伊朗設(shè)拉子地鐵車輛輕量化碳鋼車體設(shè)計

李文斌　周丹　曹艷艷

【摘 要】本文主要介紹伊朗設(shè)拉子地鐵車輛輕量化碳鋼車體設(shè)計。主要介紹碳鋼車體鋼結(jié)構(gòu)的組成及特點。

【關(guān)鍵詞】碳鋼車體鋼結(jié)構(gòu)；輕量化設(shè)計；模塊化設(shè)計

0 前言

伊朗是一個對地鐵需求量較大的國家，包括德黑蘭、設(shè)拉子、伊斯法罕等大城市都規(guī)劃了多條地鐵線路。伊朗設(shè)拉子市已基本建成了首條地鐵線路，急需地鐵車輛。我們根據(jù)業(yè)主的要求，迅速制定了技術(shù)方案，通過充分的交流溝通，最終成功地與伊朗GPIG公司簽署了地鐵車輛采購合同。

1 輕量化碳鋼車體詳細技術(shù)內(nèi)容

1.1 車體主要技術(shù)特征

該車輛采用三動兩拖編組（+Tc-Mp-M-Mp-Tc+），最高運行速度為80公里/小時。車體鋼結(jié)構(gòu)材料采用高強度耐候鋼，整個車體由底架、左右側(cè)墻、司機室（Tc車）、端墻和車頂鋼結(jié)構(gòu)焊接而成，為一薄壁筒型整體承載結(jié)構(gòu)。正常運用條件下，車體結(jié)構(gòu)35年內(nèi)不產(chǎn)生疲勞損傷，無腐蝕，無需更換或加固。

考慮伊朗設(shè)拉子地鐵線路及站臺的局限性，為適應車輛限界，采用非標型地鐵車輛設(shè)計，車體寬度為2650mm，長度18600mm，車端距700mm。

車體結(jié)構(gòu)強度執(zhí)行EN12663-2010《鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求》P-III標準，車端靜態(tài)縱向壓縮載荷為800kN，縱向拉伸載荷640kN。能夠承受垂直、縱向、扭動等動、靜載荷作用。車體耐碰撞安全性設(shè)計執(zhí)行EN15227-2008《鐵路車輛車體的防撞性要求》C-II相關(guān)規(guī)定，在頭車底架前端設(shè)有防爬和耐碰撞吸能區(qū)，使車輛發(fā)生碰撞時參與吸能，最大限度保護乘客的安全。

1.2 主要結(jié)構(gòu)特點

車體結(jié)構(gòu)為薄壁筒形整體承載焊接結(jié)構(gòu)。車型分為Tc、Mp、M3種，均由頂棚、側(cè)墻、端墻、底架等部分組成，能夠承受垂直、縱向、扭轉(zhuǎn)等動、靜載荷。車體在最大垂直載荷狀態(tài)下能經(jīng)受縱向壓縮力800kN和拉伸力為640kN的強度要求，并滿足車體垂向撓度不大于車體支承點間長度1/1000的要求。

伊朗設(shè)拉子地鐵車輛斷面傾斜角度此次設(shè)計為4.365°。車體材料采用滿足EN10155標準的耐候鋼及Q345E等高強度材料，車體外表面涂漆。車體鋼結(jié)構(gòu)焊接執(zhí)行EN15085。

1.2.1 司機室結(jié)構(gòu)特點

司機室外罩為整體玻璃鋼內(nèi)設(shè)置鋼骨架的結(jié)構(gòu)，主要由玻璃鋼外罩（含鋼結(jié)構(gòu)骨架）、裙板、擋板、前窗玻璃、前照燈等組成。與底架、側(cè)墻、頂棚通過螺栓及塞焊型式進行連接。

司機室外罩鋼結(jié)構(gòu)骨架與司機室外罩之間的螺栓連接方式，可以進行上下和前后的調(diào)節(jié)。

為保證密封，司機室玻璃鋼在裝配前，在玻璃鋼與底架接合處預先涂抹密封膠之后再將玻璃鋼與底架用螺栓進行連接，玻璃鋼骨架與頂棚裝配、側(cè)墻裝配進行塞焊，中間縫隙用密封膠進行密封。

1.2.2 底架結(jié)構(gòu)特點

底架鋼結(jié)構(gòu)為無中梁結(jié)構(gòu)，主要由邊梁、牽緩組成（Tc車I位端）、牽引梁組成（Tc車II位端，Mp/M車兩端）、枕梁、大小橫梁及波紋地板組成。Tc車底架I位端有吸能結(jié)構(gòu)（防爬裝置和吸能區(qū)組成），II位端與Mp車前后端基本相同。底架橫梁、底架端梁均為槽鋼；波紋地板選用冷彎的型材，材料為05CuPCrNi，板厚為1.5mm；底架兩側(cè)邊梁采用槽鋼，與牽引梁、枕梁、大小橫梁、端梁焊接為一體。

吸能結(jié)構(gòu)具有：一列AW0列車以25km/h的速度與另一列AW0停止狀態(tài)的列車相撞時，吸收列車的撞擊能量，確?？褪覠o損壞，保證乘客的安全。防爬組成防止列車相撞時，由于慣性過大，一輛列車攀爬另一輛列車之上。

1.2.3 側(cè)墻結(jié)構(gòu)特點

側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)由側(cè)墻（右）、（左）兩部分，單片側(cè)墻由窗區(qū)模塊、客室門框、司機室門框模塊（Tc車）、門上梁模塊及上弦梁等部分組成。

側(cè)墻結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計，由門口隔開。Tc左右側(cè)墻完全對稱，每側(cè)設(shè)有5個門和3個側(cè)窗，Mp/M車左右側(cè)墻完全對稱，每側(cè)設(shè)計有4個門和5個側(cè)窗。窗口上橫梁、側(cè)墻所用材料均為09CuPCrNi-A。側(cè)墻立柱由矩形鋼管、盆型鋼和槽鋼組成。蒙皮厚度為2.5mm，在車體總組焊時進行焊接。

1.2.4 頂棚結(jié)構(gòu)特點

Tc車頂棚鋼結(jié)構(gòu)由兩個底部縱梁和頂部彎梁及兩個空調(diào)機組平臺一起焊接組成；Mp車頂棚由兩個底部縱梁和頂部彎梁及兩個空調(diào)機組平臺、受電弓平臺一起焊接組成；M車頂棚由兩個底部縱梁和頂部彎梁及兩個空調(diào)機組平臺一起焊接組成。在頂棚骨架上面、端部鋪設(shè)蒙皮。頂棚除空調(diào)平臺、受電弓平臺表面蒙皮為不銹鋼外，其余結(jié)構(gòu)材料均為09CuPCrNi-A。

空調(diào)機組平臺設(shè)計時充分考慮整個平臺的強度和剛度。整個平臺由蒙皮、橫梁、縱梁、出風口、回風口、空調(diào)安裝座等幾部分組成，裝配各梁之間焊接成框架結(jié)構(gòu)。

1.2.5 端墻結(jié)構(gòu)特點

端墻鋼結(jié)構(gòu)由門口立柱、側(cè)部彎梁、小橫梁及蒙皮等部分組成。所用橫梁、立柱、蒙皮材料為09CuPCrNi-A。

1.3 技術(shù)要點

1.3.1 車體材料

碳鋼車輛車體鋼結(jié)構(gòu)用材料主要采用09CuPCrNi-A高耐侯鋼材，其中波紋地板為確保其成型工藝采用05CuPCrNi耐候鋼，所有耐候鋼化學成分和機械性能滿足EN 10155-1993或GB/T4171-2000高耐候結(jié)構(gòu)鋼標準?？照{(diào)及受電弓平臺的蒙皮、車門排水周邊、雨檐等位置為確保其耐腐蝕性能使用06Cr19Ni10（舊牌號0Cr18Ni9）不銹鋼，材料的化學成分符合 GB/T 1220-2007標準。

1.3.2 輕量化碳鋼車體結(jié)構(gòu)

碳鋼車體主體結(jié)構(gòu)主要由柱、梁等縱向貫通構(gòu)件來承受縱向作用力，由外板、蒙皮、底架上波紋板等薄板來承受剪切力作用。因載荷不能直接傳遞到薄板上，設(shè)計時將底架、側(cè)墻、頂棚等構(gòu)件焊接為一體以整體承載方式來承受載荷，并將其分散到薄板上。在將底架、側(cè)墻、頂棚、端墻設(shè)計為薄壁筒形整體承載結(jié)構(gòu)體時，著重考慮骨架型材配置的合理性，使側(cè)柱、車頂彎梁、底架橫梁連結(jié)位置盡量一致，接近于環(huán)狀結(jié)構(gòu)，從而提高車體整體剛性，從而實現(xiàn)輕量化設(shè)計目的。經(jīng)稱重試驗，設(shè)拉子地鐵MP車車體鋼結(jié)構(gòu)重量8.8噸，對比以往線路車體（大連3號線碳鋼車體10.3噸），減重效果明顯。

1.3.3 針對焊接變形的控制設(shè)計

車體的焊接主要采用CO2氣體保護焊，焊接變形較大，如何從結(jié)構(gòu)設(shè)計上減小焊接變形，是一個很重要的問題。

1）蒙皮等薄板件與骨架的焊接采用塞焊。

2）鋼骨架延車輛通長焊縫采用斷續(xù)焊，外露部位通過蒙皮進行遮掩。

3）采用封閉腔結(jié)構(gòu)，增加斷面剛性以控制變形。

4）控制結(jié)構(gòu)空隙以減小焊趾厚度，減少焊接次數(shù)。

1.4 車體鋼結(jié)構(gòu)的靜強度計算

根據(jù)合同要求，車體結(jié)構(gòu)設(shè)計、計算按照EN12663、EN15227等相關(guān)標準執(zhí)行，為檢驗車體設(shè)計結(jié)構(gòu)的合理性，校核車體的強度、剛度是否滿足設(shè)計要求，并為車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和車體靜強度試驗提供可靠依據(jù)，在車體鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后對車體結(jié)構(gòu)進行靜強度計算、模態(tài)分析、碰撞計算、疲勞的相關(guān)計算，在保證結(jié)構(gòu)強度的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化和減重設(shè)計，使車體的結(jié)構(gòu)完全滿足設(shè)計要求。

2 試驗情況

伊朗設(shè)拉子地鐵車輛的車體結(jié)構(gòu)強度設(shè)計按照EN12663《鐵路車輛車體結(jié)構(gòu)要求》中P-III類執(zhí)行。首節(jié)Tc車和Mp車車體鋼結(jié)構(gòu)總組焊完成后，以EN 12663：2010《鐵路應用 鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求》以及《車體靜強度試驗大綱》為參照，對伊朗設(shè)拉子Tc、Mp車體結(jié)構(gòu)進行了靜強度試驗。試驗結(jié)果表明：伊朗設(shè)拉子地鐵車輛車體的設(shè)計完全滿足EN 12663：2010《鐵路應用 鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求》中對車體靜強度的要求。

3 結(jié)束語

通過該車輛的設(shè)計實踐，積累伊朗地鐵方面的設(shè)計經(jīng)驗，豐富了我公司地鐵車輛技術(shù)平臺；該車輛成功地進入伊朗地鐵市場，開拓了我公司地鐵領(lǐng)域的版圖，是一項有戰(zhàn)略意義的工作。

【參考文獻】

[1]菊地，隆寬.整體承載結(jié)構(gòu)車體技術(shù)[J].R&M，2006.

[責任編輯：朱麗娜]