菲律賓馬尼拉3號線增購車底架結構設計

韓雪松 曲曉梅 曹艷艷

（中車大連機車車輛有限公司（城軌技術開發部），遼寧 大連 116022）

0　前言

菲律賓馬尼拉3號線車輛為新型鉸接式地鐵車輛，采用+A*B*C+編組形式，其中 A、B、C代表車輛，‘+’代表車鉤，‘*’代表轉向架，編組如圖1所示。 列車共有四個轉向架，其中兩個轉向架設在車輛之間鉸接處，車體結構符合標準 EN12663：2010“鐵道車輛車體結構要求”。

圖1　車輛編組圖

1　車體底架材料

底架是車體結構的重要承載部分，不僅承受底架上和車內所有設備及乘客的重量，同時還要傳遞車輛的牽引力和制動力并承受運行過程中的彎曲、扭轉等各種復雜載荷，因此其結構設計和材料選擇直接影響整車的強度以及行車安全問題。本項目車輛車體底架材料主要采用奧氏體冷軋不銹鋼和優質低合金鋼。

1.1　不銹鋼材料的化學成分、機械性能

車體底架材料除端底架部分結構外均采用高強度奧氏體不銹鋼，牌號為SUS301L和SUS304,其化學成分（見表1）和機械性能（見表2）等質量級均符合日本JISG4305：1999標準。

SUS301L系列不銹鋼材料按其抗拉強度（或屈服強度）由大到小分為 HT級、MT級、ST級、DLT級和 LT級5個等級。其特點是綜合性能好、強度好、塑性好、硬度適中、具有較高的電阻率，較大的膨脹系數和低的導熱率。

1.2　優質低合金鋼的選擇

表1　SUS301L、SUS304不銹鋼的化學成分（JISG 4305：1999）

表 2 SUS301L、SUS304不銹鋼的機械性能（JIS E 4049）

A車底架結構中的I位端底架和II位端底架和B車的端底架大部分結構承受的沖擊力與壓縮力較大，選用高強度結構鋼和耐候鋼材料，其化學成分和機械性能滿足EN10025：2004或GB/T4171-2008耐候鋼結構標準。低合金鋼具有優良的焊接性能和很好的抗疲勞極限。

2　底架結構設計

車體結構為薄壁筒形整體承載焊接結構，具有較高的強度和剛度。車體車型分為 A、B、C三種，均由頂棚、側墻、端墻、底架等部分焊接組成，能夠承受垂直、縱向、扭轉等動、靜載荷。

底架是車體的主要承載結構，與端墻、左右側墻相連接構成車體主體的結構。根據車輛的編組及各節車輛間鉸接的特別連接形式，車體底架結構設計有A車底架、B車底架和 C車底架三種。底架中的I、II位端底架采用模塊化設計，C車底架除II位端底架采用B車I位端底架外，其他結構與A車基本相同，底架編組布置如圖2所示。

圖2　底架編組布置圖

2.1　A車底架

A車底架主要由I位端底架、II位端底架、邊梁、橫梁組成、縱梁、波紋地板等組成，其中I位端底架、II位端底架采用模塊化設計，A車底架結構見圖3。

圖3　A車底架結構組成

2.1.1I位端底架

I位端底架主要由吸能組成、牽緩組成、枕梁組成、碳鋼邊梁、小橫梁組成、縱梁、主橫梁等組成。因耐候鋼具有較好的焊接性能和強度，在端底架結構中除小橫梁組成和主橫梁外，其它零部件均采用耐候鋼材質，牌號為09CuPCrNi-A。小橫梁和主橫梁采用不銹鋼材質，等級采用SUS301L的DLT級。I位端底架結構如圖4所示。

圖4　I位端底架結構

吸能組成設有防爬和吸能結構，滿足車輛碰撞后的能量吸收要求；牽緩結構設計有車鉤安裝座，列車行駛過程中的牽引、制動力通過牽緩結構均勻的傳遞到底架結構以至整個車體；枕梁組成設計有車體與轉向架的連接結構，力通過牽引銷軸傳遞到走行部位；小橫梁組成及主橫梁根據車下設備的布置和安裝需要，開有不同大小的安裝孔。

2.1.2II位端底架

由于車輛間采用鉸接轉向架連接，車端鉸接區域受力情況復雜，載荷大，因此II位端底架結構除考慮強度要求外還要考慮與轉向的連接結構設計。II端底架主要由碳鋼邊梁、主橫梁、縱梁、小橫梁組成、端梁組成、連接組成、加強梁等結構組成。除小橫梁采用不銹鋼材質外，其他結構零部件均采用耐候鋼材質。連接結構組成設計有與轉向架連接的銷軸。II位端底架結構見圖 5。

圖5　II位端底架結構

2.2　B車底架裝配

B車底架結構，無吸能結構、牽枕緩組成，主要由I位端底架組成、II位端底架組成、邊梁、橫梁組成、縱梁等組成。B車底架結構見圖6。

圖6　B車底架結構

2.2.1B車I位端底架

B車I位端底架結構與A車II位端底架結構為成對匹配結構，共同連接于相同的鉸接轉向架。B車I位端底架結構是無銷軸襯套結構設計，除連接結構不同外其他主體結構與A車II位端底架基本相同。端底架具體結構見圖7。

圖7　B車I位端底架結構

2.3　底架組焊

不銹鋼材質焊接時產生的熱量不能很快散失,大量的熱量積聚于焊縫區域，容易產生焊接變形。為減小焊接變形和防止高溫下不銹鋼材料機械性能的下降,地鐵不銹鋼車體結構的連接多采用電阻點焊方式。根據底架結構及材料的特點，橫梁組成與邊梁的焊接及波紋地板的焊接采用點焊的焊接方式，底架其他各零部件的組焊主要采用弧焊的焊接方式。首先完成A車I位端底架（牽枕緩模塊）、II位端底架、B車I位端底架及其他部件的組焊。然后，根據設計圖紙將各模塊及零部件進行組焊，完成底架骨架結構。最后鋪設波紋地板，將波紋地板點焊到底架骨架結構上，完成整個底架裝配。

3　車體結構靜強度計算

在底架鋼結構設計完成后，為檢驗底架設計結構的合理性，校核底架強度、剛度是否滿足設計要求。需對整個車體結構進行靜強度計算，在保證結構強度的基礎上進行優化設計，使車體的結構完全滿足設計要求。計算采用了大型通用有限元分析及處理軟件HYPERMESH及 ANSYS，建立 A、B、C三輛車編組后的有限元模型，進行垂直載荷、縱向壓縮、縱向拉伸、剛度、吊車等工況下的靜強度計算，從而得到車體結構在各工況下的結構應力、應力分布、剛度等。有限元模型構成以任意四節點為等參變化的薄殼單元為主，由于結合考慮了結構單元中間面上的平面剛度、彎曲剛度及曲率效應，因此具有更高的計算精度。車體的計算模型和網格如圖8所示。

圖8　車計算模型和網格

通過靜強度計算，各工況下的應力云圖顯示，車體在垂直載荷、縱向壓縮、縱向拉伸、剛度、吊車等工況作用下，所有部位應力均不超出其所選材料的許用應力值。因此，該車強度滿足設計要求，底架結構滿足設計要求。

4　車體靜強度試驗

車體鋼結構總組焊完成后，為驗證車體的強度和剛度是否滿足設計要求，由青島四方車輛研究所有限公司依據 EN12663-1：2010《鐵路應用—軌道車輛車體結構要求》進行靜強度試驗。先后進行了垂向載荷試驗、車端400kN壓縮載荷試驗、車端400kN拉伸載荷試驗等試驗。試驗結果表明，車體結構強度完全滿足車輛設計要求，試驗結果與計算結果基本相符。

5　結束語

菲律賓馬尼拉3號線增購車為鉸接轉向架車輛，車輛間鉸接的連接形式與國內不銹鋼車的車鉤連接形式不同，因此底架結構與現有不銹鋼底架也不同。本項目車輛底架I、II位端底架結構采用了創新設計，經有限元分析和車體的靜強度試驗驗證，底架結構設計能承受400kN縱向拉伸、壓縮載荷及最不利的垂直載荷。底架結構設計合理，滿足車輛的強度、剛度要求。

【參考文獻】

［1］竇廣旭,等.不銹鋼車體制造技術.機車車輛工藝,2005.

［2］李培,等.地鐵不銹鋼車體強度分析及試驗驗證,內燃機車，2011.