8）：30-33.

[4] 單其雨，肖守訥，陽光武. 車輛吸能裝置結構的耐碰撞性研究[J] ．鐵道機車車輛，2009，29（6）：7-9.

[5] 賈寧，肖守訥. 耐碰撞車體吸能裝置的薄壁結構研究[J]. 鐵道車輛，2005，43（5）：6-10.