不銹鋼地鐵車(chē)輛車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)研究

賈宏雷

摘 要： 軌道業(yè)的發(fā)展促進(jìn)了不銹鋼車(chē)體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與發(fā)展，不銹鋼車(chē)體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)仍有很大的發(fā)展空間。然而，不銹鋼車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)始終要遵循不銹鋼材料的選擇、骨架結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)設(shè)計(jì)、輕量化、高強(qiáng)度、抗疲勞、車(chē)體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析、制造工藝性能良好等要點(diǎn)，缺一不可。

關(guān)鍵詞： 不銹鋼;地鐵車(chē)輛;車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);要點(diǎn)

【中圖分類(lèi)號(hào)】U442 ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B ? ? 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.26.186

1 不銹鋼車(chē)體結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)

不銹鋼車(chē)體同碳鋼車(chē)體一樣為整體承載板梁結(jié)構(gòu)，引起具有較高的強(qiáng)度因此，可以實(shí)現(xiàn)車(chē)體結(jié)構(gòu)的輕量化，如側(cè)墻和車(chē)頂外板厚度一般取1.0mm或1.5mm，而碳鋼車(chē)體一般不低于2.0mm。不銹鋼車(chē)體結(jié)構(gòu)具有良好的抗腐蝕能力，因此設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)需為了抗腐蝕而對(duì)板材加厚，而且車(chē)體外表面能保持不銹鋼材質(zhì)本色和光澤，一般無(wú)需再涂裝和表面挖補(bǔ)維修，能進(jìn)一步降低車(chē)體質(zhì)量。但側(cè)墻外板材料最好最消光鈍化處理，另外考慮到車(chē)輛的美觀(guān)，車(chē)體外表面宜粘貼色作為裝飾，以增加車(chē)輛的動(dòng)感。

2 不銹鋼地鐵車(chē)輛車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)分析

2.1 不銹鋼材料的選擇

不銹鋼車(chē)體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)首先必須了解不銹鋼車(chē)體材料的性能。不銹鋼材料決定了不銹鋼車(chē)體的結(jié)構(gòu)形式，決定了車(chē)體結(jié)構(gòu)的性能及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。不銹鋼材料具有其他材料無(wú)法比擬的優(yōu)良特性：耐高溫、抗扭曲、抗彎曲變形、高抗拉強(qiáng)度。選擇合適的不銹鋼板材對(duì)車(chē)輛的性能及安全至關(guān)重要，是影響車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理的關(guān)鍵因素之一。不銹鋼車(chē)體材料按強(qiáng)度從弱到強(qiáng)分為L(zhǎng)D、DLT、ST、MT和HT等5個(gè)等級(jí)，除強(qiáng)度不同外還具有不同的物理特性，同時(shí)，不銹鋼車(chē)體設(shè)計(jì)必須嚴(yán)格遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，只有具備了豐富的理論知識(shí)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，才能設(shè)計(jì)出合理的車(chē)體結(jié)構(gòu)。例如，為了實(shí)現(xiàn)輕量化及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，車(chē)體主要承載部件采用了高強(qiáng)度的HT材料，如底架邊梁、側(cè)墻立柱，按以往結(jié)構(gòu)側(cè)墻立柱需直接焊接在底架邊梁上。由于HT材料有在高溫下強(qiáng)度會(huì)降低到DLT水平的物理特性，這樣的結(jié)構(gòu)顯然不合理?？紤]到這些問(wèn)題，我們?cè)诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)側(cè)墻下邊梁實(shí)現(xiàn)了底架邊梁和側(cè)墻立柱間的點(diǎn)焊連接，避免了上述問(wèn)題。在車(chē)體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，并非所有材料均選擇不銹鋼材料，需依據(jù)實(shí)際的承載及受力情況綜合考慮。在底架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于承載比較重要的牽引梁及枕梁部位，選擇使用低合金高強(qiáng)度鋼。這是由于低合金鋼具有很好的抗疲勞特性和焊接性能。根據(jù)不同的受力特點(diǎn)選擇合適的材料是車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的原則之一。

2.2 車(chē)體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度以及車(chē)體的制造工藝

安全是車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的第一要素，其次才是舒適性與經(jīng)濟(jì)性。車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)始終應(yīng)遵循的最基本原則是滿(mǎn)足鐵路車(chē)輛車(chē)體結(jié)構(gòu)要求標(biāo)準(zhǔn)中各種工況下車(chē)體及各種零部件的強(qiáng)度及剛度、疲勞等的要求，通過(guò)有限元分析計(jì)算和靜強(qiáng)度、剛度試驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。有限元分析計(jì)算和靜強(qiáng)度、剛度試驗(yàn)是驗(yàn)證車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理的重要依據(jù)和原則。同時(shí)，對(duì)于受力較大或者容易出現(xiàn)疲勞區(qū)域的部位應(yīng)重點(diǎn)予以關(guān)注，如客室門(mén)角和司機(jī)室門(mén)角、窗角，底架枕梁、車(chē)鉤安裝座區(qū)域等。對(duì)以往出現(xiàn)過(guò)類(lèi)似問(wèn)題的受力區(qū)域，也應(yīng)注意避免，或通過(guò)強(qiáng)度計(jì)算驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)是否存在問(wèn)題。車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足的重要原則即是制造工藝性能良好。焊接的可行性和焊縫的質(zhì)量對(duì)車(chē)體的制造質(zhì)量有很大影響。目前的不銹鋼車(chē)體結(jié)構(gòu)形式與原來(lái)的結(jié)構(gòu)相比重量輕、制造工藝簡(jiǎn)單。然而仍需提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的模塊化程度，減少零部件的數(shù)量，以簡(jiǎn)化制造工藝。

2.3 車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1 底架結(jié)構(gòu)

底架結(jié)構(gòu)主要由底架邊梁、底架橫梁、牽枕緩組成、波紋地板等部件組焊而成。重要受力部件牽枕緩由牽引梁和枕梁及緩沖梁組焊為模塊。牽枕緩模塊與輥彎的底架邊梁對(duì)接組焊形成整體承載框架，底架橫梁與邊梁采用對(duì)接組焊。枕梁和牽引梁部位采用耐候鋼材料，波紋地板選用標(biāo)準(zhǔn)的型材斷面，在底架前后部，與枕梁和端梁塞焊焊接為一體。

2.3.2 側(cè)墻裝配

側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)由側(cè)墻板、立柱、橫梁、底部橫梁和門(mén)框等焊接成為整體。側(cè)墻結(jié)構(gòu)采用分塊模塊化設(shè)計(jì)，由門(mén)口隔開(kāi)。車(chē)體左右側(cè)墻完全對(duì)稱(chēng)，分塊側(cè)墻組成由門(mén)立柱裝配、窗立柱裝配、窗上梁裝配、窗下梁裝配、底部橫梁等組成，部件之間均采用點(diǎn)焊連接。各分塊側(cè)墻組成框架結(jié)構(gòu)在專(zhuān)用焊接胎具上，通過(guò)自動(dòng)點(diǎn)焊與蒙皮支撐板、窗中板、窗下板裝配、窗角焊接形成一個(gè)分塊側(cè)墻組成單元。車(chē)體側(cè)墻兩側(cè)設(shè)有一定數(shù)量的安裝座、安裝梁及走線(xiàn)架，與側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)剛性連接，用來(lái)安裝門(mén)系統(tǒng)、客室座椅、內(nèi)墻板、門(mén)立柱及走線(xiàn)等。

2.3.3 頂棚裝配

頂棚鋼結(jié)構(gòu)由兩個(gè)上弦梁、頂部彎梁、側(cè)頂板及兩個(gè)空調(diào)機(jī)組平臺(tái)一起焊接組成，在頂棚骨架上面鋪設(shè)波紋板?？照{(diào)機(jī)組平臺(tái)模塊化設(shè)計(jì)，組焊后的空調(diào)機(jī)組平臺(tái)整體與頂棚彎梁、波紋頂板及車(chē)頂上弦梁組焊為一體。空調(diào)機(jī)組平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮整個(gè)平臺(tái)的強(qiáng)度和剛度。整個(gè)平臺(tái)由橫梁、縱梁等幾部分組成，裝配各梁之間使用點(diǎn)焊形成框架結(jié)構(gòu)。彎梁上鋪有波紋頂板組成。波紋頂板兩端增加補(bǔ)強(qiáng)板以保證車(chē)頂?shù)膹?qiáng)度及剛度。

2.3.4 端墻

端墻由蒙皮、2個(gè)門(mén)立柱、橫梁、蒙皮加強(qiáng)梁、小橫梁、小縱梁等組成，材質(zhì)為不銹鋼。端墻設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)考慮外蒙皮板的平整度及與車(chē)體其他部分的連接，以及折棚風(fēng)擋和端部?jī)?nèi)飾安裝的需要。門(mén)立柱及門(mén)上橫梁在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證寬體折棚風(fēng)擋的通過(guò)寬度（1300mm）和高度（1900mm）。端墻蒙皮的搭接位置根據(jù)國(guó)內(nèi)外板材寬度的要求，采用頂部橫向拼縫。端墻與底架采用塞焊和連接板方式連接，端墻與側(cè)墻采用點(diǎn)焊和連接板方式連接，端墻與頂棚采用點(diǎn)焊方式連接。

2.3.5 司機(jī)室

司機(jī)室為獨(dú)立模塊設(shè)計(jì)，采用纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料（FRP）中預(yù)埋不銹鋼結(jié)構(gòu)，與Tc車(chē)底架側(cè)墻頂棚連接。司機(jī)室鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)主要以車(chē)輛整體外觀(guān)為前提，再充分考慮與車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)的連接調(diào)整，以及司機(jī)室擋風(fēng)玻璃、前照燈、司機(jī)室門(mén)、操縱臺(tái)、頂部設(shè)備、內(nèi)裝等部件的安裝接口?？偨M裝時(shí)，司機(jī)室鋼結(jié)構(gòu)放到底架上，與底架塞焊連接，與側(cè)墻和頂棚通過(guò)連接板和塞焊連接，并通過(guò)玻璃鋼外罩與鋼骨架的連接螺栓調(diào)整到準(zhǔn)確合理的位置。

參考文獻(xiàn)

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