快速市域車鋁合金車體側墻結構設計

沃少帥，計夢男，梁森，孫維超，李茁，張金玲，陳旭，張小龍

（北京京投軌道交通技術研究院有限公司，北京 100070）

0 引言

市域快軌交通在國內(nèi)整個交通體系中發(fā)展相對緩慢，是介于城市軌道交通（地鐵、輕軌）和城際高速鐵路之間的新型運輸模式[1]，由于它具有特殊的大載客量、低運營成本、快起快停、快速乘降等優(yōu)點，因此適用于城市與郊區(qū)、重點城鎮(zhèn)間、中心城市與衛(wèi)星城等。目前高鐵、城際鐵路規(guī)劃都在快速推進，但在建和運營的市域快軌比例非常少，因此市域快軌將來可能會成為國家的重點發(fā)展對象，并越來越受到人們的青睞[2-7,9]。本文介紹了市域快軌中的快速市域車車體，著重介紹了快速市域車鋁合金車體側墻結構的設計。

1 側墻結構設計

快速市域車車體采用大型中空鋁合金擠壓型材整體組焊和模塊化設計結構，主要由底架、側墻、車頂、司機室骨架和端墻五大部分組成，如圖1所示。其中，側墻在車體結構中起著關鍵作用，與其它四大部件都有緊密聯(lián)系，上與車頂相連，下連接底架，一位端連接司機室骨架，二位端連接端墻。同時，側墻的機加工需要核對對應部位的接口，尤其是門和窗（該處的接口對側墻的強度、剛度和平面度影響較大）。因此，側墻設計質量對整車車體設計的強度、剛度、焊接質量等影響重大。

圖1 市域車車體總圖

1.1 側墻的主要技術參數(shù)

如圖2所示，車體整個側墻主要由2個整體側墻單元、8個門立柱單元、2個側墻端角柱單元、2個側墻上部連接件、4個雨檐和4個外緊急解鎖襯套組成。該車體總共有2對門、6對窗，其中：門的寬度為1370 mm，高度為2116 mm；窗口的寬度為1400 mm，高度為910 mm。

圖2 車體總圖（側墻外面）

1.2 整體側墻單元設計

本側墻的結構與傳統(tǒng)的模塊化側墻[2]有所不同，采用5塊通長的型材組焊而成，這比模塊化側墻加工周期短，側墻整體性得到提高，強度和剛度也相應提高，降低了側墻型材變形量，而且各大塊型材之間采用通長自動焊縫，會減少像模塊化側墻門立柱與側墻的折線焊縫數(shù)量（折線焊縫數(shù)量會增加熱應力集中區(qū)域，該區(qū)域由于應力集中會出現(xiàn)凹坑或凸起現(xiàn)象），同時，該單面?zhèn)葔Φ拈T數(shù)（2個）比其他軌道車輛[8-9]（單面通常為4～5個）少，并且為單扇門（城市軌道車輛通常為雙扇門），門口的開口尺寸比城市軌道車輛小，因此該側墻結構具有較高的整體強度、剛度和良好的氣密性。該側墻的窗口設計不僅美觀，而且尺寸一致，便于工人加工，提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。

1.2.1 側墻板設計

每塊側墻板型材通過減小側墻板內(nèi)外壁壁厚，不斷優(yōu)化型材內(nèi)部立筋分布，在滿足強度的要求下，盡量減小質量，實現(xiàn)側墻設計的輕量化（如圖4）。側墻板采用通長的雙層中空鋁合金型材組焊而成，該焊接工藝有利于提高側墻板整體剛度和強度，同時提高車體氣密性，隔聲降噪。其中：最上部的側墻上部縱梁組成是由2塊型材（側墻上部縱梁（一）和側墻上部縱梁（二））與中間加工的厚板件（側墻上部連接件7）組焊而成，下部的4塊型材（側墻板（一）、側墻板（二）、側墻板（三）、側墻板（四））通過焊接機器人采用長直焊縫一次性自動焊接成型，最后，側墻上部縱梁組成與側墻下墻板組成通長一次性自動連續(xù)焊接，這種一次性自動焊接成型工藝及合理的焊接順序會使側墻板的變形在制造過程中得到很好的控制。側墻前端件結構（側墻上部連接件7）相對比較復雜，這是機床機械加工的連接件。板材的加入主要為了與車頂一位端的邊梁相接，對車頂邊梁起到支撐作用，同時，側墻上部連接件7上設計了排水槽（如圖4），便于車頂型材邊梁的排水。

圖4 側墻板結構圖

整體式側墻加工簡便，在精密的數(shù)控車床上可以連續(xù)切割車門和車窗，機加工完成后，直接與底架、車頂、端墻、司機室骨架合成車體，節(jié)省了大量時間，且降低了生產(chǎn)人員的勞動強度。此外，型材設計含有通長的C槽（這用于座椅、內(nèi)裝板、行李架和門機構等內(nèi)裝件的安裝），減少了焊接C槽的時間。每相隔1～2 m會切除寬60 mm垂向的通長C槽（圖3中標注出一條通長切除C槽），這為了方便后續(xù)滑塊安裝和拆卸，有利于工人施工。

圖3 車體總圖（側墻內(nèi)面）

1.2.2 門立柱單元設計

門立柱單元由門立柱、門立柱后筋板、門立柱底架筋板3部分組成。門立柱采用10 mm厚的板材機械加工折彎件，與側墻相連。門立柱的一端與側墻型材外輪廓線一致，另一端為折彎區(qū)域，門立柱與側墻的連接通過在側墻型材上開HV型坡口來進行焊接。門立柱后邊有5塊厚度為6 mm的筋板，用于增強門立柱的強度和剛度。門立柱后筋板上的2個孔不僅可以減重，還便于后續(xù)電氣設備的穿線。門立柱上的長圓孔可以方便安裝門機構。由于門機構開關門會給門立柱縱向方向的力，因此，為了使門立柱的強度和剛度更高，在門立柱最下面焊接10 mm厚的門立柱底架筋板（如圖5）。采用板材的門立柱單元，不僅滿足強度的要求，而且節(jié)省了像擠壓型材門立柱[10]的模具費。

圖5 門立柱單元結構

1.2.3 端角柱單元設計

端角柱單元與側墻板采用插接的方式連接，如圖6所示。端角柱前端有2個擋膠板，可以防止司機室頭罩打膠時膠水隨意流動而影響粘接效果。端角柱結構為彎曲型材，折彎半徑很小，且折彎方向是在相對窄的一面，折彎難度很大，型材折彎處會起褶皺，為了防止褶皺的出現(xiàn)，在端角柱下部開了一個工藝豁口后再折彎。為了防止豁口影響氣密性，四周用封板封堵。端角柱最下面3個圓孔為電氣設備的穿線孔，便于電氣設備往司機室走線。

圖6 端角柱單元設計

1.2.4 雨檐設計

雨檐采用一定厚度的板材，經(jīng)過加工折彎，然后通過分段焊的形式焊接到側墻門口上方，未焊接區(qū)域需要打膠處理（如圖7），雨檐的形狀為L形，雨檐的長度要大于門的寬度，這樣才能避免雨天時開關門雨水對乘客上下車造成影響。該方案做工簡便，滿足需求，節(jié)省成本。

圖7 雨檐

1.2.5 電解鎖鑰匙和外緊急襯套設計

電解鎖鑰匙和外緊急襯套都為板材加工件，電解鎖鑰匙襯套采用與側墻型材寬度、厚度相同的板材，通過機床加工成形。如圖8所示，襯套的中間部分開適當大小的方孔，且該孔需要貫通整個板材，這由電解鎖鑰匙形狀和安裝形式?jīng)Q定；襯套的前端還需要切出適當深度的凹槽，可以防止電解鎖鑰匙凸出側墻輪廓線；襯套前端需要加工4處貫通板材的螺紋襯套孔，該孔深度大小需與電解鎖鑰匙螺釘尺寸保持一致；襯套的后端需要切出一定深度的凹槽。外緊急襯套與電解鎖鑰匙襯套一致，為機加工板材件，襯套的中間部分開適當大小的圓孔，且該孔需要貫通整個板材，這由外緊急的形狀和安裝形式?jīng)Q定；襯套的前端還需要切出適當深度的凹槽，作用與電解鎖鑰匙襯套相似，為了防止外緊急凸出側墻輪廓線；襯套前端需要加工4處一定深度的螺紋襯套孔，該孔深度大小需與外緊急的螺釘尺寸保持一致。

圖8 電解鎖鑰匙襯套和外緊急襯套

2 側墻結構所用材料

為了保證整體側墻的結構強度，除了優(yōu)異的設計結構，還需要選擇合適的鋁合金材料，同時需要考慮材料的焊接可達性。根據(jù)材料的具體位置和作用（尤其是受力狀況）來選擇材料，本側墻結構所有型材都采用EN AW-6005A-T6材料，門立柱、門立柱后筋板、門立柱底架筋板和端立柱下筋板都采用EN AW-5083-H111材料，關鍵部件側墻上部連接板、外緊急襯套、電解鎖鑰匙襯套選用EN AW-6082-T6材料。

3 側墻靜強度分析

側墻不能作為一個單獨模塊來進行強度計算，需要在整車模型設計后，參照EN12663[11]要求，對整車模型在各種工況下的靜強度計算來分析側墻結構的合理性。由于側墻的門口和窗口需要機床加工切除，切除后的門口和窗口易為應力集中區(qū)，因此一般門口和窗口區(qū)域的靜強度是工程師的關注點。有4種計算工況：1）工況一。AW3垂向載荷工況。2）工況二。1.3AW3垂向載荷工況。3）工況三。AW0＋1500 kN縱向壓縮。4）工況四。AW3＋1500 kN縱向壓縮。如圖9所示，可以看出門角和窗角為應力集中區(qū)域，表1為圖9對應的各處最大應力值，可知：門角和窗角在這4種工況下，最大應力值都小于許用應力值。其余工況下應力相對較小，且強度校核合格，證明側墻結構強度滿足要求，側墻結構的設計合理。

圖9 車體側墻門角和窗角應力圖

表1 4種工況靜強度最大值匯總

4 結論

1）快速市域車采用中空鋁合金型材，在滿足強度要求的情況下實現(xiàn)輕量化；2）側墻采用整體式鋁合金側墻的設計，加工流程簡單，安裝方便，既提高了生產(chǎn)效率，也降低了生產(chǎn)人員的勞動強度，同時提高了側墻的整體強度和剛度，減少了折線焊縫的數(shù)量（熱應力集中區(qū)域減少），保證了車體整體美觀性；3）側墻的中空鋁型材和單側側墻門數(shù)較少等設計都有利于提高車體的密封性，對車體提速至關重要；4）側墻前端件結構為板材機械加工件，為異型件，可連接車頂、側墻型材，同時設計了排水槽，方便車頂排水；5）門立柱單元采用板材結構，便于門機構的安裝，比擠壓型材節(jié)省大量成本（尤其是模具開模費用），且滿足強度要求；6）為了防止端角柱折彎時出現(xiàn)褶皺，在端角柱下部開了一個工藝豁口后再折彎；7）提供了一種新型的板材折彎雨檐，加工簡單，安裝方便，節(jié)約成本；8）提供了一種新型的軌道車輛電解鎖鑰匙襯套和外緊急襯套結構，其結構簡單、安裝方便，采用板材結構，價格低廉。