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(xì)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(qiáng)度耐候鋼，整個車體由底架、左右側(cè)墻、司機(jī)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(yīng)車輛限界，采用非標(biāo)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(qiáng)度執(zhí)行EN12663-2010《鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求》P-III標(biāo)準(zhǔn)，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(hù)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(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)的耐候鋼及Q345E等高強(qiáng)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(jī)室結(jié)構(gòu)特點

司機(jī)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(jìn)行連接。

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

為保證密封，司機(jī)室玻璃鋼在裝配前，在玻璃鋼與底架接合處預(yù)先涂抹密封膠之后再將玻璃鋼與底架用螺栓進(jìn)行連接，玻璃鋼骨架與頂棚裝配、側(cè)墻裝配進(jìn)行塞焊，中間縫隙用密封膠進(jìn)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?fàn)顟B(tài)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(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(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)組平臺設(shè)計時充分考慮整個平臺的強(qiáng)度和剛度。整個平臺由蒙皮、橫梁、縱梁、出風(fēng)口、回風(fēng)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(xué)成分和機(jī)械性能滿足EN 10155-1993或GB/T4171-2000高耐候結(jié)構(gòu)鋼標(biāo)準(zhǔn)。空調(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(xué)成分符合 GB/T 1220-2007標(biāo)準(zhǔn)。

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(hù)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(jìn)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(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)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(qiáng)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(jìn)行靜強(qiáng)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(qiáng)度的基礎(chǔ)上進(jìn)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(qiáng)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(yīng)用 鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求》以及《車體靜強(qiáng)度試驗大綱》為參照，對伊朗設(shè)拉子Tc、Mp車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜強(qiáng)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(yīng)用 鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求》中對車體靜強(qiáng)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(jìn)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(xiàn)】

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

[責(zé)任編輯：朱麗娜]