快速市域動車組車頂設(shè)計

孫維超，計夢男，梁 森，沃少帥，李 茁

（北京軌道交通技術(shù)裝備集團有限公司，北京 100160）

200 km 城際（市域）動車組車體的車頂由大型中空擠壓型材構(gòu)成。通長擠壓型材上適當(dāng)位置設(shè)通長的T 型槽用于間壁和頂板等內(nèi)裝部件的安裝。且車頂在承載空調(diào)機組、受電弓以及車頂高壓設(shè)備區(qū)域必須加固，并保證排水通暢，無滲漏。

車頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計不僅要考慮輕量化以及車上設(shè)備的吊裝要求，還需要考慮密封性和安裝結(jié)構(gòu)的合理性。因為鋁合金的焊接變形大，屈服強度低，所以在車頂結(jié)構(gòu)設(shè)計時，既要結(jié)合計算結(jié)果，考慮結(jié)構(gòu)強度，又要結(jié)合生產(chǎn)制造環(huán)境，考慮工藝可行性。

1 車頂結(jié)構(gòu)設(shè)計

200 km 城際（市域）動車組車體的車頂采用輕量化鋁合金材料，鋁合金材料不僅重量低，而且結(jié)構(gòu)簡單，目前重型臥式擠壓機可以擠出大型扁寬薄壁鋁型材技術(shù)不僅減少了車體結(jié)構(gòu)中的橫向構(gòu)件，而且能滿足車輛高速通過隧道時氣壓迅速變化對車輛所提出的密封性要求。因此，速度等級高、強度等級高、輕量化程度要求高的城際市域動車組車頂選擇鋁合金作為結(jié)構(gòu)材料。

1.1 鋁合金車頂結(jié)構(gòu)簡介

車頂由車頂端梁、車頂型材、空調(diào)機組安裝座、受電弓安裝座、高壓設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)以及其他零件焊接組成，如圖1 所示。

圖1 200 km 城際（市域）動車組車頂結(jié)構(gòu)

1.2 車頂結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在200 km 城際（市域）動車組車輛運行當(dāng)中，車頂雖然不會受到車鉤的壓力與拉力，但是因為車頂安裝著各種設(shè)備，需要承擔(dān)重力和空氣阻力，為保證車頂結(jié)構(gòu)強度、工藝可行性以及輕量化要求，通過以下措施進行優(yōu)化設(shè)計。

1.2.1 兩側(cè)車頂邊梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

車頂邊梁是傳遞車體縱向載荷、保證車體剛度的關(guān)鍵部件。按照以往的鋁合金車頂設(shè)計及經(jīng)驗，車頂邊梁采用大斷面，中間布有斜筋的擠壓型材，車頂組成由車頂邊梁與車頂中間型材焊接而成。參考原型車邊梁型材斷面計算時，車頂區(qū)域處在臨界點位置，存在風(fēng)險。結(jié)合200 km 城際（市域）動車組空調(diào)機組以及受電弓和高壓設(shè)備全部集中在一輛車上，且空調(diào)機組重量較傳統(tǒng)機組增重75 kg 來分析，車頂需要承載更多的重量。綜合以上因素，對車頂邊梁斷面進行優(yōu)化。

車頂邊梁經(jīng)截面優(yōu)化后，整體剛度有著明顯的改善提升，對空調(diào)機組的安裝剛度以及整車剛強度計算都有很大的貢獻，車頂邊梁型材截面優(yōu)化如圖2 所示。

圖2 車頂邊梁結(jié)構(gòu)設(shè)計對比

1.2.2 車頂受電弓安裝座結(jié)構(gòu)設(shè)計

受電弓通過3 個安裝座與車體相連，傳統(tǒng)受電弓安裝座一般采用底座與安裝板拼焊結(jié)構(gòu)組成，如圖3所示。此種結(jié)構(gòu)要求有空腔的安裝操作空間，并且由于安裝結(jié)構(gòu)小，焊接區(qū)域密集，焊接后存在應(yīng)力集中導(dǎo)致安裝精度差等現(xiàn)象。

圖3 受電弓以及傳統(tǒng)安裝座結(jié)構(gòu)形式

200 km 城際（市域）動車組受電弓安裝座采用厚鋁板切割，避免了自身的結(jié)構(gòu)焊接，簡化制作工序，提高了產(chǎn)品的良品率。另外，200 km 城際（市域）動車組受電弓安裝座為減少與車頂?shù)暮附用娣e，且車頂為弧頂結(jié)構(gòu)，為降低定位難度，滿足車輛對輕量化等要求，將焊接立壁設(shè)計成3 mm 厚鋁板，提高焊接性能。設(shè)備安裝面采用盲孔預(yù)埋螺紋襯套結(jié)構(gòu)。避免雙向緊固對安裝座操作空間的要求。具體結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 優(yōu)化后受電弓安裝座結(jié)構(gòu)形式

1.2.3 車頂高壓設(shè)備安裝座結(jié)構(gòu)設(shè)計

200 km 城際（市域）動車組車頂設(shè)置避雷器、變流器等電氣設(shè)備。并且車頂還布置有高壓隔離開關(guān)、電流互感器等高壓設(shè)備。因為車頂采用無平頂結(jié)構(gòu)，無法采用傳統(tǒng)的下沉式安裝座。

因此，車頂安裝座設(shè)計為厚鋁板加工預(yù)埋螺紋襯套結(jié)構(gòu)，如圖5 所示。為保證安裝座與弧面車頂?shù)暮附淤|(zhì)量。安裝座采用3 mm 薄壁與車頂進行焊接。安裝座與車頂型材堵板結(jié)構(gòu)采用焊接方式。

圖5 優(yōu)化后高壓設(shè)備安裝座結(jié)構(gòu)形式

1.2.4 車頂空調(diào)安裝座優(yōu)化

車頂設(shè)空調(diào)機組，空調(diào)安裝座采用型材拼焊，然后與車頂焊接，根據(jù)以往項目經(jīng)驗，空調(diào)安裝座的安裝孔一般都是先加工后與車頂組焊，鋁合金車頂制造工藝流程如圖6 所示。

圖6 鋁合金車頂制造工藝流程

根據(jù)以上原因，對空調(diào)安裝座安裝孔加工順序進行調(diào)整，在車體附件組焊后空調(diào)安裝孔在車體組成進行整體加工，保證空調(diào)設(shè)備的安裝精度，如圖7 所示。

圖7 車頂結(jié)構(gòu)模塊示意圖

2 車頂結(jié)構(gòu)性能評估

為保證車體的安全可靠性，靜強度、車體剛度與載荷按照EN 12663—1《鐵路應(yīng)用設(shè)施.鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求.第1 部分：機車與客用車（和貨車的替換法）》中P－II 類（固定機組）的要求執(zhí)行，車體在承受各種最大垂直載荷的同時，沿車鉤安裝縱向水平方向施加1 500 kN 的靜壓載荷，拉伸載荷1000 kN，車體應(yīng)力不超過設(shè)計許用應(yīng)力。車頂板在200 cm2的面積上需能承受1 000 kN 的垂直載荷。

2.1 疲勞強度計算

根據(jù)EN 12663—1 的規(guī)定，車體結(jié)構(gòu)疲勞強度的校核方式有兩種：一種是疲勞極限法，另一種是基于損傷累計方法；并指出在車體疲勞校核工況下，車體的最小疲勞循環(huán)次數(shù)不小于107 次。200 km 城際（市域）動車組采用基于Smith-Goodman 曲線的疲勞極限法對車體進行疲勞強度校核。

根據(jù)疲勞強度工況計算得到母材和焊縫主應(yīng)力，所得焊縫和母材Smith 形式的Goodman 疲勞極限圖如圖8、圖9 所示。可以看出，在所有計算工況下，計算所得母材較大應(yīng)力處和焊縫處的應(yīng)力幅值、均值皆被包含在Goodman 曲線內(nèi)，結(jié)合車頂局部在疲勞工況下的應(yīng)力云圖如圖10 所示，從而證明車頂結(jié)構(gòu)滿足疲勞強度要求。

圖8 焊縫Smith 形式的Goodman 疲勞極限圖

圖9 母材Smith 形式的Goodman 疲勞極限圖

圖10 疲勞工況下車頂應(yīng)力云圖

2.2 靜強度計算

靜強度采用第四強度理論對車體強度進行校核，要求各個工況下結(jié)構(gòu)的Von-Mises 應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力。

根據(jù)EN 12663—1 中的規(guī)定，在各種工況下，母材許用應(yīng)力即是屈服強度，在焊縫處取安全系數(shù)1.1，即許用應(yīng)力為屈服強度除以安全系數(shù)1.1。

根據(jù)各個工況下的應(yīng)力計算，車頂計算結(jié)果最大為6.9 MPa。車頂各部位均小于材料允許的用應(yīng)力215 MPa，滿足設(shè)計要求。車頂局部最大等效應(yīng)力云圖如圖11 所示。

圖11 頂局部最大等效應(yīng)力云圖

3 結(jié)論

通過對車頂邊梁斷面優(yōu)化，結(jié)合仿真計算結(jié)果。證明車頂結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求，為整車的剛強度計算以及模態(tài)仿真提供了有利的結(jié)構(gòu)支撐。結(jié)合工藝制造可行性分析和實際生產(chǎn)遇見的問題，通過對受電弓安裝座、高壓設(shè)備安裝座以及空調(diào)機組安裝結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，通過實際生產(chǎn)的應(yīng)用，證明車頂結(jié)構(gòu)優(yōu)化后有利于生產(chǎn)制造，提高了制造效率和整車品質(zhì)，從而節(jié)約了制造成本，為后續(xù)車頂結(jié)構(gòu)設(shè)計奠定了堅實的基礎(chǔ)。