快速市域動(dòng)車組車頂設(shè)計(jì)

孫維超，計(jì)夢(mèng)男，梁 森，沃少帥，李 茁

（北京軌道交通技術(shù)裝備集團(tuán)有限公司，北京 100160）

200 km 城際（市域）動(dòng)車組車體的車頂由大型中空擠壓型材構(gòu)成。通長擠壓型材上適當(dāng)位置設(shè)通長的T 型槽用于間壁和頂板等內(nèi)裝部件的安裝。且車頂在承載空調(diào)機(jī)組、受電弓以及車頂高壓設(shè)備區(qū)域必須加固，并保證排水通暢，無滲漏。

車頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅要考慮輕量化以及車上設(shè)備的吊裝要求，還需要考慮密封性和安裝結(jié)構(gòu)的合理性。因?yàn)殇X合金的焊接變形大，屈服強(qiáng)度低，所以在車頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，既要結(jié)合計(jì)算結(jié)果，考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，又要結(jié)合生產(chǎn)制造環(huán)境，考慮工藝可行性。

1 車頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

200 km 城際（市域）動(dòng)車組車體的車頂采用輕量化鋁合金材料，鋁合金材料不僅重量低，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，目前重型臥式擠壓機(jī)可以擠出大型扁寬薄壁鋁型材技術(shù)不僅減少了車體結(jié)構(gòu)中的橫向構(gòu)件，而且能滿足車輛高速通過隧道時(shí)氣壓迅速變化對(duì)車輛所提出的密封性要求。因此，速度等級(jí)高、強(qiáng)度等級(jí)高、輕量化程度要求高的城際市域動(dòng)車組車頂選擇鋁合金作為結(jié)構(gòu)材料。

1.1 鋁合金車頂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

車頂由車頂端梁、車頂型材、空調(diào)機(jī)組安裝座、受電弓安裝座、高壓設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)以及其他零件焊接組成，如圖1 所示。

圖1 200 km 城際（市域）動(dòng)車組車頂結(jié)構(gòu)

1.2 車頂結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在200 km 城際（市域）動(dòng)車組車輛運(yùn)行當(dāng)中，車頂雖然不會(huì)受到車鉤的壓力與拉力，但是因?yàn)檐図敯惭b著各種設(shè)備，需要承擔(dān)重力和空氣阻力，為保證車頂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、工藝可行性以及輕量化要求，通過以下措施進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.2.1 兩側(cè)車頂邊梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車頂邊梁是傳遞車體縱向載荷、保證車體剛度的關(guān)鍵部件。按照以往的鋁合金車頂設(shè)計(jì)及經(jīng)驗(yàn)，車頂邊梁采用大斷面，中間布有斜筋的擠壓型材，車頂組成由車頂邊梁與車頂中間型材焊接而成。參考原型車邊梁型材斷面計(jì)算時(shí)，車頂區(qū)域處在臨界點(diǎn)位置，存在風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合200 km 城際（市域）動(dòng)車組空調(diào)機(jī)組以及受電弓和高壓設(shè)備全部集中在一輛車上，且空調(diào)機(jī)組重量較傳統(tǒng)機(jī)組增重75 kg 來分析，車頂需要承載更多的重量。綜合以上因素，對(duì)車頂邊梁斷面進(jìn)行優(yōu)化。

車頂邊梁經(jīng)截面優(yōu)化后，整體剛度有著明顯的改善提升，對(duì)空調(diào)機(jī)組的安裝剛度以及整車剛強(qiáng)度計(jì)算都有很大的貢獻(xiàn)，車頂邊梁型材截面優(yōu)化如圖2 所示。

圖2 車頂邊梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)比

1.2.2 車頂受電弓安裝座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

受電弓通過3 個(gè)安裝座與車體相連，傳統(tǒng)受電弓安裝座一般采用底座與安裝板拼焊結(jié)構(gòu)組成，如圖3所示。此種結(jié)構(gòu)要求有空腔的安裝操作空間，并且由于安裝結(jié)構(gòu)小，焊接區(qū)域密集，焊接后存在應(yīng)力集中導(dǎo)致安裝精度差等現(xiàn)象。

圖3 受電弓以及傳統(tǒng)安裝座結(jié)構(gòu)形式

200 km 城際（市域）動(dòng)車組受電弓安裝座采用厚鋁板切割，避免了自身的結(jié)構(gòu)焊接，簡(jiǎn)化制作工序，提高了產(chǎn)品的良品率。另外，200 km 城際（市域）動(dòng)車組受電弓安裝座為減少與車頂?shù)暮附用娣e，且車頂為弧頂結(jié)構(gòu)，為降低定位難度，滿足車輛對(duì)輕量化等要求，將焊接立壁設(shè)計(jì)成3 mm 厚鋁板，提高焊接性能。設(shè)備安裝面采用盲孔預(yù)埋螺紋襯套結(jié)構(gòu)。避免雙向緊固對(duì)安裝座操作空間的要求。具體結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 優(yōu)化后受電弓安裝座結(jié)構(gòu)形式

1.2.3 車頂高壓設(shè)備安裝座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

200 km 城際（市域）動(dòng)車組車頂設(shè)置避雷器、變流器等電氣設(shè)備。并且車頂還布置有高壓隔離開關(guān)、電流互感器等高壓設(shè)備。因?yàn)檐図敳捎脽o平頂結(jié)構(gòu)，無法采用傳統(tǒng)的下沉式安裝座。

因此，車頂安裝座設(shè)計(jì)為厚鋁板加工預(yù)埋螺紋襯套結(jié)構(gòu)，如圖5 所示。為保證安裝座與弧面車頂?shù)暮附淤|(zhì)量。安裝座采用3 mm 薄壁與車頂進(jìn)行焊接。安裝座與車頂型材堵板結(jié)構(gòu)采用焊接方式。

圖5 優(yōu)化后高壓設(shè)備安裝座結(jié)構(gòu)形式

1.2.4 車頂空調(diào)安裝座優(yōu)化

車頂設(shè)空調(diào)機(jī)組，空調(diào)安裝座采用型材拼焊，然后與車頂焊接，根據(jù)以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，空調(diào)安裝座的安裝孔一般都是先加工后與車頂組焊，鋁合金車頂制造工藝流程如圖6 所示。

圖6 鋁合金車頂制造工藝流程

根據(jù)以上原因，對(duì)空調(diào)安裝座安裝孔加工順序進(jìn)行調(diào)整，在車體附件組焊后空調(diào)安裝孔在車體組成進(jìn)行整體加工，保證空調(diào)設(shè)備的安裝精度，如圖7 所示。

圖7 車頂結(jié)構(gòu)模塊示意圖

2 車頂結(jié)構(gòu)性能評(píng)估

為保證車體的安全可靠性，靜強(qiáng)度、車體剛度與載荷按照EN 12663—1《鐵路應(yīng)用設(shè)施.鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求.第1 部分：機(jī)車與客用車（和貨車的替換法）》中P－II 類（固定機(jī)組）的要求執(zhí)行，車體在承受各種最大垂直載荷的同時(shí)，沿車鉤安裝縱向水平方向施加1 500 kN 的靜壓載荷，拉伸載荷1000 kN，車體應(yīng)力不超過設(shè)計(jì)許用應(yīng)力。車頂板在200 cm2的面積上需能承受1 000 kN 的垂直載荷。

2.1 疲勞強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)EN 12663—1 的規(guī)定，車體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的校核方式有兩種：一種是疲勞極限法，另一種是基于損傷累計(jì)方法；并指出在車體疲勞校核工況下，車體的最小疲勞循環(huán)次數(shù)不小于107 次。200 km 城際（市域）動(dòng)車組采用基于Smith-Goodman 曲線的疲勞極限法對(duì)車體進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核。

根據(jù)疲勞強(qiáng)度工況計(jì)算得到母材和焊縫主應(yīng)力，所得焊縫和母材Smith 形式的Goodman 疲勞極限圖如圖8、圖9 所示?？梢钥闯?，在所有計(jì)算工況下，計(jì)算所得母材較大應(yīng)力處和焊縫處的應(yīng)力幅值、均值皆被包含在Goodman 曲線內(nèi)，結(jié)合車頂局部在疲勞工況下的應(yīng)力云圖如圖10 所示，從而證明車頂結(jié)構(gòu)滿足疲勞強(qiáng)度要求。

圖8 焊縫Smith 形式的Goodman 疲勞極限圖

圖9 母材Smith 形式的Goodman 疲勞極限圖

圖10 疲勞工況下車頂應(yīng)力云圖

2.2 靜強(qiáng)度計(jì)算

靜強(qiáng)度采用第四強(qiáng)度理論對(duì)車體強(qiáng)度進(jìn)行校核，要求各個(gè)工況下結(jié)構(gòu)的Von-Mises 應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力。

根據(jù)EN 12663—1 中的規(guī)定，在各種工況下，母材許用應(yīng)力即是屈服強(qiáng)度，在焊縫處取安全系數(shù)1.1，即許用應(yīng)力為屈服強(qiáng)度除以安全系數(shù)1.1。

根據(jù)各個(gè)工況下的應(yīng)力計(jì)算，車頂計(jì)算結(jié)果最大為6.9 MPa。車頂各部位均小于材料允許的用應(yīng)力215 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。車頂局部最大等效應(yīng)力云圖如圖11 所示。

圖11 頂局部最大等效應(yīng)力云圖

3 結(jié)論

通過對(duì)車頂邊梁斷面優(yōu)化，結(jié)合仿真計(jì)算結(jié)果。證明車頂結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求，為整車的剛強(qiáng)度計(jì)算以及模態(tài)仿真提供了有利的結(jié)構(gòu)支撐。結(jié)合工藝制造可行性分析和實(shí)際生產(chǎn)遇見的問題，通過對(duì)受電弓安裝座、高壓設(shè)備安裝座以及空調(diào)機(jī)組安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，通過實(shí)際生產(chǎn)的應(yīng)用，證明車頂結(jié)構(gòu)優(yōu)化后有利于生產(chǎn)制造，提高了制造效率和整車品質(zhì)，從而節(jié)約了制造成本，為后續(xù)車頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。