新能源軌道車車體設(shè)計

段啟楠，裴玉虎，解來生

(中鐵四局集團有限公司第八工程分公司,安徽 合肥 230041)

0 引言

隨著技術(shù)的進步，環(huán)境保護要求的提高，工程機械設(shè)備采用新能源動力取代傳統(tǒng)內(nèi)燃機動力趨勢明顯。新能源軌道車是針對地鐵建設(shè)軌道工程施工作業(yè)的需求而開發(fā)的環(huán)保型鋰電池軌道車。由于地鐵施工生產(chǎn)環(huán)境的特殊性，使新能源軌道車具有不同于鐵路工務(wù)軌道車的特點。為適應(yīng)這些特點和生產(chǎn)需求，對新能源軌道車車體進行優(yōu)化設(shè)計，在保證車體強度、剛度的同時，滿足整車對新能源動力設(shè)備安裝、駕駛操作、安全保護和應(yīng)用環(huán)境等要求。為解決地鐵施工空間狹小，蓄電池箱、電機、車軸齒輪箱等大部件難拆卸問題，滿足軌道車運用檢修保養(yǎng)空間需求，提高運行安全以及達到電氣設(shè)施等關(guān)鍵部件高離地安裝設(shè)計要求，車體創(chuàng)新設(shè)計為可整體吊裝內(nèi)走廊承載式車體鋼結(jié)構(gòu)。

1 車體結(jié)構(gòu)參數(shù)及特點

車體包括棚式車廂、車底鋼結(jié)構(gòu)和內(nèi)層結(jié)構(gòu)，是新能源軌道車各系統(tǒng)和總成的安裝基礎(chǔ)，為操縱臺、走行部、傳動裝置、制動裝置、蓄電池箱、車鉤、輔助裝置等部件提供支撐，并傳遞牽引和制動等垂向、縱向、橫向作用力。其主要特點為：可整體吊裝內(nèi)走廊承載式車體鋼結(jié)構(gòu)、兩端駕駛室，并滿足標準軌距地鐵限界標準(CJJ96—2003)，以及滿足兩動力輪對、拉桿式軸箱定位和大功率動力電池包車體內(nèi)部安裝的需求，總長11 m，滿足盾構(gòu)井口吊裝出入要求，經(jīng)過高度控制，整機高度尺寸≤3350 mm，便于公路運輸[1-2]。如圖1所示。

圖1 車體

1.1 車體各部分幾何尺寸

車體上安裝車廂，下側(cè)安裝走行部、制動系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電氣等部件，車體中間布置動力傳動系統(tǒng)，鋰電池箱組安裝在車廂內(nèi)部兩側(cè)、通過電池組防護架固定及保護，車廂中間設(shè)置走行通道。

表1 車體各部幾何尺寸

1.2 棚式車廂的設(shè)計

棚式車廂由前后司機室端墻、左右側(cè)墻、車頂?shù)冉M焊而成，車廂頂部設(shè)置電池箱起吊天窗，車內(nèi)兩端裝有操縱臺、司機座椅、工具箱及休息座椅等，滿足雙向操作的要求；操縱臺上安裝司控器、空氣制動機自閥和單閥、各操縱按鈕、儀表和信號顯示等裝置；車廂地板布置阻燃、防滑、隔音特性材料的車輛用橡膠地板；車廂前方和兩側(cè)均設(shè)有鋼化玻璃側(cè)拉窗、側(cè)窗及前后窗設(shè)置窗簾、雨刮器等；車廂采用兩端斜對角雙開門。兩端瞭望玻璃上方設(shè)置防止水泥漿污染的鋼擋檐。如圖2所示。

圖2 車廂三維模型圖

1.3 框架式車底鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計

車底鋼結(jié)構(gòu)采用箱形邊梁和端梁焊接框架式鋼結(jié)構(gòu)，由側(cè)梁、大橫梁、縱梁、斜牽引梁和小橫梁等焊接而成，車架承載軌道車車體重量，便于傳動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)的安裝。整車采取中間對稱布置，走行部、牽引傳動裝置、蓄電池等設(shè)置于車架中部，其余部件分別設(shè)置于車架兩端，使車架結(jié)構(gòu)設(shè)計簡潔、受力明確。車架兩端設(shè)置了4根斜牽引梁，用于傳遞牽引力，同時用于承載掛鉤時產(chǎn)生的沖擊力。車架中部設(shè)置有大橫梁、縱梁和小橫梁，提高車架剛度，滿足走行部、牽引傳動裝置的支撐和傳力。在車架側(cè)梁上設(shè)置了4個起吊座，用于軌道車整體吊裝，便于施工轉(zhuǎn)場和公路運輸裝卸車；在車架端梁上設(shè)有排障器，用于清除軌面浮渣和雜物，確保軌道車行駛安全。排障器能方便地進行上下調(diào)節(jié)；端部設(shè)有腳踏板，便于工作人員調(diào)車作業(yè)。如圖3所示。

圖3 車架三維模型圖

地鐵建設(shè)軌道工程施工鐵路運輸作業(yè)時，列車運行速度低，施工作業(yè)面間轉(zhuǎn)場頻繁，因此公路運輸要求方便經(jīng)濟，軌道車高度不能超過3.5 m；同時為防止隧道鋪軌施工時涉水運行導(dǎo)致車架下部懸掛電機進水損壞，采用單牽引電機加分動箱驅(qū)動形式，將電機安裝在車架上車廂內(nèi)部。動力從牽引電機傳送至分動箱輸入法蘭，經(jīng)分動箱前后輸出法蘭同步輸出至前后車軸齒輪箱驅(qū)動輪對走行，故輪對不存在同步問題，減少了因前后輪對不同步產(chǎn)生的沖擊、磨耗及動力消耗。在單位電池電量下，單電機驅(qū)動方案續(xù)航里程更長，更符合綠色環(huán)保施工設(shè)備的技術(shù)要求。動力鋰電池包也采取安裝在車體內(nèi)部的方式，防止施工區(qū)間道床積水、侵限物體造成電池包的損壞。

為滿足兩軸走行部的輪對安裝要求，新能源軌道車車體采用無轉(zhuǎn)向架兩軸結(jié)構(gòu)形式，牽引電機、輪對、拉桿座、彈簧、垂向減振器為車架安裝順序，新的車體結(jié)構(gòu)稱為車架承載式棚式車體，既承擔車體的作用，承受上部各設(shè)備安裝及輔助附件的重量，又承擔了轉(zhuǎn)向架的作用，支撐輪對，傳遞垂向力及水平力，并通過分動箱和車軸齒輪箱間的傳動軸將動力傳遞給輪對。

在車架設(shè)計中，對縱梁和橫梁的形狀、數(shù)量和布置位置充分考慮了車架中部兩側(cè)鋰電池包保護箱安裝座、牽引電機、操作臺、分動箱、輪對、車鉤等設(shè)備的安裝要求和作用力的傳遞。

構(gòu)架式車體的底架由端部、左右邊梁、橫梁、牽引電機安裝吊掛、整車起吊座、牽引拉桿座等組成。輪對、牽引電機直接安裝在車體底部的底架上。在底架上設(shè)置垂向減振器來減輕垂向振動，彈簧對車體起到垂向支撐和減輕垂向振動的作用，牽引拉桿起到傳遞牽引力的作用。

1.4 車鉤的選型

軌道車鋪軌運輸作業(yè)時與多臺平板車聯(lián)掛，主要用于混凝土、鋼軌、軌排等鋪軌作業(yè)材料的運輸，每臺平板車自重13 t，最大載荷為40 t，運行速度不超過40 km/h，經(jīng)過比選，兼顧軌道車的經(jīng)濟性，軌道車車鉤緩沖裝置的選型采用成熟產(chǎn)品2號短頸車鉤[4]，如圖4所示。

圖4 2號短頸車鉤

1.5 可整體吊裝內(nèi)走廊承載式車體鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計

1)新能源軌道車設(shè)計為動力電池組地板上安裝的整體布置方案，在設(shè)計上考慮了軸重分配的均勻性，改善軌道車牽引粘著性能和制動性能，滿足牽引力、速度、續(xù)航里程等施工要求。

2)設(shè)計為框架式車架，無中梁結(jié)構(gòu)，由側(cè)梁承重，滿足地鐵隧洞施工井口尺寸、地鐵限界、線路坡度、曲線半徑等施工要求，并便于電氣設(shè)備、傳動系統(tǒng)和制動系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)的安裝。

3)設(shè)計為車體結(jié)構(gòu)上部開設(shè)活動檢修窗，解決地鐵施工空間狹小，電機、車軸齒輪箱等大部件難拆卸問題，滿足軌道車運用檢修保養(yǎng)空間需求。

4)走行部、制動系統(tǒng)、牽引傳動系統(tǒng)設(shè)計在車體下側(cè)，車廂設(shè)計在車體上側(cè)。

5)電池模塊設(shè)計在車廂內(nèi)兩側(cè)，增大了新能源軌道車下部距軌面間隙，以適應(yīng)區(qū)段積水、泥濘、積砟等復(fù)雜工況，路面適應(yīng)性和運行安全性好。

6)車廂設(shè)計有天窗，蓄電池箱、電機等大部件通過天窗吊裝進出車廂，能夠方便快捷更換。

2 車體車底鋼結(jié)構(gòu)強度計算

該車車體車底鋼結(jié)構(gòu)采用側(cè)梁承載結(jié)構(gòu)，主要由側(cè)梁、端梁、斜牽引梁、小橫梁、小縱梁等零部件組成。側(cè)梁選用HN400×200型鋼結(jié)構(gòu)；端梁選用槽鋼及鋼板組焊結(jié)構(gòu)；斜牽引梁為焊接工字鋼結(jié)構(gòu)；小橫梁、小縱梁為焊接箱型結(jié)構(gòu)。材質(zhì)主要采用Q235A結(jié)構(gòu)鋼。為校核車架承載性能，建立有限元模型，對車體結(jié)構(gòu)強度和剛度進行校核。

2.1 車體車底鋼結(jié)構(gòu)受力分析，計算載荷

車體車底鋼結(jié)構(gòu)受到垂向力、縱向力、橫向力、扭轉(zhuǎn)載荷或扭轉(zhuǎn)力的作用，其中縱向力有牽引和推進兩種工況[3]。

2.1.1 垂向力

垂向靜載荷由自重及載重組成，在計算過程中車體重16 t(含車架重及車廂等部件)，載重6 t，車架自重按體積力由程序自動計算，其他載荷分別作用于車體相應(yīng)位置。

車體垂向靜載荷：(16+6)*9.8 =215 kN

垂向動載荷由垂向靜載荷乘垂向動荷系數(shù)，垂向動載荷系數(shù)及動載荷計算如下：

垂向動荷系數(shù)：Kdy=1/f·(a+b·v)+1.65*0.427/power(60,0.5)

=1/60(1.5+0.05*50)+1.65*0.427/power(60,0.5)=0.25

式中：f=60 mm，v=45 km/h。

垂向動載荷：215 kN*0.25=53 kN

垂向總載荷：215 kN+53 kN=268 kN

入河排污口監(jiān)管是水功能區(qū)管理的重要切入點和主要抓手。2002年水法和2004年水利部頒布的 《入河排污口監(jiān)督管理辦法》為入河排污口監(jiān)管提供了法律法規(guī)保障?！笆晃濉逼陂g，通過嚴格入河排污口設(shè)置審批，較大程度地改善了入河排污口設(shè)置無序混亂的狀況。

2.1.2 縱向力

按照規(guī)范要求[5-6]，縱向力考慮1200 kN縱向拉伸載荷和1200 kN縱向壓縮載荷，由于該車為地鐵牽引車，實際連掛重量不會超過1000 t，運行速度低于45 km/h，因此縱向拉伸載荷和縱向壓縮載荷取其二分之一來計算，縱向力600 kN，該載荷沿車鉤中心線分別作用在車體牽引座上。

2.1.3 側(cè)向力

側(cè)向力包括未平衡離心力和風力，按照規(guī)范要求[5-6]，取垂向靜載荷產(chǎn)生應(yīng)力的10%作為側(cè)向力。

2.1.4 扭轉(zhuǎn)力

扭轉(zhuǎn)力矩為40 kN·m，作用在側(cè)梁彈簧座處。

2.2 有限元分析

使用有限元分析軟件ANSYS對車架進行實體建模，網(wǎng)格劃分，采用100 mm四面體網(wǎng)格單元，車體離散單元總數(shù)為42454個，節(jié)點數(shù)為140604個，并進行約束設(shè)置。分別如圖5和圖6所示。

圖5 網(wǎng)格劃分

圖6 約束的設(shè)置

根據(jù)車體受力情況在模型中施加相應(yīng)的垂向、橫向及縱向位移約束。在車體彈簧座處施加彈性約束。模型中坐標軸的方向為：縱向為Z軸，橫向為X軸，垂向為Y軸。

2.3 車體車底鋼結(jié)構(gòu)剛度計算

在垂向靜載的作用下，牽引工況車體一端最大位移為1.42 mm，撓跨比為1∶7042。推進工況車體一端最大位移為2.48 mm，撓跨比為1∶4032。如圖7、圖8所示。

圖7 牽引工況應(yīng)變圖

圖8 推進工況應(yīng)變圖

2.4 車體車底鋼結(jié)構(gòu)強度計算

牽引工況最大應(yīng)力為137 MPa，發(fā)生在斜牽引梁與側(cè)梁連接處上蓋板上，推進工況最大應(yīng)力為138 MPa，發(fā)生在端梁中部下板上，如圖9、圖10所示。

圖9 牽引工況應(yīng)力圖

圖10 推進工況應(yīng)力圖

在上述各工況中，最大應(yīng)力發(fā)生在推進工況，車體最大應(yīng)力為138 MPa，發(fā)生在端梁中部下板上，小于使用的車體材質(zhì)Q235A結(jié)構(gòu)鋼所規(guī)定的第一許用應(yīng)力161 MPa；最大變形發(fā)生在推進工況，在垂向靜載的作用下，車體一端的最大位移為2.48 mm，撓跨比為1∶4032，小于允許的撓跨比值，所以車體結(jié)構(gòu)強度和剛度均符合規(guī)范的設(shè)計要求[5-6]。

3 結(jié)束語

按照新能源軌道車的車體結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計了首臺試制，在地鐵建設(shè)軌道工程施工現(xiàn)場進行了試驗和試運用，作業(yè)情況良好，整車性能達到設(shè)計要求，滿足軌道工程施工軌排、混凝土、鋼筋等運輸作業(yè)需求，同時符合地鐵建設(shè)軌道工程施工環(huán)保性和經(jīng)濟性要求。該軌道車的成功研制，對于采用新能源動力工程機械設(shè)備取代傳統(tǒng)內(nèi)燃機動力機械設(shè)備具有重要意義。