時(shí)速160 km動力集中電動車組拖車車體設(shè)計(jì)分析

杜彥品 王瀟雨 牛永剛

(中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 江蘇 南京 210031)

根據(jù)中國國家鐵路集團(tuán)有限公司運(yùn)輸和經(jīng)營發(fā)展要求，為了提高既有線鐵路運(yùn)輸服務(wù)品質(zhì)，充分利用既有機(jī)車、客車的運(yùn)用和檢修資源，由中國國家鐵路集團(tuán)有限公司和中國中車股份有限公司共同研制開發(fā)了時(shí)速160 km動力集中電動車組。時(shí)速160 km動力集中電動車組采用“1動7拖1控”(短編組)和“2動16拖”(長編組)模式，長編組可以根據(jù)運(yùn)用需要進(jìn)行靈活編組，兩列短編組可以進(jìn)行重聯(lián)。

時(shí)速160 km動力集中電動車組拖車車體，采用了新結(jié)構(gòu)、模塊化設(shè)計(jì)和輕量化設(shè)計(jì)，打破了25型客車碳鋼車體多年傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，提升了車體面耐腐性能和外觀質(zhì)量，提高了列車的檔次。主要車型有二等座車、二等座車(餐吧式)、二等座車(廚房式)、控制車、一等臥車和二等臥車。下文以二等座車為例進(jìn)行闡述。

1 車體主要技術(shù)參數(shù)

車體長度：25 500 mm；

車體寬度：3 105 mm；

車頂距軌面的高度：4 433 mm；

車輛定距：18 000 mm；

通過臺渡板面距離軌面高度：1 283 mm；

軸重：不大于16.5 t。

2 車體設(shè)計(jì)要求

車體鋼結(jié)構(gòu)采用薄壁筒形整體承載結(jié)構(gòu), 主要材質(zhì)為鎳鉻系耐候鋼，板厚不大于6 mm時(shí)采用Q310NQL2、Q345NQR2或Q350EWRH材料,型鋼和厚度大于6 mm的板材采用普通碳素鋼Q235B或低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q355材料，車頂空調(diào)機(jī)組處平頂板、中部端頂板、通過臺地板、衛(wèi)生間和洗面間的金屬地板及腳蹬圍板等易腐蝕部位采用06Cr19Ni10不銹鋼板。

車體鋼結(jié)構(gòu)符合TB/T 1335《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，穩(wěn)定性符合BS EN 12663-1:2010 《Railway applications—Structural requirements of railway vehicle bodies Part 1: Locomotives and passenger rolling stock(and alternative method for freight wagons)》標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，車體在滿載狀態(tài)和縱向壓縮狀態(tài)下，最小屈曲因子不小于1.5。車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壽命為30年。

3 車體鋼結(jié)構(gòu)

3.1 底架鋼結(jié)構(gòu)

車體鋼結(jié)構(gòu)由底架、側(cè)墻、車頂和端墻鋼結(jié)構(gòu)組成(見圖1)。車體鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用模塊化設(shè)計(jì)理念，如側(cè)墻骨架模塊化、車頂模塊化，提高設(shè)計(jì)效率和生產(chǎn)效率，提高車體外觀質(zhì)量；采用輕量化設(shè)計(jì)理念，在滿足結(jié)構(gòu)要求的前提下，減少零件的數(shù)量及板厚，優(yōu)化梁柱斷面，在梁柱上開減重孔等。設(shè)計(jì)側(cè)墻和車頂時(shí)，側(cè)墻立柱和車頂彎梁對應(yīng)，形成交圈結(jié)構(gòu)，提高車體抗扭轉(zhuǎn)性能。取消了車頂雨檐，減小列車運(yùn)行阻力，提高車輛的空氣動力學(xué)性能，提高車輛檔次。為了提高車體的耐腐蝕性能，采取了零件間減少搭接量，盡量避免采用封閉結(jié)構(gòu)，地板設(shè)排水孔等措施。

1—底架鋼結(jié)構(gòu)；2—端墻鋼結(jié)構(gòu)； 3—車頂鋼結(jié)構(gòu)；4—側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)。圖1 車體鋼結(jié)構(gòu)

底架鋼結(jié)構(gòu)主要由端牽枕、縱梁、橫梁、側(cè)梁和鐵地板焊接而成(見圖2)。按照PW-220K轉(zhuǎn)向架要求進(jìn)行牽枕緩接口設(shè)計(jì)，牽引梁和枕梁是主要的受力部件，故采用厚板拼焊成箱型斷面；橫梁和縱梁主要采用槽型斷面，側(cè)梁采用槽鋼18b；枕外采用平地板；枕內(nèi)采用波紋地板，傳遞部分縱向力，提高地板抗失穩(wěn)性能。車輛縱向載荷通過鉚接在牽引梁內(nèi)的車鉤安裝座向后傳遞，通過牽引梁傳遞到枕梁，再通過枕后縱梁和側(cè)梁向后傳遞。枕后縱梁端部應(yīng)力較大，故枕內(nèi)第一根橫梁采用厚度較大的箱型斷面，其后設(shè)有一組縱梁，在縱梁后端部與橫梁相接處設(shè)有補(bǔ)強(qiáng)板，防止應(yīng)力集中。枕后縱梁采用魚腹?fàn)睿蜃兘孛嫣帒?yīng)力較大，縱梁斷面內(nèi)設(shè)有補(bǔ)強(qiáng)板。枕后側(cè)梁內(nèi)設(shè)有立板，使側(cè)梁(從枕梁到第一根主橫梁)形成箱型斷面，在枕梁下蓋板和側(cè)梁下翼面焊有異形補(bǔ)強(qiáng)板。污物箱和充電機(jī)等大設(shè)備安裝橫梁采用大厚度槽型斷面，各設(shè)備吊座與橫梁焊接，在設(shè)備吊座筋板對應(yīng)的槽型橫梁內(nèi)設(shè)有多個對應(yīng)的加強(qiáng)板，當(dāng)設(shè)備受到?jīng)_擊時(shí)，保證吊座附近結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不超出材料的屈服極限。

為了防止冷凝水積存腐蝕車體，在枕內(nèi)波紋地板避開車下設(shè)備處設(shè)有多列排水孔，在通過臺地板每側(cè)設(shè)有2個下凹深度為20 mm的排水槽，排水槽內(nèi)設(shè)有排水孔。另外，枕外通過臺、衛(wèi)生間和洗面間地板采用不銹鋼板，以提高底架的耐腐蝕性能。

3.2 側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)

側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)主要由立柱、縱梁、上邊梁、墻板和門框焊接而成(見圖3)。車窗兩側(cè)各設(shè)一根立柱，上下各設(shè)有縱梁，側(cè)墻上端設(shè)有上邊梁，和門框共同形成側(cè)墻的主骨架。在車窗中心線處，車窗上下各設(shè)有一根小立柱，窗間設(shè)有小縱梁，以提高墻板剛度和穩(wěn)定性。

1—牽枕緩；2—縱梁；3—橫梁；4—側(cè)梁；5—鐵地板。圖2 底架鋼結(jié)構(gòu)

1—門框；2—立柱；3—縱梁；4—上邊梁；5—墻板。圖3 側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)側(cè)墻時(shí)，采用輕量化設(shè)計(jì)，在保證強(qiáng)度的前提下，縱梁翼面開有多個長圓型的減重孔；采用防腐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的立柱和縱梁采用帽型斷面，與墻板焊接后形成封閉結(jié)構(gòu)，封閉腔內(nèi)無法進(jìn)行防腐噴涂，導(dǎo)致車窗下部和側(cè)墻下部腐蝕嚴(yán)重?，F(xiàn)將立柱和縱梁改為乙型斷面，避免形成封閉結(jié)構(gòu)，方便防腐噴涂，大大提高了側(cè)墻的耐腐蝕性能；采用模塊化設(shè)計(jì)；傳統(tǒng)的側(cè)墻設(shè)計(jì)和組裝采用散組裝模式，很難提高側(cè)墻的平面度，現(xiàn)以兩個車窗為單元，將側(cè)墻骨架分成小模塊，再將小模塊組焊成整體骨架，然后吊到側(cè)墻胎與墻板焊接，在生產(chǎn)過程中，嚴(yán)格控制每個小模塊與墻板焊接面的平面度，大大提高了側(cè)墻的外觀質(zhì)量。

3.3 車頂鋼結(jié)構(gòu)

車頂鋼結(jié)構(gòu)主要由平頂、圓頂、側(cè)頂模塊和中部端頂焊接而成(見圖4)。彎梁與側(cè)墻立柱采用交圈設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，提高車體抗扭轉(zhuǎn)性能。彎梁采用帽型斷面，車頂邊梁采用C型斷面，以提高車頂?shù)哪B(tài)頻率。側(cè)頂采用無雨檐結(jié)構(gòu)，減小列車運(yùn)行阻力，提高車輛的空氣動力學(xué)性能。側(cè)頂采用模塊化設(shè)計(jì)，改變了傳統(tǒng)的散組裝模式，提高了側(cè)頂?shù)耐庥^質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率。

3.4 端墻鋼結(jié)構(gòu)

端墻鋼結(jié)構(gòu)由立柱、橫梁、風(fēng)擋框、墻板、端頂槽鋼和端頂橫梁焊接而成，如圖5所示。立柱斷面為乙型，橫梁斷面為角型，方便防腐噴涂，提高了端墻的耐腐蝕性能。端墻兩側(cè)設(shè)有外風(fēng)擋安裝梁，外風(fēng)擋通過螺栓安裝在該梁上，提高列車的空氣動力學(xué)性能，減小列車端部噪聲，同時(shí)也增加了端部的美觀效果。

1—平頂；2—中部端頂；3—側(cè)頂模塊；4—圓頂。圖4 車頂鋼結(jié)構(gòu)

1—立柱；2—橫梁；3—風(fēng)擋框；4—墻板；5—端頂槽鋼；6—端頂橫梁。圖5 端墻鋼結(jié)構(gòu)

4 車體鋼結(jié)構(gòu)驗(yàn)證

4.1 車體靜強(qiáng)度計(jì)算

按照TB/T 1335《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)，對車體鋼結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析。具體計(jì)算了7種工況，各工況下的應(yīng)力分布情況如表1所示。

表1 各工況應(yīng)力分布表

在工況3和工況5作用下，車體應(yīng)力較大，最大應(yīng)力值分別為210.991 MPa和333.355 MPa,均小于材料的許用應(yīng)力，其應(yīng)力云圖分別如圖6和圖7所示；其他工況下車體的應(yīng)力值均遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力值。車體靜強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 工況3車體應(yīng)力云圖

圖7 工況5車體應(yīng)力云圖

對車體進(jìn)行了垂向彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度和模態(tài)計(jì)算，車體垂向彎曲剛度值為5.421 1×109N·m2，大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值1.3×109N·m2；車體扭轉(zhuǎn)剛度值為5.576×108N·m2/rad，大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值5.5×108N·m2/rad，車體剛度滿足設(shè)計(jì)要求。整備狀態(tài)下，車體一階垂向彎曲自振頻率為10.48 Hz，大于轉(zhuǎn)向架點(diǎn)頭和浮沉自振頻率的1.4倍，車體與轉(zhuǎn)向架不會產(chǎn)生共振。

對車體進(jìn)行了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算，車體在滿載狀態(tài)下最小屈曲因子為2.285，位于一位端二位側(cè)窗下墻板處(見圖8)；在1.5倍縱向壓縮狀態(tài)下最小屈曲因子為1.0，位于二位端二位側(cè)窗下墻板處(見圖9)，車體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。

圖8 滿載狀態(tài)下車體一階屈曲模態(tài)

圖9 壓縮狀態(tài)下車體1階屈曲模態(tài)

4.2 車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)

根據(jù)二等座車的車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)大綱和TB/T 1806《鐵道車輛車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，對車體鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行垂向載荷試驗(yàn)、縱向力試驗(yàn)、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)、頂車試驗(yàn)，合成應(yīng)力均小于材料的許用應(yīng)力，結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)永久變形，車體靜強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。車體的垂向彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)結(jié)果也都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.3 車體疲勞強(qiáng)度計(jì)算

按照BS EN 12663-1:2010 《Railway applications—Structural requirements of railway vehicle bodies Part 1: Locomotives and passenger rolling stock(and alternative method for freight wagons)》和 BS EN 1993-1-9:2005《Eurocode 3: Design of steel structures Part 1-9: Fatigue》標(biāo)準(zhǔn)，對車體進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算，具體計(jì)算了10種工況。車體焊接形式主要包括T型焊、對接焊、搭接焊三種，各工況下，不同焊接接頭的最小安全因子如表2所示。

表2 各工況焊接接頭的最小安全因子

在各種工況下，車體鋼結(jié)構(gòu)3種焊接形式的最小安全因子均大于1，車體能夠滿足設(shè)計(jì)壽命30年的要求。

在工況9作用下，最小安全因子為1.205，該處焊縫的性能等級為中應(yīng)力等級和高安全等級；在工況8和工況10作用下，最小安全因子分別為1.037(見圖10)和1.039(見圖11)，這兩處焊縫的性能等級為高應(yīng)力等級和中安全等級。這三處焊縫均屬于關(guān)鍵焊縫，制造時(shí)要高度重視，需進(jìn)行表面試驗(yàn)和體積試驗(yàn)，確保焊縫質(zhì)量。

圖10 工況8 T型接頭安全因子云圖

圖11 工況10搭接接頭安全因子云圖

5 結(jié)束語

時(shí)速160 km動力集中電動車組車體采用新結(jié)構(gòu)、模塊化設(shè)計(jì)和輕量化，解決了25型客車碳鋼車體多年存在的腐蝕嚴(yán)重及外觀平面度較差的難題，提升了車體耐腐蝕性能和外觀質(zhì)量，提升了列車的檔次。該電動車組是鐵道客車轉(zhuǎn)型升級過程中的關(guān)鍵產(chǎn)品，已列入“復(fù)興號”中國標(biāo)準(zhǔn)動車組序列。

車體鋼結(jié)構(gòu)通過了強(qiáng)度計(jì)算和靜強(qiáng)度試驗(yàn)，滿足設(shè)計(jì)要求。時(shí)速160 km動力集中電動車組(短編組)已完成30萬km的運(yùn)用考核，并通過了技術(shù)評審，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。該車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)技術(shù)代表當(dāng)前碳鋼車體的最新技術(shù)，對今后碳鋼車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有很高的參考價(jià)值?！?/p>