韓雪松　曲曉梅　曹艷艷

【摘 要】主要介紹菲律賓馬尼拉3號(hào)線增購車輛車體底架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該項(xiàng)目車輛間采用鉸接轉(zhuǎn)向架連接，在設(shè)計(jì)中著重考慮底架零部件的材料選擇，鉸接端底架等主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及焊接工藝。

【關(guān)鍵詞】地鐵車輛；不銹鋼車體；底架結(jié)構(gòu)；鉸接；端底架

中圖分類號(hào)： U264 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）03-0220-003

Manila Line 3， the Philippines increased car chassis structure design

HAN Xue-song QU Xiao-mei CAO Yan-yan

（CNR Dalian Locomotive and Rolling Stock Co.， Ltd. （Urban Rail Technology Development Department）， Dalian 116022， Liaoning， China）

【Abstract】This paper mainly introduces the structural design of car chassis added to Manila Line 3 in the Philippines. The project vehicles are connected by articulated bogies. In the design， the material selection of the chassis components， the structural design of the main components such as the hinge end chassis and the welding process are mainly considered.

【Key words】Subway vehicles； Stainless steel body； Chassis structure； articulation； End chassis

0 前言

菲律賓馬尼拉3號(hào)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(zhuǎn)向架，編組如圖1所示。列車共有四個(gè)轉(zhuǎn)向架，其中兩個(gè)轉(zhuǎn)向架設(shè)在車輛之間鉸接處，車體結(jié)構(gòu)符合標(biāo)準(zhǔn)EN12663：2010“鐵道車輛車體結(jié)構(gòu)要求”。

圖1 車輛編組圖

1 車體底架材料

底架是車體結(jié)構(gòu)的重要承載部分，不僅承受底架上和車內(nèi)所有設(shè)備及乘客的重量，同時(shí)還要傳遞車輛的牽引力和制動(dòng)力并承受運(yùn)行過程中的彎曲、扭轉(zhuǎn)等各種復(fù)雜載荷，因此其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇直接影響整車的強(qiáng)度以及行車安全問題。本項(xiàng)目車輛車體底架材料主要采用奧氏體冷軋不銹鋼和優(yōu)質(zhì)低合金鋼。

1.1 不銹鋼材料的化學(xué)成分、機(jī)械性能

車體底架材料除端底架部分結(jié)構(gòu)外均采用高強(qiáng)度奧氏體不銹鋼，牌號(hào)為SUS301L和SUS304，其化學(xué)成分（見表1）和機(jī)械性能（見表2）等質(zhì)量級(jí)均符合日本JISG4305：1999標(biāo)準(zhǔn)。

SUS301L系列不銹鋼材料按其抗拉強(qiáng)度（或屈服強(qiáng)度）由大到小分為HT級(jí)、MT級(jí)、ST級(jí)、DLT級(jí)和LT級(jí)5個(gè)等級(jí)。其特點(diǎn)是綜合性能好、強(qiáng)度好、塑性好、硬度適中、具有較高的電阻率，較大的膨脹系數(shù)和低的導(dǎo)熱率。

1.2 優(yōu)質(zhì)低合金鋼的選擇

A車底架結(jié)構(gòu)中的I位端底架和II位端底架和B車的端底架大部分結(jié)構(gòu)承受的沖擊力與壓縮力較大，選用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼和耐候鋼材料，其化學(xué)成分和機(jī)械性能滿足EN10025：2004或GB/T4171-2008耐候鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。低合金鋼具有優(yōu)良的焊接性能和很好的抗疲勞極限。

2 底架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車體結(jié)構(gòu)為薄壁筒形整體承載焊接結(jié)構(gòu)，具有較高的強(qiáng)度和剛度。車體車型分為A、B、C 三種，均由頂棚、側(cè)墻、端墻、底架等部分焊接組成，能夠承受垂直、縱向、扭轉(zhuǎn)等動(dòng)、靜載荷。

底架是車體的主要承載結(jié)構(gòu)，與端墻、左右側(cè)墻相連接構(gòu)成車體主體的結(jié)構(gòu)。根據(jù)車輛的編組及各節(jié)車輛間鉸接的特別連接形式，車體底架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，C車底架除II位端底架采用B車I位端底架外，其他結(jié)構(gòu)與A車基本相同。

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(shè)計(jì)。

2.1.1 I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(qiáng)度，在端底架結(jié)構(gòu)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(zhì)，牌號(hào)為09CuPCrNi-A。小橫梁和主橫梁采用不銹鋼材質(zhì)，等級(jí)采用SUS301L的DLT級(jí)。

吸能組成設(shè)有防爬和吸能結(jié)構(gòu)，滿足車輛碰撞后的能量吸收要求；牽緩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有車鉤安裝座，列車行駛過程中的牽引、制動(dòng)力通過牽緩結(jié)構(gòu)均勻的傳遞到底架結(jié)構(gòu)以至整個(gè)車體；枕梁組成設(shè)計(jì)有車體與轉(zhuǎn)向架的連接結(jié)構(gòu)，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(jù)車下設(shè)備的布置和安裝需要，開有不同大小的安裝孔。

2.1.2 II位端底架

由于車輛間采用鉸接轉(zhuǎn)向架連接，車端鉸接區(qū)域受力情況復(fù)雜，載荷大，因此II位端底架結(jié)構(gòu)除考慮強(qiáng)度要求外還要考慮與轉(zhuǎn)向的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。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(qiáng)梁等結(jié)構(gòu)組成。除小橫梁采用不銹鋼材質(zhì)外，其他結(jié)構(gòu)零部件均采用耐候鋼材質(zhì)。連接結(jié)構(gòu)組成設(shè)計(jì)有與轉(zhuǎn)向架連接的銷軸。

2.2 B車底架裝配

B車底架結(jié)構(gòu)，無吸能結(jié)構(gòu)、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。

2.2.1 B車I位端底架

B車I位端底架結(jié)構(gòu)與A車II位端底架結(jié)構(gòu)為成對(duì)匹配結(jié)構(gòu)，共同連接于相同的鉸接轉(zhuǎn)向架。B車I位端底架結(jié)構(gòu)是無銷軸襯套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，除連接結(jié)構(gòu)不同外其他主體結(jié)構(gòu)與A車II位端底架基本相同。

2.3 底架組焊

不銹鋼材質(zhì)焊接時(shí)產(chǎn)生的熱量不能很快散失， 大量的熱量積聚于焊縫區(qū)域，容易產(chǎn)生焊接變形。為減小焊接變形和防止高溫下不銹鋼材料機(jī)械性能的下降， 地鐵不銹鋼車體結(jié)構(gòu)的連接多采用電阻點(diǎn)焊方式。根據(jù)底架結(jié)構(gòu)及材料的特點(diǎn)，橫梁組成與邊梁的焊接及波紋地板的焊接采用點(diǎn)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(jù)設(shè)計(jì)圖紙將各模塊及零部件進(jìn)行組焊，完成底架骨架結(jié)構(gòu)。最后鋪設(shè)波紋地板，將波紋地板點(diǎn)焊到底架骨架結(jié)構(gòu)上，完成整個(gè)底架裝配。

3 車體結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度計(jì)算

在底架鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，為檢驗(yàn)底架設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性，校核底架強(qiáng)度、剛度是否滿足設(shè)計(jì)要求。需對(duì)整個(gè)車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使車體的結(jié)構(gòu)完全滿足設(shè)計(jì)要求。計(jì)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(jìn)行垂直載荷、縱向壓縮、縱向拉伸、剛度、吊車等工況下的靜強(qiáng)度計(jì)算，從而得到車體結(jié)構(gòu)在各工況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)力分布、剛度等。有限元模型構(gòu)成以任意四節(jié)點(diǎn)為等參變化的薄殼單元為主，由于結(jié)合考慮了結(jié)構(gòu)單元中間面上的平面剛度、彎曲剛度及曲率效應(yīng)，因此具有更高的計(jì)算精度。

通過靜強(qiáng)度計(jì)算，各工況下的應(yīng)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(yīng)力均不超出其所選材料的許用應(yīng)力值。因此，該車強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，底架結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。

4 車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)

車體鋼結(jié)構(gòu)總組焊完成后，為驗(yàn)證車體的強(qiáng)度和剛度是否滿足設(shè)計(jì)要求，由青島四方車輛研究所有限公司依據(jù)EN12663-1：2010《鐵路應(yīng)用—軌道車輛車體結(jié)構(gòu)要求》進(jìn)行靜強(qiáng)度試驗(yàn)。先后進(jìn)行了垂向載荷試驗(yàn)、車端400kN壓縮載荷試驗(yàn)、車端400kN拉伸載荷試驗(yàn)等試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度完全滿足車輛設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果基本相符。

5 結(jié)束語

菲律賓馬尼拉3號(hào)線增購車為鉸接轉(zhuǎn)向架車輛，車輛間鉸接的連接形式與國內(nèi)不銹鋼車的車鉤連接形式不同，因此底架結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有不銹鋼底架也不同。本項(xiàng)目車輛底架I、II位端底架結(jié)構(gòu)采用了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，經(jīng)有限元分析和車體的靜強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證，底架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能承受400kN縱向拉伸、壓縮載荷及最不利的垂直載荷。底架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，滿足車輛的強(qiáng)度、剛度要求。

【參考文獻(xiàn)】

[1]竇廣旭，等.不銹鋼車體制造技術(shù).機(jī)車車輛工藝，2005.

[2]李培，等.地鐵不銹鋼車體強(qiáng)度分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，內(nèi)燃機(jī)車，2011.