快速市域動車組車下設(shè)備艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳 旭

（北京軌道交通技術(shù)裝備集團(tuán)有限公司，北京 100071）

市域動車組在軌道上高速運(yùn)行時(shí)，面臨非常復(fù)雜的外部環(huán)境，如列車運(yùn)行和交叉口產(chǎn)生的氣壓波，運(yùn)行中遇到的雨、雪、風(fēng)暴，以及外部物體對列車下方區(qū)域的高速沖擊。然而，動車組的主要設(shè)備是通過吊裝方式安裝在車架下，復(fù)雜的外部環(huán)境因素嚴(yán)重威脅著高速列車的運(yùn)行安全。為了保護(hù)車下設(shè)備和高速動車組的安全運(yùn)行，需要在快速市域車下設(shè)置設(shè)備艙[1]。

1 設(shè)計(jì)原則

1.1 設(shè)備艙內(nèi)外部輪廓

設(shè)備艙的外部輪廓須不超出該線路車輛限界，同時(shí)滿足美工的要求。設(shè)備艙的內(nèi)部輪廓與車下設(shè)備的最小距離須大于30 mm，保證安裝過程中或運(yùn)維過程中不發(fā)生干涉或磕碰。

1.2 設(shè)備艙強(qiáng)度要求

靜強(qiáng)度要求：設(shè)備艙底板靜載工況為內(nèi)外表面壓差±3 kPa；設(shè)備艙裙板、設(shè)備艙骨架、設(shè)備艙端板靜載工況為內(nèi)外表面壓差±2 kPa。

疲勞強(qiáng)度要求：在設(shè)備艙的疲勞工況為內(nèi)外表面壓差±1 kPa 條件下，進(jìn)行107次循環(huán)疲勞壽命計(jì)算，在壽命周期內(nèi)，設(shè)備艙所有結(jié)構(gòu)件及焊接件應(yīng)滿足材料的強(qiáng)度要求。

2 結(jié)構(gòu)組成及安裝方式

車下設(shè)備艙位于車體底架下方，主要包括骨架組成、裙板組成、底板組成和端板，如圖1 所示。

圖1 設(shè)備艙結(jié)構(gòu)組成

2.1 骨架組成

骨架組成是設(shè)備艙整體的承載結(jié)構(gòu)，主要包括吊裝支架、支撐槽，其中吊裝支架包括梯形支架和豎向支架，如圖1 所示。梯形支架是由多種不同規(guī)格的鋁合金型材焊接而成的梯形結(jié)構(gòu)，通過兩端的吊座，以螺栓連接的方式與車體底架邊梁固定；豎向支架為方鋼和鋼板的焊接結(jié)構(gòu)，通過螺栓與底架下方的C 槽連接。根據(jù)車下設(shè)備的安裝位置布置梯形支架，且每個(gè)吊裝支架之間的間隔應(yīng)盡量均勻，不應(yīng)過大或過小。若2 個(gè)吊裝支架的間距較大，則需要在二者之間增加1 個(gè)或多個(gè)豎向支架，以保證該區(qū)域的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[2]。

支撐槽采用鋁合金型材，且每根支撐槽上加工有吊裝支架安裝接口、裙板安裝接口和底板安裝接口等。支撐槽與吊裝支架通過預(yù)埋在支撐槽型腔內(nèi)的螺紋滑塊進(jìn)行螺栓連接，從而形成設(shè)備艙整體的承載結(jié)構(gòu)。每根支撐槽的長度根據(jù)該區(qū)域的裙板數(shù)量及長度、底板數(shù)量及長度而定，為保證裙板和底板的安裝，一塊裙板（或底板）的所有安裝接口須設(shè)置在同一根支撐槽上。

2.2 裙板組成

裙板位于設(shè)備艙兩側(cè)，用于保護(hù)車下設(shè)備的側(cè)部，防止風(fēng)沙、石礫和雨雪的沖擊或侵襲，同時(shí)優(yōu)化空氣動力學(xué)性能。裙板的分塊及布置須遵循兩側(cè)對稱的布置方式，裙板的分塊需要跟據(jù)車下設(shè)備的布置及通風(fēng)散熱、檢查空間需求進(jìn)行分塊設(shè)計(jì)，且每塊裙板的長度盡量不大于2 m，從而保證檢修維護(hù)時(shí)的便捷。裙板的組成包括裙板主體、裙板鎖、鎖座、通風(fēng)格柵和密封膠條等，如圖2 所示，其中：裙板主體由2 塊鋁型材拼焊而成，焊接方式采用攪拌摩擦焊，以保證裙板主體焊接后的輪廓度。對焊接后的裙板主體進(jìn)行機(jī)加工，預(yù)留裙板鎖、通風(fēng)格柵和密封膠條等附件的安裝接口，以及裙板主體與設(shè)備艙骨架的安裝接口；裙板鎖包括轉(zhuǎn)舌鎖和碰鎖2 種鎖型，在便于檢修維護(hù)的同時(shí)，為車輛的運(yùn)行安全提供保障；通風(fēng)格柵根據(jù)車下設(shè)備的通風(fēng)需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，原則上通風(fēng)格柵的面積不應(yīng)小于設(shè)備自身通風(fēng)口的面積，且通風(fēng)格柵的位置盡量正對設(shè)備自身通風(fēng)口，從而滿足設(shè)備的散熱或進(jìn)風(fēng)需求；密封膠條安裝在裙板主體的四周，通過與設(shè)備艙骨架及相鄰裙板的擠壓，保證除通風(fēng)格柵以外設(shè)備艙整體的密封性。

圖2 裙板組成

裙板主體下端與支撐槽之間通過銷軸連接，每塊裙板設(shè)置2~4 個(gè)銷軸連接點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)骨架對裙板的垂向承載及裙板自身的上下翻轉(zhuǎn)；裙板上端通過裙板鎖與安裝在車體底架邊梁下方的鎖座進(jìn)行連接；每塊裙板是相對獨(dú)立的，相鄰的裙板之間無剛性連接，只通過裙板兩側(cè)的密封膠條支架的擠壓，實(shí)現(xiàn)裙板之間的密封。

2.3 底板組成

底板位于設(shè)備艙底部，用于保護(hù)車下設(shè)備的底部，防止風(fēng)沙、石礫、雨雪的沖擊或侵襲。底板的分塊及布置須根據(jù)車下設(shè)備的布置及通風(fēng)散熱、檢查空間需求進(jìn)行分塊設(shè)計(jì)，且每塊底板寬度保持一致，由兩側(cè)支撐槽的間距決定；底板的長度盡量不大于1.5 m，從而保證檢修維護(hù)時(shí)的便捷。底板組成包括底板主體、底板橫梁、底板鎖、防脫插銷、通風(fēng)格柵和密封膠條等，如圖3 所示，其中底板主體采用鋁板與鋁蜂窩的三明治夾層結(jié)構(gòu)，四周由鋁型材封邊，整體為全金屬結(jié)構(gòu)。上下蒙皮均采用雙面環(huán)氧處理的鋁合金板材，與鋁蜂窩芯層及四周的型材框架通過膠粘復(fù)合而成；底板橫梁采用鋁合金型材，分別與底板主體和支撐槽連接，用于減小底板在車輛運(yùn)行過程中產(chǎn)生的垂向振幅；通風(fēng)格柵根據(jù)車下設(shè)備的通風(fēng)需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，原則上通風(fēng)格柵的面積不應(yīng)小于設(shè)備自身通風(fēng)口的面積，且通風(fēng)格柵的位置盡量正對設(shè)備自身通風(fēng)口，從而滿足設(shè)備的散熱或進(jìn)風(fēng)需求；密封膠條安裝在底板主體的四周，通過與設(shè)備艙骨架及相鄰底板的擠壓，保證除通風(fēng)格柵以外設(shè)備艙整體的密封性。

圖3 底板組成

底板主體與支撐槽之間通過底板鎖進(jìn)行連接，每塊底板設(shè)置4~6 個(gè)底板鎖、4 個(gè)防脫插銷，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備艙骨架對底板的垂向承載及底板鎖失效情況下的防脫功能；底板橫梁兩端與支撐槽通過螺栓連接，中間位置與底板主體通過螺栓配合套筒的方式進(jìn)行固定；每塊底板是相對獨(dú)立的，相鄰的裙板之間無剛性連接，只通過底板兩側(cè)的密封膠條支架的擠壓，實(shí)現(xiàn)底板之間的密封。

2.4 端板組成

端板位于設(shè)備艙兩端，用于封堵設(shè)備艙兩端，使設(shè)備艙形成相對密閉的空間結(jié)構(gòu)，同時(shí)為車下的各類管路、線路和風(fēng)道提供安裝接口。由于端板的安裝位置靠近轉(zhuǎn)向架，因此需要校核轉(zhuǎn)向架的運(yùn)動范圍，將端板設(shè)置在轉(zhuǎn)向架動態(tài)包絡(luò)范圍以外，以免車輛運(yùn)行過程中發(fā)生干涉，導(dǎo)致危險(xiǎn)。端板由端板主體、吊耳和密封板焊接而成，如圖4 所示，其中端板主體為鋁型材，原則上端板的外輪廓與設(shè)備艙斷面的外輪廓一致。根據(jù)車下布管布線的位置以及端板與車體底架的安裝接口，機(jī)加工出管線的安裝接口、吊耳的焊接接口及與支撐槽的轉(zhuǎn)接接口；吊耳為鋁板折彎件，吊耳的布置應(yīng)盡量遵循兩側(cè)對稱原則，且間隔盡量均勻；密封板為鋁板折彎件，焊接在端板主體兩側(cè)，用于密封端板主體的型腔，以免雜物進(jìn)去。

圖4 端板組成

端板上部的吊耳與車體底架下方的C 槽通過螺栓進(jìn)行連接，安裝工程中可以通過調(diào)整墊及長圓孔調(diào)整端板與車體的相對位置，需要保證的是端板下沿不得低于底板的下平面、端板側(cè)沿不能超出裙板外輪廓；端板下部與支撐槽通過轉(zhuǎn)接板進(jìn)行螺栓連接，從而保證端板的穩(wěn)定性。

3 計(jì)算驗(yàn)證

根據(jù)設(shè)計(jì)原則中的設(shè)備艙強(qiáng)度要求，進(jìn)行仿真計(jì)算驗(yàn)證。

3.1 靜強(qiáng)度驗(yàn)證

（1）垂向加速度為1 g，同時(shí)對底板施加+3 kPa 外載荷，對裙板和端板施加+2 kPa 外載荷，如圖5 所示。

圖5 外載荷及約束

設(shè)備艙整體的等效應(yīng)力分布如圖6 所示，等效應(yīng)力主要集中在豎向支架、底板橫梁、支撐槽和端板組成等部件上，但是主要應(yīng)力集中部位的應(yīng)力值基本不超過80 MPa，相比之下，吊架、頂板和設(shè)備艙裙板處的等效應(yīng)力很小，基本可以忽略。

圖6 設(shè)備艙整體等效應(yīng)力分布

（2）垂向加速度為1 g，同時(shí)對底板施加-3 kPa 外載荷，對裙板和端板施加-2 kPa 外載荷，如圖7 所示。

圖7 外載荷及約束

設(shè)備艙整體的等效應(yīng)力分布如圖8 所示，等效應(yīng)力主要集中在豎向支架、底板橫梁、支撐槽和端板組成等部件上，但是主要應(yīng)力集中部位的應(yīng)力值基本不超過80 MPa，相比之下，設(shè)備艙裙板、底板處具有較小的等效應(yīng)力，最大不超過15 MPa；梯形支架連接處的等效應(yīng)力很小，基本可以忽略。

圖8 設(shè)備艙整體等效應(yīng)力分布

3.2 疲勞強(qiáng)度驗(yàn)證

如圖9 所示，壽命云圖之所以呈現(xiàn)全部紅色，是因?yàn)槭艿劫x予各部件材料屬性的限制，準(zhǔn)確來說是受到材料的S-N 曲線及應(yīng)力壽命曲線的限制。WORKBENCH 材料庫中以上材料的S-N 曲線的循環(huán)次數(shù)最值只達(dá)到1×108，因此仿真計(jì)算時(shí)當(dāng)部件的壽命達(dá)到1×108循環(huán)次數(shù)時(shí)就會自動終止。因此，計(jì)算結(jié)果顯示設(shè)備艙整體疲勞壽命全部維持在1×108循環(huán)次數(shù)以上，即在對設(shè)備艙施加1 000 Pa 載荷的情況下，各部件均能達(dá)到預(yù)期的1×107循環(huán)次數(shù)壽命。

圖9 設(shè)備艙整體疲勞分析壽命云圖

4 結(jié)束語

快速市域車設(shè)備艙的設(shè)計(jì)過程要考慮實(shí)際運(yùn)營工況，在滿足足夠強(qiáng)度要求和沖擊振動等要求的同時(shí)，滿足車下設(shè)備的通風(fēng)需求及檢修維護(hù)需求。在本文所描述的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，要根據(jù)車輛的速度等級、車體結(jié)構(gòu)和車下設(shè)備布置等設(shè)計(jì)輸入條件進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)，并對新結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。