時速160 km動力集中電動車組拖車車體設計分析

杜彥品 王瀟雨 牛永剛

(中車南京浦鎮車輛有限公司 江蘇 南京 210031)

根據中國國家鐵路集團有限公司運輸和經營發展要求，為了提高既有線鐵路運輸服務品質，充分利用既有機車、客車的運用和檢修資源，由中國國家鐵路集團有限公司和中國中車股份有限公司共同研制開發了時速160 km動力集中電動車組。時速160 km動力集中電動車組采用“1動7拖1控”(短編組)和“2動16拖”(長編組)模式，長編組可以根據運用需要進行靈活編組，兩列短編組可以進行重聯。

時速160 km動力集中電動車組拖車車體，采用了新結構、模塊化設計和輕量化設計，打破了25型客車碳鋼車體多年傳統的設計結構，提升了車體面耐腐性能和外觀質量，提高了列車的檔次。主要車型有二等座車、二等座車(餐吧式)、二等座車(廚房式)、控制車、一等臥車和二等臥車。下文以二等座車為例進行闡述。

1 車體主要技術參數

車體長度：25 500 mm；

車體寬度：3 105 mm；

車頂距軌面的高度：4 433 mm；

車輛定距：18 000 mm；

通過臺渡板面距離軌面高度：1 283 mm；

軸重：不大于16.5 t。

2 車體設計要求

車體鋼結構采用薄壁筒形整體承載結構, 主要材質為鎳鉻系耐候鋼，板厚不大于6 mm時采用Q310NQL2、Q345NQR2或Q350EWRH材料,型鋼和厚度大于6 mm的板材采用普通碳素鋼Q235B或低合金高強度結構鋼Q355材料，車頂空調機組處平頂板、中部端頂板、通過臺地板、衛生間和洗面間的金屬地板及腳蹬圍板等易腐蝕部位采用06Cr19Ni10不銹鋼板。

車體鋼結構符合TB/T 1335《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》標準的規定，穩定性符合BS EN 12663-1:2010 《Railway applications—Structural requirements of railway vehicle bodies Part 1: Locomotives and passenger rolling stock(and alternative method for freight wagons)》標準的規定，車體在滿載狀態和縱向壓縮狀態下，最小屈曲因子不小于1.5。車體結構設計壽命為30年。

3 車體鋼結構

3.1 底架鋼結構

車體鋼結構由底架、側墻、車頂和端墻鋼結構組成(見圖1)。車體鋼結構設計時采用模塊化設計理念，如側墻骨架模塊化、車頂模塊化，提高設計效率和生產效率，提高車體外觀質量；采用輕量化設計理念，在滿足結構要求的前提下，減少零件的數量及板厚，優化梁柱斷面，在梁柱上開減重孔等。設計側墻和車頂時，側墻立柱和車頂彎梁對應，形成交圈結構，提高車體抗扭轉性能。取消了車頂雨檐，減小列車運行阻力，提高車輛的空氣動力學性能，提高車輛檔次。為了提高車體的耐腐蝕性能，采取了零件間減少搭接量，盡量避免采用封閉結構，地板設排水孔等措施。

1—底架鋼結構；2—端墻鋼結構； 3—車頂鋼結構；4—側墻鋼結構。圖1 車體鋼結構

底架鋼結構主要由端牽枕、縱梁、橫梁、側梁和鐵地板焊接而成(見圖2)。按照PW-220K轉向架要求進行牽枕緩接口設計，牽引梁和枕梁是主要的受力部件，故采用厚板拼焊成箱型斷面；橫梁和縱梁主要采用槽型斷面，側梁采用槽鋼18b；枕外采用平地板；枕內采用波紋地板，傳遞部分縱向力，提高地板抗失穩性能。車輛縱向載荷通過鉚接在牽引梁內的車鉤安裝座向后傳遞，通過牽引梁傳遞到枕梁，再通過枕后縱梁和側梁向后傳遞。枕后縱梁端部應力較大，故枕內第一根橫梁采用厚度較大的箱型斷面，其后設有一組縱梁，在縱梁后端部與橫梁相接處設有補強板，防止應力集中。枕后縱梁采用魚腹狀，因變截面處應力較大，縱梁斷面內設有補強板。枕后側梁內設有立板，使側梁(從枕梁到第一根主橫梁)形成箱型斷面，在枕梁下蓋板和側梁下翼面焊有異形補強板。污物箱和充電機等大設備安裝橫梁采用大厚度槽型斷面，各設備吊座與橫梁焊接，在設備吊座筋板對應的槽型橫梁內設有多個對應的加強板，當設備受到沖擊時，保證吊座附近結構強度不超出材料的屈服極限。

為了防止冷凝水積存腐蝕車體，在枕內波紋地板避開車下設備處設有多列排水孔，在通過臺地板每側設有2個下凹深度為20 mm的排水槽，排水槽內設有排水孔。另外，枕外通過臺、衛生間和洗面間地板采用不銹鋼板，以提高底架的耐腐蝕性能。

3.2 側墻鋼結構

側墻鋼結構主要由立柱、縱梁、上邊梁、墻板和門框焊接而成(見圖3)。車窗兩側各設一根立柱，上下各設有縱梁，側墻上端設有上邊梁，和門框共同形成側墻的主骨架。在車窗中心線處，車窗上下各設有一根小立柱，窗間設有小縱梁，以提高墻板剛度和穩定性。

1—牽枕緩；2—縱梁；3—橫梁；4—側梁；5—鐵地板。圖2 底架鋼結構

1—門框；2—立柱；3—縱梁；4—上邊梁；5—墻板。圖3 側墻鋼結構

設計側墻時，采用輕量化設計，在保證強度的前提下，縱梁翼面開有多個長圓型的減重孔；采用防腐結構設計，傳統的立柱和縱梁采用帽型斷面，與墻板焊接后形成封閉結構，封閉腔內無法進行防腐噴涂，導致車窗下部和側墻下部腐蝕嚴重。現將立柱和縱梁改為乙型斷面，避免形成封閉結構，方便防腐噴涂，大大提高了側墻的耐腐蝕性能；采用模塊化設計；傳統的側墻設計和組裝采用散組裝模式，很難提高側墻的平面度，現以兩個車窗為單元，將側墻骨架分成小模塊，再將小模塊組焊成整體骨架，然后吊到側墻胎與墻板焊接，在生產過程中，嚴格控制每個小模塊與墻板焊接面的平面度，大大提高了側墻的外觀質量。

3.3 車頂鋼結構

車頂鋼結構主要由平頂、圓頂、側頂模塊和中部端頂焊接而成(見圖4)。彎梁與側墻立柱采用交圈設計結構，提高車體抗扭轉性能。彎梁采用帽型斷面，車頂邊梁采用C型斷面，以提高車頂的模態頻率。側頂采用無雨檐結構，減小列車運行阻力，提高車輛的空氣動力學性能。側頂采用模塊化設計，改變了傳統的散組裝模式，提高了側頂的外觀質量，提高了生產效率。

3.4 端墻鋼結構

端墻鋼結構由立柱、橫梁、風擋框、墻板、端頂槽鋼和端頂橫梁焊接而成，如圖5所示。立柱斷面為乙型，橫梁斷面為角型，方便防腐噴涂，提高了端墻的耐腐蝕性能。端墻兩側設有外風擋安裝梁，外風擋通過螺栓安裝在該梁上，提高列車的空氣動力學性能，減小列車端部噪聲，同時也增加了端部的美觀效果。

1—平頂；2—中部端頂；3—側頂模塊；4—圓頂。圖4 車頂鋼結構

1—立柱；2—橫梁；3—風擋框；4—墻板；5—端頂槽鋼；6—端頂橫梁。圖5 端墻鋼結構

4 車體鋼結構驗證

4.1 車體靜強度計算

按照TB/T 1335《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》標準，對車體鋼結構靜強度進行仿真分析。具體計算了7種工況，各工況下的應力分布情況如表1所示。

表1 各工況應力分布表

在工況3和工況5作用下，車體應力較大，最大應力值分別為210.991 MPa和333.355 MPa,均小于材料的許用應力，其應力云圖分別如圖6和圖7所示；其他工況下車體的應力值均遠小于許用應力值。車體靜強度滿足設計要求。

圖6 工況3車體應力云圖

圖7 工況5車體應力云圖

對車體進行了垂向彎曲剛度、扭轉剛度和模態計算，車體垂向彎曲剛度值為5.421 1×109N·m2，大于標準規定值1.3×109N·m2；車體扭轉剛度值為5.576×108N·m2/rad，大于標準規定值5.5×108N·m2/rad，車體剛度滿足設計要求。整備狀態下，車體一階垂向彎曲自振頻率為10.48 Hz，大于轉向架點頭和浮沉自振頻率的1.4倍，車體與轉向架不會產生共振。

對車體進行了結構穩定性計算，車體在滿載狀態下最小屈曲因子為2.285，位于一位端二位側窗下墻板處(見圖8)；在1.5倍縱向壓縮狀態下最小屈曲因子為1.0，位于二位端二位側窗下墻板處(見圖9)，車體結構穩定性滿足設計要求，結構不會出現失穩現象。

圖8 滿載狀態下車體一階屈曲模態

圖9 壓縮狀態下車體1階屈曲模態

4.2 車體靜強度試驗

根據二等座車的車體靜強度試驗大綱和TB/T 1806《鐵道車輛車體靜強度試驗方法》標準，對車體鋼結構進行垂向載荷試驗、縱向力試驗、扭轉試驗、頂車試驗，合成應力均小于材料的許用應力，結構沒有出現永久變形，車體靜強度滿足設計要求。車體的垂向彎曲剛度和扭轉剛度試驗結果也都滿足標準要求。

4.3 車體疲勞強度計算

按照BS EN 12663-1:2010 《Railway applications—Structural requirements of railway vehicle bodies Part 1: Locomotives and passenger rolling stock(and alternative method for freight wagons)》和 BS EN 1993-1-9:2005《Eurocode 3: Design of steel structures Part 1-9: Fatigue》標準，對車體進行疲勞強度計算，具體計算了10種工況。車體焊接形式主要包括T型焊、對接焊、搭接焊三種，各工況下，不同焊接接頭的最小安全因子如表2所示。

表2 各工況焊接接頭的最小安全因子

在各種工況下，車體鋼結構3種焊接形式的最小安全因子均大于1，車體能夠滿足設計壽命30年的要求。

在工況9作用下，最小安全因子為1.205，該處焊縫的性能等級為中應力等級和高安全等級；在工況8和工況10作用下，最小安全因子分別為1.037(見圖10)和1.039(見圖11)，這兩處焊縫的性能等級為高應力等級和中安全等級。這三處焊縫均屬于關鍵焊縫，制造時要高度重視，需進行表面試驗和體積試驗，確保焊縫質量。

圖10 工況8 T型接頭安全因子云圖

圖11 工況10搭接接頭安全因子云圖

5 結束語

時速160 km動力集中電動車組車體采用新結構、模塊化設計和輕量化，解決了25型客車碳鋼車體多年存在的腐蝕嚴重及外觀平面度較差的難題，提升了車體耐腐蝕性能和外觀質量，提升了列車的檔次。該電動車組是鐵道客車轉型升級過程中的關鍵產品，已列入“復興號”中國標準動車組序列。

車體鋼結構通過了強度計算和靜強度試驗，滿足設計要求。時速160 km動力集中電動車組(短編組)已完成30萬km的運用考核，并通過了技術評審，現已實現批量生產。該車體結構的設計技術代表當前碳鋼車體的最新技術，對今后碳鋼車體結構設計具有很高的參考價值。□