高鐵隧道檢測(cè)車車體研制

杜彥品，牛永剛，王瀟雨，辛志斌

(中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京 210031)

高速鐵路隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)車(以下簡(jiǎn)稱高鐵隧道檢測(cè)車)研制是原中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃新立項(xiàng)目(2017G003-H)。目前國(guó)內(nèi)時(shí)速200 km及以上的高鐵隧道(包括在建隧道)約有4 237座，長(zhǎng)度約為7 533 km，未來高速動(dòng)車組的需求量仍舊很大，運(yùn)營(yíng)、在建和即將通車的高鐵隧道待檢需求迫切。為此，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司聯(lián)合中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司(以下簡(jiǎn)稱中車浦鎮(zhèn)公司)共同研制了高鐵隧道檢測(cè)車，該車采用地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)對(duì)高鐵隧道進(jìn)行檢測(cè)，中車浦鎮(zhèn)公司承擔(dān)高鐵隧道檢測(cè)車(檢測(cè)系統(tǒng)除外)的研制工作。

車體鋼結(jié)構(gòu)是高鐵隧道檢測(cè)車研制的重點(diǎn)和難點(diǎn)，因?yàn)樘厥獾钠矫娌贾眉胺雷o(hù)罩的安裝和開閉需要，其承載方式不再是傳統(tǒng)的薄壁筒形整體承載結(jié)構(gòu)，而是一端為薄壁筒形整體承載結(jié)構(gòu)，另一端為底架承載結(jié)構(gòu)，這種特殊的承載方式給車體鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)增加了難度。

1 平面布置圖

高鐵隧道檢測(cè)車平面布置如圖1所示。車體一端為設(shè)備間區(qū)域，為敞開式結(jié)構(gòu)，即車體僅有底架鋼結(jié)構(gòu)，在側(cè)部和頂部設(shè)有2組防護(hù)罩，分別安裝在底架邊梁上平面的滑軌上，質(zhì)量約為2.5 t。在設(shè)備間底架上安裝有約7 t的檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)備，在相鄰的工作間底架上安裝有近1 t的工作臺(tái)及配電柜。在底架下部安裝了近2.5 t的柴油發(fā)電機(jī)組以及油箱、制動(dòng)模塊、電池箱和集便器等設(shè)備。車體另一端車頂上設(shè)有空調(diào)機(jī)組，質(zhì)量約為1.5 t。

1.空調(diào)機(jī)組；2.防護(hù)罩；3.電池箱；4.柴油發(fā)電機(jī)組；5.油箱；6.集便器；7.配電柜；8.工作臺(tái)；9.檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)備。

2 主要技術(shù)參數(shù)

表1為高鐵隧道檢測(cè)車主要技術(shù)參數(shù)。

3 車體鋼結(jié)構(gòu)

高鐵隧道檢測(cè)車車體鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度參照TB/T 1335—1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》[1]設(shè)計(jì)。車體鋼結(jié)構(gòu)由底架鋼結(jié)構(gòu)、側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)、車頂鋼結(jié)構(gòu)、外端墻鋼結(jié)構(gòu)和隔墻鋼結(jié)構(gòu)組成(圖2)。車體鋼結(jié)構(gòu)1位端為整體承載式，2位端為底架承載式，中梁貫穿整個(gè)底架。從設(shè)備間到2位外端，車體為敞開式結(jié)構(gòu)，即無側(cè)墻和車頂，便于檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)備升降作業(yè)需要。在設(shè)備間側(cè)部和頂部設(shè)有剛性防護(hù)罩，形成封閉的空間，以保護(hù)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)備。為了提高防護(hù)罩的整體剛度和運(yùn)行的平穩(wěn)性，將防護(hù)罩分為獨(dú)立的2組，2組防護(hù)罩間設(shè)有厚300 mm的拱形隔墻鋼結(jié)構(gòu)，隔墻鋼結(jié)構(gòu)下端落在底架鋼結(jié)構(gòu)上并與之焊接。為了保證防護(hù)罩開啟的移動(dòng)空間，設(shè)備間兩端車體采用變截面設(shè)計(jì)，即側(cè)墻和車頂?shù)臄嗝孀冃2]。

因該車體鋼結(jié)構(gòu)特殊的承載方式，對(duì)工作間到設(shè)備間的車體鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全新設(shè)計(jì)。在各種載荷作用下，車體變截面區(qū)域是應(yīng)力集中的主要部位。而敞開區(qū)域因沒有側(cè)墻和車頂對(duì)結(jié)構(gòu)的支撐作用，在近7 t重的檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)備作用下，底架會(huì)出現(xiàn)較大的向下垂向變形，故此區(qū)域?yàn)檐圀w鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

1.底架鋼結(jié)構(gòu)；2.側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)；3.車頂鋼結(jié)構(gòu)；4.工作間隔墻鋼結(jié)構(gòu)；5.拱形隔墻鋼結(jié)構(gòu)；6.2位端隔墻鋼結(jié)構(gòu)；7.外端墻鋼結(jié)構(gòu)。

3.1 底架鋼結(jié)構(gòu)

在設(shè)備間區(qū)域，車體為敞開式結(jié)構(gòu)，為了能夠承受較大的垂向載荷，需提高底架的強(qiáng)度和剛度，故底架采用有中梁結(jié)構(gòu)。底架鋼結(jié)構(gòu)由牽枕緩裝置、橫梁、縱梁、中梁、側(cè)梁、補(bǔ)強(qiáng)梁和鐵地板等組成(圖3)。中梁和側(cè)梁采用熱軋槽鋼，在中梁槽鋼的腹面應(yīng)力較低的區(qū)域開有減重孔，以減輕車體的質(zhì)量；采用高強(qiáng)度耐候鋼，以提高中梁的強(qiáng)度。橫梁和縱梁采用槽形折彎件。地板采用厚度較大的平地板，以提高其穩(wěn)定性。

1.牽枕緩裝置；2.縱梁；3.橫梁；4.中梁；5.側(cè)梁；6.補(bǔ)強(qiáng)梁；7.鐵地板。

設(shè)備間區(qū)域底架側(cè)梁上方焊有矩形補(bǔ)強(qiáng)梁，下方焊有槽形補(bǔ)強(qiáng)梁，以提高設(shè)備間底架的剛度。在枕梁后面靠近側(cè)梁處，設(shè)有槽形縱梁，下翼面與側(cè)梁下翼面平齊，并在其下平面焊有厚封板，將此處結(jié)構(gòu)組焊成“日”字形結(jié)構(gòu)，大大提高了側(cè)梁部位的強(qiáng)度和剛度，提高了底架的垂向抗彎能力。設(shè)備間地板上面設(shè)有安裝檢測(cè)設(shè)備平臺(tái)的安裝座，因垂向載荷較大，安裝座處地板下方設(shè)有槽形或矩形縱梁和橫梁加強(qiáng)。

3.2 側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)

側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)分為1位端側(cè)墻、工作間側(cè)墻和2位端側(cè)墻，由側(cè)門框、立柱、縱梁、上邊梁和墻板組成(圖4)。1位端側(cè)墻和工作間側(cè)墻連接處采用變截面設(shè)計(jì)，為防護(hù)罩開啟時(shí)提供移動(dòng)的空間。變截面處設(shè)有大斷面槽形立柱，槽形立柱內(nèi)有封板和筋板，將立柱局部封為“日”字形斷面，以增加立柱的強(qiáng)度和剛度。該處是側(cè)墻應(yīng)力較大的區(qū)域，在側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)下部和上邊梁部位均進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)。工作間側(cè)墻下端與底架側(cè)梁上面的補(bǔ)強(qiáng)梁焊接，兩端分別與“日”字形立柱和工作間隔墻角柱焊接，“日”字形立柱與底架補(bǔ)強(qiáng)梁端部焊接(圖5)。2位端側(cè)墻落在底架側(cè)梁上面的補(bǔ)強(qiáng)梁上，在2位外端墻處也采用變截面設(shè)計(jì)，即側(cè)墻和車頂外輪廓小于外端墻的外輪廓，側(cè)墻兩端分別與2位端隔墻角柱和外端墻端角柱焊接。

1.1位端側(cè)墻；2.工作間側(cè)墻；3.2位端側(cè)墻。

3.3 車頂鋼結(jié)構(gòu)

車頂鋼結(jié)構(gòu)分為1位端車頂、工作間車頂、2位端車頂和小端頂(圖6)。1位端車頂由平頂、圓頂組成，側(cè)頂板設(shè)有雨檐。工作間車頂高度低于1位端圓頂，二者間通過小端頂連接，此處是車頂應(yīng)力集中較大的區(qū)域，故在1位端圓頂和小端頂間設(shè)有魚腹?fàn)畹目v梁，以提高變截面處的強(qiáng)度；工作間車頂另一端與工作間隔墻彎梁連接。2位端車頂?shù)陀?位外端墻，兩端分別與2位端隔墻和2位外端墻焊接。工作間車頂和2位端車頂側(cè)頂無雨檐，與側(cè)墻通過上邊梁連接，增加了美觀效果。

圖5 工作間側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)

1.1位端車頂；2.小端頂；3.工作間車頂；4.2位端車頂。

3.4 外端墻鋼結(jié)構(gòu)

車體兩端設(shè)有外端墻鋼結(jié)構(gòu)(圖7)。1位外端墻鋼結(jié)構(gòu)由梁柱、墻板和風(fēng)擋框組成，風(fēng)擋框設(shè)有與橡膠風(fēng)擋的安裝接口。2位外端墻鋼結(jié)構(gòu)由帽形梁柱、矩形端角柱和角形大彎梁組成，大彎梁內(nèi)側(cè)的弧形封板上端與角形彎梁的翼面焊接，下端與端頂立柱和端角柱焊接。2位端側(cè)墻與端角柱對(duì)接焊，2位端車頂頂在封板上并與之焊接。

圖7 外端墻鋼結(jié)構(gòu)

3.5 隔墻鋼結(jié)構(gòu)

隔墻鋼結(jié)構(gòu)分為工作間隔墻鋼結(jié)構(gòu)(圖8)、拱形隔墻鋼結(jié)構(gòu)(圖9)和2位端隔墻鋼結(jié)構(gòu)(圖10)3種。

工作間隔墻鋼結(jié)構(gòu)上安裝表面成像裝置，背后由較厚的槽形梁形成“日”或“目”字骨架，墻板上開洞，安裝座直接焊在槽形梁上。隔墻鋼結(jié)構(gòu)兩側(cè)的角柱為矩形斷面，彎梁為槽形斷面，凸出工作間側(cè)墻和車頂外表面20 mm，便于防護(hù)罩關(guān)閉時(shí)壓緊密封膠條，起到良好的密封作用。

拱形隔墻鋼結(jié)構(gòu)斷面輪廓與車體斷面一致，可提高防護(hù)罩關(guān)閉后的美觀效果。為了提高拱形隔墻鋼結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性，隔墻厚度設(shè)為300 mm，每側(cè)寬度為350 mm，設(shè)有2層骨架，角柱為C形斷面，下端落在底架補(bǔ)強(qiáng)梁上平面并與之焊接。

2位端隔墻鋼結(jié)構(gòu)為單層骨架加蒙皮的結(jié)構(gòu)，每側(cè)寬度為350 mm，兩側(cè)的角柱為矩形斷面，彎梁為槽形斷面，凸出2位端側(cè)墻和車頂外表面20 mm，便于防護(hù)罩關(guān)閉時(shí)壓緊密封膠條，起到良好的密封作用。角柱下端落在底架補(bǔ)強(qiáng)梁上平面并與之焊接。

圖8 工作間隔墻鋼結(jié)構(gòu)

圖9 拱形隔墻鋼結(jié)構(gòu)

圖10 2位端隔墻鋼結(jié)構(gòu)

4 車體靜強(qiáng)度仿真計(jì)算及試驗(yàn)

4.1 車體靜強(qiáng)度計(jì)算

參照TB/T 1335—1996標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)車體鋼結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度進(jìn)行仿真計(jì)算。計(jì)算時(shí)共考核了8種工況[3](表2)。

表2 車體靜強(qiáng)度計(jì)算工況

計(jì)算結(jié)果表明：(1)在各種工況作用下，車體變形符合TB/T 1335—1996標(biāo)準(zhǔn)要求，車體鋼結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生永久變形；(2)通過對(duì)8種工況進(jìn)行計(jì)算分析，得出各工況下的車體最大應(yīng)力及部位(表3)。從表3中可以看出，各部位及各材料的最大計(jì)算應(yīng)力均小于材料的許用應(yīng)力，車體靜強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 各部位的最大應(yīng)力 MPa

4.2 車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)

為驗(yàn)證車體的強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求，按照TB/T 1806—2006《鐵道客車車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)[4]，對(duì)組成后的車體鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜強(qiáng)度試驗(yàn)，分別進(jìn)行了垂向載荷試驗(yàn)、縱向力試驗(yàn)、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)、頂車試驗(yàn)[5]。試驗(yàn)結(jié)果表明，車體鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足TB/T 1335—1996的設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果基本一致。

5 結(jié)束語

通過對(duì)高鐵隧道檢測(cè)車車體靜強(qiáng)度進(jìn)行仿真計(jì)算和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，車體鋼結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，并順利通過了車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)。該車已完成交付并正式投入使用，效果良好。