城軌車輛不銹鋼車體結構優化

2014-01-01 00:00:00張永強

電子世界 2014年2期

【摘要】文章對輕量化不銹鋼車體結構進行了介紹，并重點對車體選材、輕量化設計、激光焊等技術優化進行了分析，最后對不銹鋼車體優點進行了總結。

【關鍵詞】不銹鋼車體；輕量化；激光焊

目前，國內城軌車輛的材質主要有不銹鋼和鋁合金兩種。不銹鋼車體由于強度剛度高、耐腐蝕能力強、維護保養成本低等突出優點，越來越受到國內軌道車輛制造企業的重視。近幾年，隨著不銹鋼車體輕量化設計取得顯著成功，不銹鋼車體廣泛應用于城軌車輛產品，市場份額快速增長。

1.不銹鋼車體結構

不銹鋼車體主要由車頂、底架、側墻、端墻和司機室（僅頭車有）五大部件組成，五大部件在專門的總組裝臺位采用焊接方式聯接成完整的車體。

2.各主要部件結構

2.1 車頂

車頂分為平頂和弧頂兩部分，平頂用于安裝空調和受電弓裝置，弧頂由邊梁與彎梁通過連接板點焊在一起，形成骨架結構，在弧頂上面鋪設波紋板，板、梁間通過自動編程點焊連接。平頂能支撐空調機組和內裝部件以及檢修人員的載荷，設計時充分考慮了平臺的自身強度、剛度及其對車體總體強度、剛度的影響，確保能夠順暢傳遞縱向載荷，同時特別考慮平頂的平整度以確保水密性和平頂流水的順暢。

空調平頂采用內嵌式安裝結構，取消平頂板，減少焊接工作量，降低平頂重量。平頂兩側設有集水槽，與排水管相連，平頂的雨水進入集水槽后，通過與之相通的排水管，從底架下部直接排出。車頂風道、頂板等設備通過兩根鋁型材整體吊掛在車頂彎梁上，車頂沒有多余的焊件，結構簡單，檢修維護方便。

2.2 底架

底架采用無中梁結構，由牽引梁、枕梁、緩沖梁、邊梁、橫梁、波紋地板等組成。底架兩側為兩根不銹鋼冷彎型鋼邊梁，在它們之間布置不銹鋼主橫梁，主橫梁間距根據車下吊裝設備需要進行調整，在主橫梁上部鋪設不銹鋼波紋地板，可支撐AW3的乘客載荷。不銹鋼邊梁與主橫梁間采用連接板點焊連接。牽引梁、枕梁為箱形組焊結構，受力穩定，能夠有效傳遞各種載荷。在底架設計時以安全、可靠為主，兼顧考慮輕量化。邊梁、緩沖梁、波紋地板等為不銹鋼材料，牽引梁、枕梁、端部內邊梁為耐候結構鋼材料。

底架的設計結構可以實現碳鋼端部底架的預先整體噴漆保護要求，提高碳鋼部分的耐腐蝕能力。

底架枕梁附近設有八處抬車墊板，滿足車輛的檢修、吊運和救援作業需要，抬車位局部加強，同時在車體上作指導作業的標記。

頭車底架司機室端設有邊緣為齒型的防爬器，在出現撞車事故時，齒型邊緣可以保證兩列車對中撞擊，確保沖擊力沿底架傳遞，避免相撞列車之間發生爬疊現象。齒型防爬器后面設有吸能裝置，吸能裝置可有效吸收列車撞擊時產生的能量，使車輛及乘客的損傷降至最低。

2.3 側墻

側墻采用模塊化設計結構，由數個側墻單元模塊組成，單元模塊主要由側墻外板、門立柱、窗立柱、橫梁、側墻上邊梁等組成。

側墻是不銹鋼車體外觀最顯眼部位，外觀平整光滑，同時又是承載的重要部件，門角和窗角為應力集中區，所以在門角、窗角處均設有補強板。在設計、有限元計算、試驗時將重點關注側墻的焊接強度、整體剛度和疲勞壽命等問題，避免車輛在運用中產生永久變形和疲勞裂紋。

側墻立柱與窗上、下橫梁以及內層筋板組焊成側墻單元。門口采用槽型立柱形成門型框架。側墻梁柱為帽形斷面，與外板點焊后形成箱形結構，加大了斷面系數，提高了抗彎剛度。門口框架、側墻單元與通長的縱向側墻上邊梁以及邊梁上橫梁等部件牢固地連接成一個整體，并在門角和窗角設有補強板以減少應力集中，從而保證車體在縱向、垂向、扭轉等載荷作用下，強度、剛度滿足要求，客室門開、關運動自如。圖1為側墻內部結構。

圖1 側墻內部結構

側墻外板采用具有裝飾性的2G表面的不銹鋼磨砂板，不帶波紋和壓筋，便于車輛清洗。采用磨砂板可以使產品具有良好的外觀質量，提高產品的商品化程度。

側墻與內裝間通過T型螺栓結構或鉚螺母結構安裝，沒有多余的焊件，結構簡單，使用維護方便。

2.4 端墻

端墻結構主要由端角柱、端彎梁、門立柱、門檻、橫梁、外端板等組成。端墻將車頂、側墻、底架有機的結合成一體，共同承受車體所受的各種載荷。端墻結構滿足聯掛載荷的要求，當列車發生撞擊事故時，能夠防止客室受損，保證乘客的人身安全。在端墻設計時，充分考慮貫通道安裝以及貫通道開口對車輛整體強度的減弱，對其做了必要的補強。為了保證端墻的平面度，盡量采用焊接變形量較小的電阻點焊。

端墻板采用整體沖壓成型的模壓件，造型美觀，提高了端墻板自身剛度，取消補強梁。

2.5 司機室

司機室的外部造型體現了現代地鐵列車的造型特點，代表著現代城市軌道運輸系統的時尚。司機室主要由鋼骨架、玻璃鋼外罩、裙板等組成。鋼骨架與玻璃鋼外罩預組成一體，整體安裝。司機室兩側設有登車腳蹬和扶手。

3.不銹鋼車體技術優化

國內外車輛制造企業在滿足車體相關強度、剛度要求的前提下，在地鐵用不銹鋼材料的選擇上進一步優化，選用強度高、質量輕的不銹鋼材料。同時，結合不銹鋼激光焊接技術，在車體的不同部位選用不同強度等級的薄鋼板，降低車體重量，優化不銹鋼車體技術。

3.1 采用專用不銹鋼結構材料

地鐵車輛車體結構主要采用了符合JISG4305標準的SUS301L、SUS304和符合EN10088-2標準的EN1.4318奧氏體不銹鋼材料。其中，SUS301L不銹鋼材料在壓延調質后可得到不同強度等級的高強度不銹鋼材料，分為LT、DLT、ST、MT、HT共計5個強度等級，可根據車體具體承載情況應用到不同車體結構部位，減小車體結構所用板材的厚度，從材料方面實現車體輕量化。

3.2 輕量化車體設計

對于不銹鋼車體，優化車體局部結構，降低車體重量。同時，通過認真分析有限元仿真結果和實物試驗數據，保證車體強度、剛度滿足使用要求。

（1）車體

車體設計中，應用成熟的不銹鋼地鐵的技術平臺和結構，采用模塊化設計方法，簡化各種吊掛安裝件的接口結構，從而實現車體的輕量化。經過輕量化設計，點焊不銹鋼車體及其附件重量最低可減為7.9t。

（2）底架

底架采用了滾壓成型的波紋地板，提高地板自身剛度，取消支撐用縱向梁。同時，優化端部底架結構，實現碳鋼端部底架的預先整體拋丸噴漆工藝，提高碳鋼部分的耐腐蝕能力。經過輕量化設計，底架重量可減為3.6t。

（3）車頂

車頂采用滾壓成型的波紋頂板，提高頂板自身剛度，取消支撐用縱向梁。

車頂采用臥式機組下出風模式空調裝置，優化空調平臺結構，采用中空框架式空調平臺，開發冷彎異型鋼管承載梁，使承載與排水功能合二為一，取消平頂板。

車頂取消眾多的焊接接口件，代之為鋁型材安裝結構，車頂風道、頂板等設備通過兩根鋁型材整體吊掛在車頂彎梁上。經過輕量化設計，車頂重量可減輕為1.24t。

（4）端墻

端墻板采用整體沖壓成型的模壓件，提高自身剛度，取消補強梁，減少端墻重量，最低可達到160kg。

（5）司機室

司機室采用預組工藝，將鋼骨架與玻璃鋼外罩預先組成一體，利用鋼骨架提高玻璃鋼外罩的成型剛度，取消玻璃鋼內部的補強梁。經過輕量化設計，司機室（包括頭罩、裙板和腳蹬）重量減為500kg。

圖2 車體有限元計算整車應力云圖

以成熟的地鐵不銹鋼車體的模塊化、輕量化設計平臺為基礎，應用上述輕量化方法，車體承載結構重量可控制在8噸以內。同時，在車體有限元仿真分析的基礎上，按照EN12663標準進行了車體靜強度試驗，試驗結果表明：在各種載荷作用下，各應力測點的應力及合成應力均小于所用材料的許用應力，不銹鋼車體結構所檢工況的強度符合EN12663標準的規定。

圖3 激光焊接側墻單元外觀

3.3 激光焊接技術

目前，各車輛制造企業均在積極推進不銹鋼車體的激光焊接技術。激光焊接技術是以聚焦的激光束作為能源轟擊焊件所產生的熱量進行焊接的技術。

激光焊具有以下優點：熱輸入量小，焊接速度高；熱變形和殘余應力小；疲勞強度高；表面平整度好，美觀大方。

圖3為采用了激光焊接技術的側墻單元，整個側墻組成后，外露表面不存在點焊焊點，整體外觀效果顯著提高。

4.不銹鋼車體優點

不銹鋼車體通過材料改進、輕量化設計、激光焊等技術優化后，具有以下顯著優點：

（1）車體能夠承受800kN的縱向壓縮載荷和640kN的縱向拉伸載荷，車體應力不超過設計許用應力值，不產生永久變形及損壞，并且在30年的工作載荷中不產生疲勞失效。

（2）采用國內領先的激光焊接結構和工藝，側墻平整度和外觀效果明顯。

（3）頭車前端底架安裝獨立防爬器和吸能元件，此吸能元件經過動態沖擊試驗，有效吸收碰撞產生的能量，保證旅客安全。

（4）車體在最大垂直載荷（AW3）作用下靜撓度不超過兩轉向架支承點之間距離的1‰。

參考文獻