論軌道交通鋁合金車體的設(shè)計(jì)

牛煒霖

上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司 上海 200245

1 研究背景

車體是車輛結(jié)構(gòu)的主體,車輛運(yùn)行的安全性、可靠性、舒適性由車體的強(qiáng)度和剛度決定,車輛的外觀、壽命、檢修制度由車體的耐腐蝕能力決定,車體材料則可以決定車體的結(jié)構(gòu)形式、性能、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)[1-2]?？梢?車體的設(shè)計(jì)思路和原則在軌道交通車輛的設(shè)計(jì)過程中非常重要。軌道交通鋁合金車體具有優(yōu)良性能,經(jīng)過數(shù)年的技術(shù)革新,由傳統(tǒng)的幾千甚至幾萬個(gè)零件組焊而成結(jié)構(gòu)發(fā)展為沒有骨架的雙殼型材結(jié)構(gòu),即輕量化鋁合金型材焊接結(jié)構(gòu)[3]。上海軌道交通15號線車輛車體采用鋁合金大斷面組合式擠壓型材焊接結(jié)構(gòu),如圖1所示。

2 設(shè)計(jì)思路

在進(jìn)行軌道交通鋁合金車體設(shè)計(jì)時(shí),首先要確定車體概念設(shè)計(jì)方案。概念設(shè)計(jì)方案主要包括車體橫斷面、各大部件初步方案圖、各部件之間接口等。

圖1 上海軌道交通15號線車輛鋁合金車體

車體概念設(shè)計(jì)方案的思路如下:首先根據(jù)技術(shù)規(guī)格書中給定的限界參數(shù)、車輛參數(shù)、車門參數(shù)、車窗參數(shù)及轉(zhuǎn)向架安裝面距離軌面的高度參數(shù)等因素,綜合考慮確定車體橫斷面,然后根據(jù)各部件受力情況分析確定型材截面及壁厚;車體斷面輪廓需要根據(jù)車輛限界標(biāo)準(zhǔn)和用戶要求來確定,設(shè)計(jì)時(shí)盡量最大化利用限界空間;車體斷面輪廓初步確定后,根據(jù)技術(shù)規(guī)格書及其它系統(tǒng)接口需求來確定車輛各子系統(tǒng)的安裝形式,進(jìn)一步細(xì)化車體斷面,空調(diào)系統(tǒng)安裝形式、排水方式等都會影響車體斷面的設(shè)計(jì)。

上海軌道交通15號線車輛車頂設(shè)置有空調(diào)機(jī)組安裝平臺和受電弓安裝平臺,空調(diào)機(jī)組安裝平臺四角處設(shè)置有內(nèi)置排水管,空調(diào)冷凝水經(jīng)內(nèi)置排水管流至車頂邊梁雨檐,通過端部排出。上海軌道交通15號線車輛車頂斷面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 上海軌道交通15號線車輛車頂斷面結(jié)構(gòu)

對于型材斷面的設(shè)計(jì),在有強(qiáng)度、剛度要求的部位,需要增大壁厚。上海軌道交通15號線車輛車體側(cè)墻為整體承載結(jié)構(gòu),由側(cè)墻板型材及立柱組焊而成,側(cè)墻板型材壁厚為3 mm。考慮到客室車窗安裝,側(cè)墻窗口開口處型材壁厚加大至5 mm,以保證車窗的安裝強(qiáng)度。上海軌道交通15號線車輛車體側(cè)墻板型材如圖3所示。

圖3 上海軌道交通15號線車輛車體側(cè)墻板型材

確定各大部件方案圖,需要依據(jù)技術(shù)規(guī)格書及其它子系統(tǒng)的安裝需求來完成,如側(cè)門寬度、門間距、底架兩枕梁中心距、車鉤安裝高度、車鉤安裝面位置等。根據(jù)以上參數(shù),設(shè)計(jì)出車體的各大部件方案圖,圖中應(yīng)包含車體組成各部位長度、寬度及相關(guān)關(guān)鍵尺寸。上海軌道交通15號線車輛車體各大部件方案圖如圖4所示。

圖4 上海軌道交通15號線車輛車體各大部件方案圖

對于車體各部件間的接口關(guān)系及與其它系統(tǒng)的接口關(guān)系、車體斷面、各部件方案圖,三者應(yīng)該同步考慮和確定,因?yàn)槿呦嗷リP(guān)聯(lián),相互影響。在確定三者時(shí),需要綜合考慮車體承受的各種載荷情況及技術(shù)規(guī)格書中所規(guī)定的車輛參數(shù),進(jìn)而使車體結(jié)構(gòu)達(dá)到最優(yōu)。

車體方案設(shè)計(jì)完成后,建立車體的初步三維模型,進(jìn)行車體強(qiáng)度計(jì)算,以驗(yàn)證車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。驗(yàn)證通過后,進(jìn)行二維圖紙?jiān)敿?xì)設(shè)計(jì),以指導(dǎo)生產(chǎn)。在此階段仍需進(jìn)行大量細(xì)節(jié)工作,保證車體與其它系統(tǒng)零部件的安裝安全、可靠。

車體進(jìn)入生產(chǎn)階段后,基于實(shí)際生產(chǎn)中遇到的問題可進(jìn)一步驗(yàn)證車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理,對不合理的部分進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。車體生產(chǎn)完成后,進(jìn)入首車驗(yàn)證分析階段。在此階段要做好分析總結(jié),將生產(chǎn)過程中的經(jīng)驗(yàn)融入圖紙,更好地指導(dǎo)車體生產(chǎn)。

3 設(shè)計(jì)原則

軌道交通鋁合金車體的設(shè)計(jì)原則主要包括車體材料選用原則、車體強(qiáng)度和剛度原則、滿足設(shè)備安裝原則、車體制造工藝性原則。

3.1 車體材料選用原則

對于車體材料的選用,不僅要求具有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和剛度,而且要求具有良好的焊接性能。國內(nèi)目前的鋁合金系主要有1000系純鋁系、2000系鋁銅系、3000系鋁錳系、4000系鋁硅系、5000系鋁鎂系、6000系鋁硅鎂系、7000系鋁鋅鎂系、8000系其它元素為主系列[4-5]。其中,6000系鋁硅鎂系合金是國內(nèi)鋁合金牌號中的鍛鋁合金,具有良好的抗腐蝕性能和焊接性能,可熱處理強(qiáng)化,無應(yīng)力腐蝕傾向,具有極佳的壓力加工成型性。此系鋁合金國產(chǎn)化技術(shù)成熟,國內(nèi)材料供應(yīng)商都已具備相當(dāng)?shù)募夹g(shù)水平和生產(chǎn)能力,代表產(chǎn)品有EN AW 6005A型材、EN AW 6082板材[6]。5000系鋁鎂系是我國鋁合金牌號中的防銹鋁,具有良好的抗腐蝕性能和焊接性能,屬于不可熱處理強(qiáng)化合金,強(qiáng)度中等,塑性較高,代表產(chǎn)品有EN AW 5083板材[7]。

綜上所述,車體結(jié)構(gòu)中的主要承載結(jié)構(gòu)件選用6000系鋁硅鎂系合金中的EN AW 6005A型材、EN AW 6082板材,以及5000系鋁鎂系合金中的EN AW 5083板材。上海軌道交通15號線車輛車體選用性能優(yōu)良的EN AW 6005A型材,牽引梁選用6082和5083鋁材。

3.2 車體強(qiáng)度和剛度原則

車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的最基本原則是滿足EN 12663標(biāo)準(zhǔn)[8]中各種工況下車體及各種零部件的強(qiáng)度、剛度、疲勞等要求,通過有限元分析計(jì)算和靜強(qiáng)度、剛度試驗(yàn)來驗(yàn)證。有限元分析計(jì)算和靜強(qiáng)度、剛度試驗(yàn)是驗(yàn)證車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理的重要依據(jù),技術(shù)規(guī)格書中若有高于標(biāo)準(zhǔn)要求的,則應(yīng)以技術(shù)規(guī)格書為準(zhǔn)。

同時(shí),對于受力較大或容易出現(xiàn)疲勞區(qū)域的部位應(yīng)重點(diǎn)予以關(guān)注,如客室門角、司機(jī)室門角、窗角、底架枕梁、車鉤安裝座區(qū)域等。對于焊縫等的設(shè)計(jì),應(yīng)盡量避免出現(xiàn)T形焊縫,采用焊接成型較好的焊縫形式。

對以往出現(xiàn)過問題的受力區(qū)域,應(yīng)注意避免,或通過強(qiáng)度計(jì)算來驗(yàn)證結(jié)構(gòu)是否還存在問題。

3.3 滿足設(shè)備安裝原則

鋁合金車體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足所有設(shè)備的安裝,車體設(shè)計(jì)的整個(gè)過程均圍繞設(shè)備的安裝布置問題進(jìn)行。車體的結(jié)構(gòu)形式不僅由所選用的車體材料決定,而且由車體安裝的各種設(shè)備決定。車體的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足設(shè)備安裝可靠、穩(wěn)定的要求。

3.4 車體制造工藝性原則

制造工藝性是車體設(shè)計(jì)的一個(gè)重要原則。如焊接的可行性和焊縫的質(zhì)量,這兩者直接影響車體的制造質(zhì)量。在進(jìn)行車體設(shè)計(jì)時(shí),不僅要考慮型材接口公差、焊接接頭形式、焊接收縮量等,而且要考慮平面度、焊縫方向等。工藝性是否良好,將直接影響車體的制造質(zhì)量[9-10]。

4 注意要點(diǎn)

4.1 避免出現(xiàn)某一部分?jǐn)嗝婷娣e縮小

對于上海軌道交通15號線車輛而言,從車體斷面方向看,車體的斷面面積并非均勻大小,其中,側(cè)墻車門開口區(qū)域的斷面面積最小。此區(qū)域?qū)τ谲圀w的受力是極為不利的,特別是門角、邊梁區(qū)域拐角等處。因此,車體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免某一部分?jǐn)嗝婷娣e縮小。

4.2 避免出現(xiàn)截面突變

在進(jìn)行車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),出現(xiàn)截面突變?nèi)菀桩a(chǎn)生應(yīng)力突變,突變截面處焊縫會產(chǎn)生疲勞。因此,車體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免出現(xiàn)截面突變的情況。

4.3 避免焊縫過于集中或重疊

車體焊縫應(yīng)盡量避免過于集中,以免造成焊縫熱影響區(qū)域過大,導(dǎo)致應(yīng)力過大現(xiàn)象。同時(shí),車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)避免橫向焊縫,進(jìn)而減少因焊接而造成的母材強(qiáng)度降低、變形等缺陷。

5 結(jié)束語

軌道交通車體設(shè)計(jì)是一個(gè)需要綜合考慮多種因素,進(jìn)而達(dá)到最優(yōu)結(jié)構(gòu)的過程,在進(jìn)行軌道交通車體設(shè)計(jì)時(shí),需要遵循一定的設(shè)計(jì)思路,滿足一定的設(shè)計(jì)原則。隨著軌道交通的快速發(fā)展,軌道交通鋁合金車體的設(shè)計(jì)越來越成熟。筆者基于上海軌道交通15號線車輛對軌道交通鋁合金車體的設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)原則和注意要點(diǎn)進(jìn)行介紹,為后續(xù)鋁合金車體的設(shè)計(jì)提供參考。