城際動車組鋁合金車體結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能

周偉旭,李澤宇,于慶斌,李曉峰

(1.中國北車集團 長春軌道客車股份有限公司 技術(shù)中心,吉林 長春 130062; 2.大連交通大學 交通運輸工程學院,遼寧 大連 116028)

?

城際動車組鋁合金車體結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能

周偉旭1,李澤宇1,于慶斌1,李曉峰2

(1.中國北車集團 長春軌道客車股份有限公司 技術(shù)中心,吉林 長春 130062; 2.大連交通大學 交通運輸工程學院,遼寧 大連 116028)

根據(jù)城際動車組的運用特點，以CRH3A型城際動車組車體結(jié)構(gòu)為例，在最大程度上滿足車體的高強度及輕量化的要求及標準下，從車體材料的選擇、車體斷面設(shè)計、車體結(jié)構(gòu)設(shè)計、計算分析驗證及試驗對比等方面進行研究，提出了城際動車組車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路和方法.

城際動車組；鋁合金；車體結(jié)構(gòu)；輕量化；強度

0 引言

城際動車組主要解決城市群和都市通勤圈中短途出行需求.這種編組固定、自帶動力的列車以其方便、快捷、安全、可靠、舒適的特點備受世界各國鐵路運輸和城市軌道交通運輸?shù)那嗖A.因其滿足城際間多點停靠、大啟動加速度、大運量、快速乘降的需求，故成為最便利的交通工具[1].城際動車組車體結(jié)構(gòu)作為動車組的主要承載部件，一方面必須具有足夠的強度和剛度，在運行過程中不但要把牽引力和制動力傳遞給車鉤，而且要能承受乘客載荷、各種設(shè)備載荷以及運行中各個方向沖擊載荷的作用，滿足相關(guān)技術(shù)標準的要求，保證列車運行的安全性和平穩(wěn)性；另一方面要更大程度地實現(xiàn)輕量化.這不但使城際動車組具備大載客能力，而且具有以下意義：降低原材料消耗，降低車輛制造成本；節(jié)省牽引動能，降低列車的運行費用；減少車輛對線路的沖擊，減輕線路維護工作量；提高車輛的啟動加速度及制動減速度；提高列車的運行速度及曲線通過速度等[2].

本文將以CRH3A型城際動車組車體結(jié)構(gòu)為例對城際動車組車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路和方法進行研究.

1 車體材料的選擇

目前鐵路客車車體結(jié)構(gòu)普遍采用的輕量化材料為不銹鋼和鋁合金.兩者相比，雖然不銹鋼車防腐性能更優(yōu)越，但減重效果較差，且由于它采用點焊工藝而導致氣密性差，因而不建議用于250公里速度等級的動車組.鋁合金材料不僅比重低，而且結(jié)構(gòu)較為簡單.目前的重型臥式擠壓機可以擠出大型扁寬薄壁鋁型材的技術(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氣壓迅速變化對車輛所提出的密封性要求[3].因此，速度等級高、強度等級高、輕量化程度要求高的CRH3A型城際動車組選擇鋁合金作為車體結(jié)構(gòu)材料.鋁合金材料的主要性能指標如表1所示.

2 車體斷面設(shè)計

2.1 CRH系列動車組車體斷面對比分析

CRH2、CRH3型動車組車體斷面具有良好的氣動外形，內(nèi)空間較寬敞.CRH5型動車組車體側(cè)墻收角較大，車內(nèi)空間不夠?qū)挸?CRH3和CRH5型動車組車體斷面型材均采用閉口型材，CRH2型動車組車體斷面中車頂及側(cè)墻部位采用閉口型材，底架地板采用開口型材.同為閉口型材，CRH3型動車組車體型材設(shè)計偏笨重，型材內(nèi)外蒙皮厚度一般為3mm，內(nèi)筋厚度一般為2.5 mm，且內(nèi)筋分布較密集；CRH5型動車組斷面型材設(shè)計較輕巧，內(nèi)外蒙皮厚度一般為2.8 mm，內(nèi)筋厚度一般為2.5 mm，且內(nèi)筋分布較稀疏.CRH3、CRH5型動車組車體斷面如圖1所示.

(a)CRH3(b)CRH5

圖1 CRH型動車組車體斷面形貌

2.2 城際動車組車體斷面設(shè)計

城際動車組車體斷面既要考慮到車輛有較大的載客能力、良好的氣動外形、寬敞舒適的車內(nèi)空間、足夠的強度，同時還要盡可能地滿足輕量化的要求[4].

最終確定方案如下：斷面型材堅持閉口型材；內(nèi)外蒙皮厚度采用2.8 mm，內(nèi)筋厚度采用2.5 mm，內(nèi)筋分布參考CRH5型動車組設(shè)計；由于CRH3型動車組的底架邊梁強度、剛度好，承載能力強，適應(yīng)于吊裝重量較大的設(shè)備，所以城際動車組底架邊梁參考CRH3型動車組設(shè)計.CRH3A型城際動車組車體斷面如圖2所示.

圖2 城際動車組車體斷面

3 車體結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 CRH系列動車組車體結(jié)構(gòu)對比分析

從承載結(jié)構(gòu)來說，CRH3型鋁合金車體為整體筒形承載結(jié)構(gòu)，端墻由多種型材組焊而成，結(jié)構(gòu)復雜，工藝復雜.底架前端由型材和部分板材組焊而成.腹板型材或H型材起著牽引梁的作用，其余結(jié)構(gòu)起著砂箱或電氣安裝箱的作用，結(jié)構(gòu)復雜，不易施工.

CRH5型鋁合金車體為整體筒形承載結(jié)構(gòu)，底架端部結(jié)構(gòu)由端梁、4根牽引梁、圍板、斜梁等組成，結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、強度高、施工工藝簡單.CRH3、CRH5型動車組端部結(jié)構(gòu)如圖3所示.

(a)CRH3(b)CRH5

圖3 CRH型動車組底架前端結(jié)構(gòu)圖

相比之下， CRH5型動車組的承載結(jié)構(gòu)和車頭的工藝性、輕量化程度明顯優(yōu)于CRH3型動車組，并且縱向承載能力高于CRH3型動車組.

3.2 城際動車組車體結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過對比CRH系列動車組車體結(jié)構(gòu)特點，CRH3A型城際動車組借鑒CRH系列動車組的優(yōu)點優(yōu)化設(shè)計.

(1)對于端部承載結(jié)構(gòu)：CRH5型動車組車體結(jié)構(gòu)的主斷面型材采用材料6005A-T6.對于底架端部緩沖梁結(jié)構(gòu)、空氣動力學端部結(jié)構(gòu)等重要承載結(jié)構(gòu)，采用強度等級更高的材料6082-T6，從而提高了結(jié)構(gòu)大應(yīng)力區(qū)的許用應(yīng)力；CRH3型動車組，車體結(jié)構(gòu)除了主斷面型材采用焊接性能較好的材料6005A-T6外，端角柱、底架前端等端部重要承載結(jié)構(gòu)也都采用材料6005A-T6.為了滿足強度要求，端部承載部件設(shè)計復雜，重量大，制造工藝復雜.

CRH3A型城際動車組車體端部承載結(jié)構(gòu)吸收了CRH5型動車組對材料的選用理念，結(jié)構(gòu)上借鑒CRH5型動車組端部的結(jié)構(gòu)形式進行優(yōu)化，實現(xiàn)了強度高、結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好的設(shè)計目標.

(2)對于外端墻和各大部件的接口型式，CRH3型動車組采用了過渡連接板結(jié)構(gòu)，組焊工藝性好，有利于消除制造誤差，因而在CRH3A型城際動車組車體結(jié)構(gòu)中應(yīng)用.

(3)對于車體和轉(zhuǎn)向架接口，CRH3、CRH5型動車組轉(zhuǎn)向架聯(lián)系枕梁通過螺栓與車體底架相連接，中心銷、抗蛇行減振器座、高度控制閥等安裝在聯(lián)系枕梁上，可以很好地實現(xiàn)車體和轉(zhuǎn)向架的模塊化設(shè)計.車體底架邊梁作為一個整體型材，減

少了焊接工作量和焊接帶來的變形.CRH3A型城際動車組的車體和轉(zhuǎn)向架接口參照CRH3、CRH5型動車組的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計.

4 仿真及試驗分析

基于車體初始方案的分析結(jié)果，設(shè)計者對車體結(jié)構(gòu)進行了相應(yīng)結(jié)構(gòu)改進及分析.下面以TP車計算為例進行說明.

4.1 車體靜強度

車體靜強度工況依據(jù)EN 12663執(zhí)行，計算結(jié)果滿足強度要求.其中以車鉤縱向壓縮1 500 kN+AW3最具代表性：最大應(yīng)力值為242 MPa，許用應(yīng)力值為260 MPa，應(yīng)力作用下車體的Von.Mises云圖如圖4所示.

圖4 車體的Von.Mises應(yīng)力云圖

對CRH3A型TP車車體進行了靜強度試驗，并就實驗結(jié)果與有限元分析結(jié)果進行對比分析.從試驗值和計算值來看，各區(qū)域應(yīng)力測點的測試值與計算值的變化趨勢基本一致.AW3+車鉤縱向壓縮力1 500 kN工況測試應(yīng)力與計算應(yīng)力對比如表2所示.

表2 測試應(yīng)力與計算應(yīng)力結(jié)果對比

表2 測試應(yīng)力與計算應(yīng)力結(jié)果對比(續(xù)表)

4.2 車體剛度

車體剛度計算依據(jù)標準TB/T 1335-996《鐵

圖5 垂向超員工況下車體下邊梁垂向位移云圖

(a)位移測點布置和編號

(b)位移變化曲線

道車輛強度設(shè)計與試驗鑒定規(guī)范》，在AW3工況下，車體中部邊梁下翼緣的垂向位移為8.36 mm，如圖5所示.車體位移測點的計算值與實測值的對比分析如圖6所示.車體邊梁中部位移測點的測試值與計算值的相對誤差百分比為10%.

4.3 車體疲勞

基于IIW標準對車體焊接結(jié)構(gòu)進行了應(yīng)力集中分析及疲勞壽命預(yù)測[5].表3為車體部件評估點的累積損傷，從表中可以看出在各疲勞載荷作用下，車體部件的最大主應(yīng)力范圍均小于它們的許用應(yīng)力范圍.考慮低應(yīng)力循環(huán)對疲勞損傷的貢獻[6]，在疲勞計算工況作用下，車體部件的疲勞累積損傷均小于1，滿足車體疲勞壽命的設(shè)計要求.

表3 車體部件評估點的累積損傷

5 結(jié)論

本文所研究的城際動車組車體結(jié)構(gòu)基本達到了預(yù)期目標，但仍有較大的提升空間，比如，重量是否還能降低?對于大批量生產(chǎn)來說，哪些結(jié)構(gòu)還需要進一步提高生產(chǎn)工藝性等.另外，對于不同運用需求的城際動車組來說，車體結(jié)構(gòu)也不盡相同，須根據(jù)需求特征和實際情況進行適應(yīng)性調(diào)整.但是，如何恰當?shù)貙⒉牧虾徒Y(jié)構(gòu)合理匹配，在簡化結(jié)構(gòu)的前提下做到最有效地分散應(yīng)力并實現(xiàn)輕量化是所有城際動車組車體結(jié)構(gòu)應(yīng)該堅持的原則.

[1]徐行方,忻鐵朕,項寶余.城際列車的概念及其開行條件[J].同濟大學學報，2003,31(4)：57-61.

[2]陳喜紅,辛成瑤.200 km/h高速動力車車體結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計和靜、動強度計算[J].鐵道學報，2000,22(1)：26-31.

[3]劉巖.我國高速鐵路客車輕量化車體最優(yōu)結(jié)構(gòu)研究[J].輕合金加工技術(shù)，2000,28(5)：41-43.

[4] 董錫明.現(xiàn)代高速列車技術(shù)[M].北京：中國鐵道出版社，2006.

[5] 李曉峰,謝素明,時慧焯.車輛焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命評估方法研究[J].中國鐵道科學，2007,28(3)：74-78.

[6]DONG P,PRAGER M,OSAGE D.The design master S-N curve in ASME DIV 2 rewrite and its validations[J].Welding in the world,2007,51(5-6):53-63.

Study of Intercity EMU Carbody Structure

ZHOU Weixu1,LI Zeyu1,YU Qingbin1,LI Xiaofeng2

(1.CNR Changchun Railway Vehicles Co.,Ltd,ChangChun 130062,China; 2.School of Traffic and Transportation Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

The carbody structure of intercity EMU with CRH3A is exemplified according to intercity EMU running characterisitcs. Under condition and criterion of meeting the high strength and lightweight carbody,the research focuses on the choice of the carbody materials,design of the carbody profile,design of the carbody structure,the validation of design calculation, the contrast test and design principles,and the methods of the intercity EMU carbody structure are proposed.

intercity EMU；aluminium alloy；carbody structure；lightweight；strength

1673-9590(2015)03-0025-05

2014-12-14

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃資助項目(2014J004-N)；國家科技支撐計劃資助項目(2013BAG21Q01)

周偉旭(1972 -)，女，教授級高工，學士，主要從事鐵路客車及動車組的設(shè)計研究

E-mail:zhouweixu@cccar.com.cn.

A