李 辰

（北方國際合作股份有限公司，北京 100040）

0 前言

近年來，隨著城市軌道交通事業(yè)飛速發(fā)展，地鐵列車設(shè)計理念不斷進步，碳鋼方形列車前端已經(jīng)逐漸淡出現(xiàn)代生活，應(yīng)運而生的玻璃鋼-鋼骨架結(jié)構(gòu)前端以其時尚的造型和靚麗的外觀被推崇。目前采用新結(jié)構(gòu)前端的地鐵列車已普遍投入到各國城市地鐵線路的運營中。然而，傳統(tǒng)的二維繪圖方法難以適應(yīng)雙曲面復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計，所以，新一代地鐵列車的前端設(shè)計采用了目前主流的?CAD-CAE?設(shè)計方法：通過建立基本的計算機分析模型，對所設(shè)計的車輛進行強度、壽命分析，以及運動學(xué)、動力學(xué)仿真，從而得到車輛的各種性能[1]，指導(dǎo)城市軌道交通車輛設(shè)計。

本文以設(shè)計實例為基礎(chǔ)，介紹地鐵列車前端三維結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法和過程[2]。在闡述設(shè)計過程中，將通過與既有線路列車前端結(jié)構(gòu)進行比較，暴露目前運營車輛存在的設(shè)計問題與安全隱患，著重說明新結(jié)構(gòu)如何規(guī)避原有問題，逐步優(yōu)化提升，以期提供一種標準化的地鐵列車前端設(shè)計方法，縮短地鐵車輛整體設(shè)計周期，提高設(shè)計質(zhì)量。

1 列車前端的構(gòu)成

1.1 地鐵車輛鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)成

地鐵車輛鋼結(jié)構(gòu)可以分為前端、車頂、底架、側(cè)墻和端墻，通常采用不銹鋼、耐候鋼與鋁合金材料[3]。GB50157《地鐵設(shè)計規(guī)范》對車輛限界做出了明確的規(guī)定，除前端外的車體鋼結(jié)構(gòu)基本實現(xiàn)了標準化生產(chǎn)。但前端部分由于需要體現(xiàn)列車個性化外觀，滿足不同地區(qū)的定制化要求，仍屬于非標設(shè)計范疇。玻璃鋼-鋼骨架結(jié)構(gòu)前端見圖?1。

圖1 玻璃鋼-鋼骨架結(jié)構(gòu)前端

1.2 前端的主要結(jié)構(gòu)

列車前端可采用焊接或栓接形式與車體鋼結(jié)構(gòu)相連接，內(nèi)部包含司機室，集成了擋風(fēng)玻璃、車鉤、司機室內(nèi)裝等必備結(jié)構(gòu)和前照燈、遮陽簾、雨刷器、司機臺等諸多設(shè)備，是車輛各大系統(tǒng)的交匯點（圖?2）。

一般列車前端結(jié)構(gòu)由前端外罩和前端鋼結(jié)構(gòu)通過連接件栓接而成，并設(shè)置設(shè)備的安裝接口，本文將詳細介紹前端結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法。

圖2 列車前端結(jié)構(gòu)

2 前端整體方案設(shè)計

2.1 建立整體框架

前端結(jié)構(gòu)采用?Creo2.0?三維軟件進行設(shè)計，首先需要建立總組成的三維模型骨架樹形圖（圖?3）。

骨架樹形圖是整個設(shè)計的框架，具體的零部件設(shè)計是在此框架內(nèi)進行的，在設(shè)計過程中，骨架樹形圖也在不斷完善、增加和改進中。

圖3 三維模型骨架樹形圖

建立骨架樹形圖可以理清設(shè)計總思路，便于區(qū)別或集合每個子裝配，避免由于參考混亂導(dǎo)致設(shè)計疏漏或模型錯誤。

2.2 材質(zhì)選取

前端組成各零部件根據(jù)其功能與加工工藝不同，所用材質(zhì)亦不相同（表?1）。

前端外罩造型復(fù)雜，要求使用具有較高強度與硬度、較好韌性以及優(yōu)良的耐腐性能的材料。選用聚酯玻璃鋼制造前端外罩，不但可以滿足設(shè)計需求，而且加工工藝簡單，適合中小批量生產(chǎn)。

前端鋼結(jié)構(gòu)及連接件采用?06Cr19Ni10?不銹鋼材質(zhì)，與車體材質(zhì)保持一致，避免由于材質(zhì)不同導(dǎo)致與車體接口焊縫發(fā)生電離腐蝕和缺陷。

表1 前端組成部件及所用材料

2.3 確定整體尺寸

前端總體尺寸受到?3?個基本限界的限制，分別為：

（1）車輛外輪廓限界：前端的后端面外輪廓必須與鋼結(jié)構(gòu)外輪廓保持一致（車頂部分可略低于波紋板）；

（2）車輛前端削角：前端屬于車體司機室加長部位，需要滿足車輛設(shè)備限界在司機室的削角限制，即從后端面開始向前逐漸收縮；

（3）車下限界：前端在底架以下的部分受車下限界的影響，所有造型及設(shè)備必須包絡(luò)在限界內(nèi)，避免與線路設(shè)備碰撞。

按上述?3?個基本限界對前端進行修正后，整體尺寸即可確定。之后即可根據(jù)整車布置圖確認外觀方案，并合理布置窗口、燈口等分區(qū)，在詳細設(shè)計中逐步細化（圖?4）。前端整體布局將作為詳細設(shè)計的基礎(chǔ)，整個設(shè)計過程在“整體-局部”的交互中逐步改良與細化。

3 前端鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計

前端鋼結(jié)構(gòu)是前端結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心，是前端組成強度、剛度的主要提供部分，也是所有其他前端部件裝配的基準參考。它的設(shè)計制造精度會直接影響其他部件，尤其是司機室內(nèi)裝和設(shè)備的組裝。

前端鋼結(jié)構(gòu)也是車體底架、側(cè)墻、車頂和前端外罩連接的橋梁，因此，在進行設(shè)計時，必須與接口部位的設(shè)計工程師充分溝通，確認連接方式和位置，并隨著設(shè)計的深化，逐步細化各自的部件和接口。

3.1 前端鋼結(jié)構(gòu)布局

前端鋼結(jié)構(gòu)的基本功能是支撐前端外罩。從基本功能出發(fā)，鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)布置在前端造型的重要部位，如與側(cè)墻和車頂相接的后端面、與底架相連接的底面、窗口、疏散門門口等。

除了支撐和連接作用，前端鋼結(jié)構(gòu)還是整個司機室的安全屏障。

車輛的沖撞一般是緩沖裝置破壞后底架端梁之間的沖撞，但由于列車高速撞擊后前端間的爬升與碾軋，前端部分將成為第?2?個結(jié)構(gòu)吸能區(qū)，如圖?5?所示。

使用非線性有限元分析對車輛碰撞進行模擬，將非動力兩端設(shè)計為弱剛度可大變形的吸能區(qū)[4-5]。除了車輛間的互相撞擊，其他形式的碰撞基本直接作用在前端鋼結(jié)構(gòu)之上。為了保證司機的安全，要特別注意下面?2?個問題。

圖4 前端限界及分區(qū)

圖5 車輛撞擊過程

3.1.1 設(shè)置中立柱的必要性

北京地鐵?6?號線列車前端鋼結(jié)構(gòu)進行了大幅的精簡，其中間部位采用了徹底開放的形式，沒有設(shè)置任何的立柱與橫梁（圖?6）。

圖6 北京地鐵 6 號線列車前端鋼結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)雖然降低了前端鋼結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，有一定的減重作用，但是一旦發(fā)生撞擊，尤其是前端中部的沖撞，將直接導(dǎo)致外罩變形壓入司機室，存在安全隱患。由此可見，前端中部設(shè)置高強度立柱和橫梁，是非常必要的。

3.1.2 立柱與底架直接焊接的必要性

北京地鐵?9?號線與亦莊線車輛采用了相似結(jié)構(gòu)，圈梁與立柱下方均與連接板焊接在一起，在組裝過程中，再將連接板與底架塞焊（圖?7）。

圖7 北京地鐵 9 號線列車前端鋼結(jié)構(gòu)

各立柱并沒有直接與底架焊接在一起，在發(fā)生碰撞時，前端鋼結(jié)構(gòu)將向后移動，撕開在底架與立柱間的連接板，造成鋼結(jié)構(gòu)不能達到預(yù)期的剛度。2015?年北京亦莊線事故列車前端嚴重變形，暴露了該結(jié)構(gòu)的不足（圖?8）。

可見，前端鋼結(jié)構(gòu)的主立柱必須與底架直接焊接在一起，才能夠在撞擊時與底架構(gòu)成整體框架，降低前端的變形量。

3.2 設(shè)計方案

充分考慮前端鋼結(jié)構(gòu)的支撐作用和防撞擊作用，即可初步完成鋼結(jié)構(gòu)的梁柱骨架圖（圖?9）。主支撐結(jié)構(gòu)采用了?3?根完整的拉彎立柱來實現(xiàn)，是前端鋼結(jié)構(gòu)最強的部分。

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)（圖10?）中，強度較高的完整橫梁并不在容易受到?jīng)_擊的中部區(qū)域，而首當其沖的立柱多處拼焊且在橫梁處斷開，鋼結(jié)構(gòu)整體布置不合理。與之比較，當前采用的整體立柱結(jié)構(gòu)擁有更好的剛度與防撞擊性能。

3.3 前端鋼結(jié)構(gòu)梁柱設(shè)計

3.3.1 圈梁設(shè)計

圈梁是前端鋼結(jié)構(gòu)與車頂、側(cè)墻和底架連接的部件，也是前端鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計基準。圈梁采用?U?形斷面，與其他橫梁的交匯處需要補焊加強筋，以傳遞沖擊力（圖?11）。

建議圈梁采用拉彎加工并拼焊成型的方法制造。北京地鐵?5?號線車輛圈梁采用了底板與壓彎角鋼整體焊接成型的方法，由于焊接量過大，整體變形難以控制（圖?12）。

圖8 北京亦莊線事故列車

圖9 前端鋼結(jié)構(gòu)的梁柱骨架

圖10 北京地鐵 5 號線車輛前端鋼結(jié)構(gòu)

3.3.2 主支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計

前端鋼結(jié)構(gòu)以中立柱及兩側(cè)的窗立柱、門立柱組成主支撐結(jié)構(gòu)，用以支撐前端外罩并承受撞擊力（圖13）。立柱采用大斷面的槽鋼制成，保證立柱的剛度。在支撐位置加焊加強板，使補強橫梁與立柱焊接充分。

3.3.3 窗區(qū)支撐結(jié)構(gòu)

窗上橫梁、窗下橫梁、門上橫梁、門檻橫梁均采用U?形梁結(jié)構(gòu)，設(shè)置與前窗、緊急疏散門以及前端外罩的接口。除此之外，還可連接支撐?3?根主立柱，增強整體剛度。

圖11 圈梁的結(jié)構(gòu)

圖12 北京地鐵 5 號線車輛圈梁結(jié)構(gòu)

圖13 主支撐結(jié)構(gòu)

雨刷安裝立柱主要用于雨刷器的安裝，并通過與底架的焊接在一定程度上加強司機前方鋼結(jié)構(gòu)的強度。

門區(qū)、窗區(qū)支撐結(jié)構(gòu)見圖?14。

圖14 門區(qū)、窗區(qū)支撐結(jié)構(gòu)

4 前端外罩設(shè)計

由于前端造型不斷復(fù)雜化、個性化，其成型工藝使玻璃鋼材質(zhì)取代金屬材質(zhì)成為軌道車輛前端外罩的主要材料。設(shè)計階段完成的三維模型就是開模的原始數(shù)據(jù)，是前端組成設(shè)計中最復(fù)雜的部分。

4.1 外觀面處理

對整個前端的造型曲面進行分析和處理，切除曲面中的開口部分（擋風(fēng)玻璃、疏散門口等），最后將處理完的曲面進行加厚或抽殼得到均勻壁厚的實體（圖15）。

圖15 前端外罩曲面的處理

4.2 開口區(qū)域設(shè)計

以窗區(qū)設(shè)計為例，外罩設(shè)置凹槽作為擋風(fēng)玻璃的粘接區(qū)域，并防止外力將玻璃壓入司機室（圖?16）。

外罩翻邊一直延伸到司機室內(nèi)部，在方便與鋼結(jié)構(gòu)組裝的同時與司機室內(nèi)裝搭接，解決內(nèi)裝板在窗口的過渡問題。

圖16 前端外罩窗區(qū)設(shè)計

對比北京地鐵?2?號線列車，其玻璃鋼外罩窗口向內(nèi)的翻邊不與司機室內(nèi)裝相連接，導(dǎo)致內(nèi)裝必須與玻璃配合，需要反復(fù)修磨內(nèi)裝窗口區(qū)域使其貼合玻璃曲面（圖17），工藝復(fù)雜、揚塵大而且不美觀，必須加裝窗膠條。改良后的設(shè)計較好地解決了這個問題。

圖17 北京地鐵 2 號線車輛外罩窗區(qū)設(shè)計

4.3 設(shè)備安裝區(qū)域設(shè)計

設(shè)備安裝區(qū)域的設(shè)計以所裝設(shè)備的模型為基礎(chǔ)，將外購設(shè)備的外輪廓與安裝接口作為參考，設(shè)計翻邊、開孔以及安裝板等。設(shè)計完畢后，須校核設(shè)備安裝可調(diào)量及操作空間是否充足。前端下部設(shè)置車鉤開口，與前照燈、防爬器等靜態(tài)設(shè)備不同，車鉤屬于運動部件，除考慮靜態(tài)接口外，還需考慮車鉤左右各?30°、向上?15°的移動量。前端外罩設(shè)置的開口須在車鉤運動量以外增加20%?的安全余量，避免碰撞（圖18）。

圖18 設(shè)備安裝接口設(shè)計

5 前端外罩與鋼結(jié)構(gòu)的連接

前端鋼結(jié)構(gòu)與玻璃鋼外罩的連接主要采用連接角鐵配合調(diào)整螺栓的方式來固定，連接角鐵上適當設(shè)置長圓孔，保證在外罩和鋼結(jié)構(gòu)組裝時有一定的調(diào)整量。

連接角鐵的布置主要根據(jù)前端整體尺寸均分得到基本連接位置，如圈梁部分的連接。對于窗口、門口等重要位置，則需要靈活配置和設(shè)計連接角鐵，使其滿足具體部位的結(jié)構(gòu)特點，保證連接強度并易于操作。鋼結(jié)構(gòu)與外罩的連接如圖?19?所示。

圖19 鋼結(jié)構(gòu)與外罩的連接

6 模型校核

前端所有的零部件完成設(shè)計后，需要對整個裝配體進行校核，該步驟是三維設(shè)計區(qū)別于傳統(tǒng)設(shè)計的重要優(yōu)勢。它將保證最終的產(chǎn)品不會出現(xiàn)靜態(tài)干涉和裝配干涉，最大程度上實現(xiàn)“零差錯”。

6.1 靜態(tài)干涉檢查

靜態(tài)干涉檢查是模型校核的基礎(chǔ)，通過軟件干涉分析，即可得出干涉部位的位置、干涉零件的名稱以及干涉體積。剖開干涉位置，發(fā)現(xiàn)窗立柱尖角與外罩內(nèi)壁干涉，位置非常隱蔽，現(xiàn)車生產(chǎn)中將造成外罩與鋼結(jié)構(gòu)卡死，無法調(diào)整，難以達到要求的尺寸，需將立柱與外罩內(nèi)壁留有一定的調(diào)整空間。靜態(tài)干涉檢查如圖?20?所示。

圖20 靜態(tài)干涉檢查

6.2 裝配干涉檢查

裝配干涉檢查用于解決零件裝配中出現(xiàn)的干涉問題。如圖?21?所示，前端外罩下部區(qū)域與底架已經(jīng)設(shè)有豁口，不存在靜態(tài)干涉。前端外罩需要從外部裝配到車體鋼結(jié)構(gòu)上，下部插接到底架鋼結(jié)構(gòu)，在向內(nèi)裝配過程中，外罩與底架鋼結(jié)構(gòu)的底架吊耳干涉，因此，需要增大外罩下部開口的尺寸，避免在實際裝配過程中不必要的修磨與延誤。

圖21 發(fā)現(xiàn)干涉區(qū)域

7 結(jié)論

本文通過對地鐵車輛前端設(shè)計方法的介紹，總結(jié)了既往經(jīng)驗，吸收利用優(yōu)秀的設(shè)計成果，分析優(yōu)化不合理的結(jié)構(gòu)形式，力求規(guī)范不銹鋼地鐵列車前端設(shè)計，從而使前端設(shè)計更加高效準確，實現(xiàn)“無差錯”。

[1] 朱軼. 半掛牽引車車架有限元分析[D]. 安徽合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2009.

[2] 李莉，劉天賦，敬俊娥. 北京4號線地鐵車輛三維設(shè)計方法[J]. 鐵道車輛，2010，48（1）：22-25．

[3] 商躍進，王清永，駱炎. 地鐵車輛車體結(jié)構(gòu)設(shè)計方法研究[J]. 城市公共交通，2006（8）：30-33.

[4] 單其雨，肖守訥，陽光武. 車輛吸能裝置結(jié)構(gòu)的耐碰撞性研究[J] ．鐵道機車車輛，2009，29（6）：7-9.

[5] 賈寧，肖守訥. 耐碰撞車體吸能裝置的薄壁結(jié)構(gòu)研究[J]. 鐵道車輛，2005，43（5）：6-10.