160公里出口內燃動車組動車車體鋼結構設計

侯新英,馬　凱,安海亮,劉曉光（南車四方車輛有限公司,山東　青島　266000）

160公里出口內燃動車組動車車體鋼結構設計

侯新英,馬凱,安海亮,劉曉光
（南車四方車輛有限公司,山東青島266000）

介紹了出口內燃動車組的主要技術參數、車體鋼結構主要部件的結構特點及設計計算和設計驗證等。

出口內燃動車組；車體鋼結構；強度；有限元

1　概述

出口內燃動車組（以下簡稱“動車組”）項目是南車四方車輛有限公司承接的出口內燃動車組項目，共10列，每列編組為2動+8拖，主要用途為短途旅客運輸。

根據《160km/hAC-DC內燃動車組技術規格書》（以下簡稱《技術規范》）和總計《設計技術規格書》（以下簡稱《規格書》）要求，車體結構鋼的強度需符合EN12663-2010《鐵路應用鐵路車輛車體結構要求》中P-II類的載荷規定；司機室結構瞭望空間及強度按UIC651-1990（C）《機車、動車、動車組和駕駛拖車的司機室設計》中載荷工況的規定和瞭望要求執行。

2　動車組編組形式和動車的平面布置圖

編組形式為：+D1+T1+T2+T2+T2+T4+T3+T3+T3+D1+，其中D1為動車，T1為一等座車，T2為二等座車，T3為軟臥車，T4為餐車，“+”為半自動車鉤并配備過渡車鉤與CA-3車鉤連掛；動車組允許兩列重聯。

動車的前端為司機室，其兩側設置鋼制折頁門用于司機的上下車；在車體中部兩測設置折頁門用于設備操作人員的使用。在司機室上方的平頂安裝司機室空調機組，車體中部安裝柴油發電機組，一、二位端安裝輔助設備；在相應的車頂位置設置活蓋便于設備安裝及檢修；車下安裝蓄電池箱、燃油箱、過渡車鉤等設備。圖1為動車的平面布置圖。

3　　車體鋼結構

在車體鋼結構設計時，對《技術規范》及《規格書》中涉及的標準進行了認真的解讀，分析了動車的結構特點及所承受載荷特點，最終確定車體鋼結構采用整體承載、內走廊式全碳鋼焊接結構；車體鋼結構主要由司機室、底架、車頂、側墻、端墻、隔墻、排障器、裙板及附屬設備組成，見圖2。

車頂彎梁、側墻立柱、底架橫梁采用箱型梁設計，尤其是底架機組橫梁組成，是主要承載部件，采用大截面的箱型梁設計，滿足柴油機組的公共底架和載荷要求，提高車體鋼結構的垂向剛度。制定了《車體鋼結構設計規格書》，確定了車體鋼結構各部位的材質和主要鋼結構的設計思路。

為充分保證車體鋼結構的強度，對主要承載結構（底架橫梁、邊梁、枕梁、底架邊梁等）的焊縫做出明確的規定。如板材厚度大于5mm時，采用坡口焊接。并在《鋼結構技術條件》中規定了車體各部位鋼結構的焊接執行標準、焊接方式和焊接的質量等級等。

通過多次對車體鋼結構的靜強度計算與模態計算分析，不斷優化設計結構，最終滿足《技術規范》和《規格書》中規定的EN12663標準相關的條款。

3.1 端隔墻鋼結構

端墻鋼結構主要由端角柱、端頂，風擋安裝座及各種電氣聯接器座組成。總裝時端角柱、端頂與底架、側墻、車頂焊接，有效增強車體強度。由于動車與拖車鐵地板存在高度差，通過降低動車風擋安裝座高度，使其低于動車鐵地板面，從而解決高度差的問題。動車通過端墻上的電氣連接器座實現與拖車之間的走線。

隔墻鋼結構分為電氣室隔墻、冷卻室隔墻和供電室隔墻，主要用于將車體各個室分隔開來，起到一定的隔音降噪及密封的效果，通過隔墻與底架、側墻、車頂焊接，增強車體強度。同時，隔墻承載部分電氣件的安裝。

3.2 側墻鋼結構

側墻采用框架式側壁承載結構，主要由側墻板、立柱、橫梁、上邊梁、門框及濾清窗組成。因為車體整體承載，側墻會受到機組的垂向載荷，為了滿足結構強度和安裝要求，立柱與橫梁的截面以及作為主要受力部件的上邊梁截面均采用封閉式箱型結構，從而增強側墻的整體承載能力。

側墻濾清窗采用機械式空氣分離過濾器結構，該結構利用離心作用力的沉積原理清除空氣中的塵土、液滴、昆蟲和雪花。采用鋁合金材質，重量輕，結構能有效提高過濾效率，達到最低能量損失和最近壓降。

3.3底架鋼結構

底架由前端組成、后端組成、機組橫梁、左右邊梁四大主要部分及風道、輔助橫梁、縱梁以及梁間或梁上的鐵地板等輔助部分組成，如圖3所示。底架鋼結構是車體的主要受力部件，安裝有牽引柴油發電機組、供電柴油發電機組、電氣控制柜、車下燃油箱等重載設備；同時，通過車端車鉤連接裝置、枕梁牽引拉桿座等結構裝置傳遞機車運行所需的牽引力、制動力等多種復雜載荷。在設計過程中，采用計算機模擬技術對結構方案多次仿真分析，最終優化了設計方案。

3.3.1前端組成

包括枕梁組成、牽引梁、緩沖梁、斜撐組成、箱型結構和橫梁組成。枕梁組成除彈簧座、牽引拉桿座外，整體為長方體結構，高度280mm，寬度1454mm；由上下蓋板、枕梁腹板和縱橫向立板組成封閉箱體，箱體內腔借助縱橫向立板、枕梁下蓋板、輔助蓋板（Q355GNH）形成風道，風道縱向貫穿枕梁。牽引拉桿座與枕梁下蓋板組焊，用于傳遞轉向架的牽引力和制動力；為保證強度，枕梁下蓋板采用材質Q345C厚鋼板，同時，在枕梁內腔焊接與牽引拉桿座立板相對應的加強筋板，以增強牽引拉桿座傳遞載荷的連續性；枕梁腹板采用與下蓋板等厚Q345C鋼板，與下蓋板焊接處開雙面坡口，雙面焊；與上蓋板焊接處開單側坡口，單面焊。枕梁組成與邊梁組成組焊為L型斷面，焊接均為坡口焊。

3.3.2后端組成

后端組成與前端組成結構基本一致。作為不同點，緩沖梁組成為獨立組成，由36a槽鋼與壓型鋼板組成形成，高度827mm。緩沖梁組成與牽引梁組成、邊梁組成和后端箱體結構組焊，形成局部大截面剛性結構，對縱向牽引載荷具有良好的適應性能。

3.3.3機組橫梁

機組橫梁同時承擔牽引柴油機組安裝和燃油箱安裝。由兩根縱梁、兩根橫梁組焊成框架式結構，縱梁為階梯斷面，橫梁為箱型斷面；機組橫梁組成與邊梁組成組焊，并通過小縱梁將前后端組成聯接成整體。為提高兩根橫梁與邊梁組成的焊接強度，除在橫梁端部，將橫梁立板、上下蓋板均開置單側全透坡口外，根據車體底架邊界條件，適當增加橫梁寬度為470mm；經計算，該結構強度高，剛度好，能夠滿足重載設備件的安裝。

3.3.4底架邊梁

邊梁組成，作為底架鋼結構重要受力部件，承受一定的縱向力和橫向力，采用36a槽鋼與8mm厚鋼板組焊，封閉腔內對應橫梁立板、枕梁腹板增設筋板。邊梁組成中設計有轉向架搖頭止擋，結構為封閉組焊盒體。

3.4車頂鋼結構

車頂鋼結構由板梁焊接成型，主要有端頂、邊梁、縱梁、安裝座、活蓋和車頂板組成。車頂鋼結構下部與側墻相聯，上部安裝有動車頂部設備和活蓋。其由蒙皮、骨架、電氣室活蓋、動力室活蓋、冷卻室活蓋、供電室活蓋及供電控制室活蓋組成。電氣室活蓋上安裝有空氣過濾裝置，冷卻室活蓋上安裝有柴油機冷卻散熱器。

為保證車體具有良好的密封性，保護車內設備，車頂鋼結構上對應各室的車頂活蓋通過專門設計的拉緊裝置與車頂鋼結構骨架聯接。

3.5司機室

司機室主要結構有玻璃鋼頭罩、玻璃鋼裙板、玻璃鋼導流罩、司機室鋼骨架等組成。頭部梁結構采用矩形截面的板梁，因其無翼板，不存在翼板翹曲或腹板扭曲的問題，可以將其設計為平面曲梁，如圖4所示。司機室鋼結構強度滿足UIC651中的相關要求，材質選用Q355GNH或Q345型材焊接而成。

為了便于安裝玻璃鋼頭罩、裙板等結構，在玻璃鋼內部預埋了安裝件，在骨架上焊接了連接件。為了保證玻璃鋼與鋼結構的密封及結構的強度，采用高強度、耐高溫的粘膠將玻璃鋼與鋼結構粘接。通過這種工藝，同時粘膠也可以補償由于制造工藝而產生的鋼結構誤差。頭部梁結構采用矩形截面的板梁，因其無翼板，不存在翼板翹曲或腹板扭曲的問題，可以將其設計為平面曲梁。為了便于安裝玻璃鋼頭罩、裙板等結構，在玻璃鋼內部預埋了安裝件，在骨架上焊接了連接件。為了保證玻璃鋼與鋼結構的密封及結構的強度，采用高強度、耐高溫的粘膠將玻璃鋼與鋼結構粘接。通過這種工藝，同時粘膠也可以補償由于制造工藝而產生的鋼結構誤差。

3.6開閉機構

為了保證動車組的整體流線型結構，在司機室的前端設置開閉機構，用于導流罩的開閉機構，其主要有轉臂、底座、鎖、伸縮臂等組成。

開閉機構通過底座安裝在底架上，將導流罩連接在轉臂上，通過鎖裝置實現導流罩的開閉。

3.7排障器

排障器通過不銹鋼螺栓固定于車頭底架，安裝檢修方便，主要作用是排除軌道內側的障礙物，如雪、沙、石等。其主要由耐候鋼板焊接而成，頭部呈犁頭狀，整體與車頭吻合。此形狀有利于切入諸如積雪等障礙物，其排障板可以在20mm范圍內上下調節，這樣軌面上的微小障礙物都能排除掉。當排障器所受較大沖擊力時，沖擊力通過斜撐傳到車體，從而減弱了由于沖擊引起的震動。

4　車體鋼結構靜強度計算

4.1有限元模型的處理

動車車體結構在橫向和縱向都不具有完全的對稱性，為使車體計算模型與實際車體結構保持一致，從而保證計算結果的有效性，計算采用整車計算模型。

將車體結構用薄板組合結構來模擬，選用板殼單元對車體結構進行離散化處理，單元尺寸按25mm進行離散。車體有限元力學計算模型中有869474個殼單元、11974個質量單元、7248個彈簧單元、152307個體單元和794209個節點。

4.2計算工況的確定

根據《技術規范》要求，在車體鋼結構設計時對EN12663-2010、UIC651-1990（C）標準進行了解讀，最終對車體鋼結構進行了24個工況的靜強度和模態分析。

工況1：1.3M1*g垂向載荷

工況2：M1（+M4）*g+1500kN縱向壓縮

工況3：M1*g（+M4）+1000kN縱向拉伸

工況4：M1*g+400kN司機室地板上方壓縮

工況5：M1*g+300kN司機室窗下橫梁壓縮

工況6：M1*g+300kN二位端車頂端部壓縮

工況7：1.1M1*g一位端復軌位提升車體

工況8：1.1M1*g二位端復軌位提升車體

工況9：1.1M1*g整體起吊

工況10：1.1M1*g內駕車墊板駕車

工況11：M1*g設備縱向正向3g沖擊

工況12：M1*g設備縱向反向3g沖擊

工況13：M1*g設備橫向正向1g沖擊

工況14：M1*g設備橫向反向1g沖擊

工況15：M1*g設備垂向正向1g沖擊

工況16：M1*g設備垂向反向1g沖擊

工況17：M1*g高圓簧座橫向正向沖擊

工況18：M1*g高圓簧座橫向反向沖擊

工況19：M1*g高圓簧座縱向正向沖擊

工況20：M1*g高圓簧座縱向反向沖擊

工況21：不計轉向架的重量下的振動模態

工況22：整車質量下的振動模態

工況23：1.3M1*g下的穩定性

工況24：M1*g+1500kN下的穩定性

4.3計算結果

通過對車體鋼結構進行靜強度計算分析，得出以下結論：（1）整備狀態下車體結構在各種起吊工況下的垂向變形值滿足垂向剛度的要求；（2）車體結構靜強度滿足EN12633-1：2010標準的要求；（3）車體鋼結構的一階垂直彎曲振動頻率值為11.472Hz，整備狀態下的車體一階垂直彎曲振動頻率值為11.12Hz，滿足不低于1.4倍轉向架的點頭和浮沉最大振動頻率（7Hz）的要求；（4）在極限垂向載荷及縱向壓縮載荷工況下，車體的一階屈曲載荷因子λ最小值分別為1.548和1.667，滿足標準中最小1.5的要求。

5　車體鋼結構靜強度試驗

5.1車體鋼結構布點

根據計算結果及類似車運行的反饋，對車體鋼結構主要的受力點進行布點檢測，共242個。

5.2試驗工況確定

根據標準要求和試驗工裝，最終對車體鋼結構的13個工況進行了車體靜強度的試驗。

工況1垂向載荷試驗

工況2車鉤區域1500kN壓縮載荷+垂向載荷m1

工況3車鉤區域1500kN壓縮載荷+垂向載荷m1+m4

工況4車鉤區域1000kN拉伸載荷+垂向載荷m1

工況5車鉤區域1000kN拉伸載荷+垂向載荷m1+m4

工況6一位端腰帶高度300kN壓縮載荷+垂向載荷m1

工況7二位端地板上方150mm400kN壓縮載荷+垂向載荷m1

工況8二位端腰帶高度300kN壓縮載荷+垂向載荷m1

工況9二位端上邊梁高度300kN壓縮載荷+垂向載荷m1

工況10一位端抬車試驗

工況11二位端抬車試驗

工況12整車抬車試驗

工況13支承點移位抬車試驗

5.3試驗結果

（1）整備狀態下車體結構在各種起吊工況下的垂向變形值滿足垂向剛度的要求；

（2）在極限垂向載荷及縱向壓縮載荷試驗結果表明，該車的強度滿足EN12663-1:2010《鐵路應用—軌道車輛車體結構要求—第一部分：機車和客車（P-Ⅱ）》的有關要求。

6　結論

通過動車車體鋼結構有限元分析及靜強度試驗驗證，得到以下結論：（1）動車車體鋼結構強度滿足EN12663-1:2010《鐵路應用—軌道車輛車體結構要求—第一部分：機車和客車》的P-Ⅱ類要求；（2）垂向剛度滿足《鋼結構技術條件》的要求；（3）窗角、牽枕緩、司機室門框等高應力集中區試驗結果符合標準要求；（4）計算與試驗結果的幅值有一定的差別，但應力的變化趨勢相同。

[1]動車車體鋼結構制造技術條件[Z].南車四方車輛有限公司,2013.

[2]動車車體鋼結構靜強度試驗大綱[Z].南車四方車輛有限公司,2013.

[3]動車車體鋼結構靜強度、振動模態及穩定性計算分析報告[D].西南交通大學,2013.

[4]動車車體鋼結構靜強度試驗報告[Z].四方車輛研究所,2013.