伊朗設拉子地鐵車輛輕量化碳鋼車體設計

李文斌　周丹　曹艷艷

【摘 要】本文主要介紹伊朗設拉子地鐵車輛輕量化碳鋼車體設計。主要介紹碳鋼車體鋼結構的組成及特點。

【關鍵詞】碳鋼車體鋼結構；輕量化設計；模塊化設計

0 前言

伊朗是一個對地鐵需求量較大的國家，包括德黑蘭、設拉子、伊斯法罕等大城市都規劃了多條地鐵線路。伊朗設拉子市已基本建成了首條地鐵線路，急需地鐵車輛。我們根據業主的要求，迅速制定了技術方案，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內容

1.1 車體主要技術特征

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。車體鋼結構材料采用高強度耐候鋼，整個車體由底架、左右側墻、司機室（Tc車）、端墻和車頂鋼結構焊接而成，為一薄壁筒型整體承載結構。正常運用條件下，車體結構35年內不產生疲勞損傷，無腐蝕，無需更換或加固。

考慮伊朗設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計，車體寬度為2650mm，長度18600mm，車端距700mm。

車體結構強度執行EN12663-2010《鐵路車輛車體的結構要求》P-III標準，車端靜態縱向壓縮載荷為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計執行EN15227-2008《鐵路車輛車體的防撞性要求》C-II相關規定，在頭車底架前端設有防爬和耐碰撞吸能區，使車輛發生碰撞時參與吸能，最大限度保護乘客的安全。

1.2 主要結構特點

車體結構為薄壁筒形整體承載焊接結構。車型分為Tc、Mp、M3種，均由頂棚、側墻、端墻、底架等部分組成，能夠承受垂直、縱向、扭轉等動、靜載荷。車體在最大垂直載荷狀態下能經受縱向壓縮力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。

伊朗設拉子地鐵車輛斷面傾斜角度此次設計為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。車體鋼結構焊接執行EN15085。

1.2.1 司機室結構特點

司機室外罩為整體玻璃鋼內設置鋼骨架的結構，主要由玻璃鋼外罩（含鋼結構骨架）、裙板、擋板、前窗玻璃、前照燈等組成。與底架、側墻、頂棚通過螺栓及塞焊型式進行連接。

司機室外罩鋼結構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節。

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 底架結構特點

底架鋼結構為無中梁結構，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位端有吸能結構（防爬裝置和吸能區組成），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。

吸能結構具有：一列AW0列車以25km/h的速度與另一列AW0停止狀態的列車相撞時，吸收列車的撞擊能量，確保客室無損壞，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 側墻結構特點

側墻鋼結構由側墻（右）、（左）兩部分，單片側墻由窗區模塊、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。

側墻結構采用模塊化設計，由門口隔開。Tc左右側墻完全對稱，每側設有5個門和3個側窗，Mp/M車左右側墻完全對稱，每側設計有4個門和5個側窗。窗口上橫梁、側墻所用材料均為09CuPCrNi-A。側墻立柱由矩形鋼管、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 頂棚結構特點

Tc車頂棚鋼結構由兩個底部縱梁和頂部彎梁及兩個空調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機組平臺一起焊接組成。在頂棚骨架上面、端部鋪設蒙皮。頂棚除空調平臺、受電弓平臺表面蒙皮為不銹鋼外，其余結構材料均為09CuPCrNi-A。

空調機組平臺設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、空調安裝座等幾部分組成，裝配各梁之間焊接成框架結構。

1.2.5 端墻結構特點

端墻鋼結構由門口立柱、側部彎梁、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 技術要點

1.3.1 車體材料

碳鋼車輛車體鋼結構用材料主要采用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高耐候結構鋼標準。空調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 輕量化碳鋼車體結構

碳鋼車體主體結構主要由柱、梁等縱向貫通構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，設計時將底架、側墻、頂棚等構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、側墻、頂棚、端墻設計為薄壁筒形整體承載結構體時，著重考慮骨架型材配置的合理性，使側柱、車頂彎梁、底架橫梁連結位置盡量一致，接近于環狀結構，從而提高車體整體剛性，從而實現輕量化設計目的。經稱重試驗，設拉子地鐵MP車車體鋼結構重量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，如何從結構設計上減小焊接變形，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焊，外露部位通過蒙皮進行遮掩。

3）采用封閉腔結構，增加斷面剛性以控制變形。

4）控制結構空隙以減小焊趾厚度，減少焊接次數。

1.4 車體鋼結構的靜強度計算

根據合同要求，車體結構設計、計算按照EN12663、EN15227等相關標準執行，為檢驗車體設計結構的合理性，校核車體的強度、剛度是否滿足設計要求，并為車體結構優化設計和車體靜強度試驗提供可靠依據，在車體鋼結構設計完成后對車體結構進行靜強度計算、模態分析、碰撞計算、疲勞的相關計算，在保證結構強度的基礎上進行優化和減重設計，使車體的結構完全滿足設計要求。

2 試驗情況

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

3 結束語

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

【參考文獻】

[1]菊地，隆寬.整體承載結構車體技術[J].R&M，2006.

[責任編輯：朱麗娜]