天津地铁2号线车辆车体钢结构设计

（大连机车车辆有限公司城轨技术开发部，116022，大连∥第一作者，工程师）

天津地铁2号线车辆车体钢结构设计

刘 军 周传谊

（大连机车车辆有限公司城轨技术开发部，116022，大连∥第一作者，工程师）

从车体底架、侧墙、顶棚、端墙、司机室及各部件间的连接等方面，介绍了天津地铁2号线车辆不锈钢车体结构设计过程、设计难点及生产组装过程。阐述了不锈钢材料的特性以及在车体结构设计中选用的依据。对车体钢结构进行了静强度计算和静强度试验。结果表明，车体的强度和刚度满足车辆设计要求。

地铁车辆；不锈钢车体；结构设计

First-author's address LRV Technical Development Department of Dalian Locomotive and Rolling Stock Co.，Ltd.，116022，Dalian，China

随着城市轨道交通的发展，轻量化不锈钢车辆已成为城轨车辆中的主流产品。大连机车车辆有限公司在已有大连金州线不锈钢车辆的基础上，进行天津地铁2号线不锈钢车辆的开发设计。

天津地铁2号线西起曹庄，东至李明庄，线路总长22.6 km。其车辆采用轻量化不锈钢车体，表面涂装处理。列车采用3动3拖6辆编组方式。按EN 12663-2000《铁道车辆车体结构要求》，该车辆类型归属于其中的P-III及地下快速轨道交通。该车辆限界满足CJJ 96-2003《地铁限界标准》中B1型车的要求：车体能够承受垂直、纵向、扭转、自重、载重、牵引力、横向力、制动力等动、静载荷及作用力，在其使用期限（30年）内能承受正常载荷的作用而不产生永久变形和疲劳损伤，具有足够的刚度和强度，满足维修和纠正脱轨等要求；车体可承受的纵向压缩和拉伸静载荷分别不低于800 k N和640 kN。

1 轻量化不锈钢车体材料的特性

天津地铁2号线车辆的车体钢结构材料绝大部分采用城轨车辆专用的高强度奥氏体不锈钢，仅底架牵引梁及枕梁部位仍采用高强度耐候钢。车体具有质量轻、防火性能高、耐腐蚀性能强、全寿命周期成本低等特点，其结构寿命大于30年。

1.1 车体材料

车体不锈钢的化学成分、机械性能等质量等级均执行德国EN 10088-2标准和日本JISG 4305-1999标准的规定；高耐候结构钢化学成份和机械性能符合与EN 10155相当的中国国家标准GB/T 4171-2000《耐候结构钢》的规定。SUS 301 L和SUS 304不锈钢的机械性质见表1（按日本标准）。

表1 SUS301 L、SUS 304不锈钢的机械性质（日本JIS E 4049标准）

1.2 SUS 301 L的特点

SUS 301 L系列不锈钢是地铁车辆专用的高强度不锈钢，其综合性能好、强度高、塑性好、硬度适中，并具有高电阻率、较大膨胀系数和低热导率等特点。

SUS 301 L有LT、DLT、ST、MT、HT等5个不同强度等级（具体性能指标见表1）。这为实现车体轻量化提供了有利条件。

在车体结构设计时，依据不同等级、强度的特性，以及各部位结构特点和强度要求，选择适应等级的材质。LT等级相当于SUS 304不锈钢，适用于强度要求不是很高的部件或构件；DLT等级的冷轧压缩率低，可确保良好的表面平直度，常用于车体的外板（侧顶板、侧墙板、端墙板）；ST等级具有高强度和高张力，适用于需要进行弯曲和拉伸加工的部件（如弯梁、立柱）；MT等级用于要求高强度以及进行弯曲和冲压加工的部件，如轧制成型的部件；HT等级的屈服强度和拉伸强度最大，主要用于车体底架的侧梁、侧墙立柱、上弦梁等部位。

1.3 不锈钢焊接工艺性

不锈钢材料由于电阻率高、热导率低及热膨胀系数高等特点，焊接时产生的热量不易分散，容易聚集在焊缝周围。因此，高温焊接不锈钢时材料中的Cr化合物会沿晶界析出，使焊缝周围由于Cr含量降低而易腐蚀，导致屈服强度和抗拉强度大大降低。由于不锈钢的焊接工艺复杂，对车体结构设计要求高，故要大量采用自动点焊技术以减少焊接的热影响，部分结构采用熔化极惰性气体保护焊（MIG）、惰性气体钨极保护焊（TIG）和塞焊等焊接技术。车体钢结构焊接按照EN 15085标准执行。

不锈钢车体钢结构主要采用薄板搭接结构，骨架的部件之间采用连接板点焊结构。针对不锈钢车体主要采用自动点焊的技术特点，在施工设计阶段，对车体钢结构焊点的分布和不同板厚组合件的焊点直径大小进行分析确定，在确保焊接强度的基础上，使焊点的分布合理、均匀、美观，焊接工艺可行。在进行车体组焊时，应对不同材料、不同板厚的组合进行焊接电流及压力的测试，并进行焊接样块的切样检验及拉力试验，以最终确定合适的焊接参数。确定的焊接参数应完全满足EN标准后再进行正式的焊接。

2 车体组成

天津地铁2号线列车由Tc（带有司机室的拖车），M、M1（动车），T（拖车）组成。其中M、M1的钢结构可完全互换。T车的钢结构侧墙、顶棚及端墙与M车基本相同，只是底架横梁分布和车体小件部分略有不同。

Tc车体长度为19 500 mm，M、T车体长度为19 000 mm；车体宽度均为2 800 mm；高度均为3 750 mm。玻璃钢司机室作为一个模块，司机室长1 345 mm。车辆定距12 600 mm。本次设计的不锈钢车体钢结构采用的是整体承载轻量化焊接结构。车体主要由车顶、底架、左右侧墙、端墙等大部件组成（见图1）。

图1 Tc车体钢结构

不锈钢车体主体结构主要由长大型材、柱、梁等纵向贯通构件来承受纵向作用力，由外板、顶棚波纹板、底架上波纹板等薄板承受剪切力作用。因载荷不能直接传递到薄板上，设计时将底架、侧墙、顶棚等构件焊接为一体，以整体承载方式来承受载荷，并将其分散到薄板上。在将底架、侧墙、顶棚、端墙设计为薄壁筒形整体承载结构体时，着重考虑骨架型材配置的合理性，使侧柱、车顶弯梁、底架横梁连结位置尽量一致，接近于环状结构，以提高车体整体刚性，实现轻量化设计目的。

为保证车体内装及主要设备安装方便，车体钢结构设计时充分考虑了主要部件如车体内装、车钩、空调、风道、车门、贯通道、玻璃、信息显示、座椅、电器柜、底架下设备、电气管线、制动管路等设备的安装接口，预先在主体钢结构上预埋结构件，并保证安装的强度及运营条件要求。

车体钢结构设计时采用模块化的设计理念，将车体分为顶棚、侧墙、端墙、底架等模块；同时在各个模块下分设子模块，如空调平台、分块侧墙、门框、枕梁、牵引梁、端底架等模块。这样，可有效提高生产精度，便于减重和生产组装，可有效节约能耗和提高生产效率。

3 车体钢结构设计

3.1 底架

底架采用模块化设计，主要由I、II位端底架，以及边梁、横梁和波纹地板等组成。底架需要吊装各种电器、制动设备和管路等，同时还要承受自重及传递牵引力与制动力，所以底架设计时主要考虑结构的强度和刚度。

端底架分别由牵引梁、枕梁、边梁及吸能区（仅Tc有）等组成。牵引梁是承受和传递牵引力、制动力与冲击力的主要部件，由牵引梁上下盖板、腹板、车钩安装板、肋板等焊接成箱形结构。其材质为高强度耐候钢板。

枕梁是由上下盖板、立板及加强板等焊接而成的箱形结构，材质为高强度耐候钢板。转向架的空气弹簧安装座和中心牵引销同枕梁相连。枕梁组焊后对中心牵引销、空气弹簧座进行整体加工，以保证安装所需要的平面度。

图2 Tc车I位端底架、II位端底架

底架边梁和横梁由于承受大的冲击载荷和设备吊装，板材厚度为3～4.5 mm。边梁与横梁采用连接板点焊连接。边梁为长大滚轧型材，材质为SUS 301 L-HT。横梁为压型槽钢，强度为DLT和LT。设计横梁的位置时应充分考虑底架设备的吊装；无法实现时应增加安装支座或小纵梁，以点焊或塞焊方式连接。焊接前应对焊点的强度、焊核大小进行试验，以充分保证焊接后的强度和刚度。

波纹地板选用标准的型材断面，材质为SUS 301 L-MT。波纹地板与横梁采用电铆焊连接。

底架上设有架车位，以保证车辆故障时整体起吊。在底架枕梁附近安装与转向架整体吊装的连接座。

Tc车I位端底架的吸能区由防爬器和孔梁吸能构件等组成（见图3）。此结构需通过结构强度计算和车体碰撞分析，并满足车辆速度在25 km/h时的吸能要求，以有效保护司乘人员安全。

图3 Tc车I位端底架吸能结构

3.2 侧墙

侧墙结构各部分采用模块化设计，主要有门框装配、分段侧墙装配、门上梁装配及蒙皮等模块，全部为不锈钢材质。

侧墙上装有车门、玻璃、座椅、内装等，同时要承受和传递各种载荷，尤其是垂向载荷，所以必须在保证其结构强度的前提下进行轻量化设计。

侧墙钢结构完全为点焊连接结构。侧墙蒙皮厚度为1.5 mm，梁柱板材厚度为1～2 mm，骨架厚度为50 mm。骨架型材断面采用压型梁、乙型梁及盆形梁。由于侧墙钢结构主要采用薄板搭接结构，在门角及窗角的高应力区会造成应力集中，致使其强度不足。设计时重点考虑了该部位结构。门框采用整体门框。门框板材厚度为4 mm，门角圆弧过渡。窗角采用整体压型窗角，可提高窗角强度及焊接质量。在门区两侧外蒙皮，内侧增加一层补强板，并在蒙皮内侧增加压型衬梁。补强板、衬梁与蒙皮和骨架点焊连接，有效提高了门区结构强度，且利于塞拉门安装及满足运用条件。

天津地铁2号线车辆的车体侧墙为盲窗带结构，与以往的不锈钢侧墙结构有很大的不同。侧墙中部的盲窗区域钢结构向车内凹进，增大了侧墙钢结构设计的难度。为保证既能安装上单、双层玻璃又满足窗角区域强度要求，将窗角设计成整体压型件。此为侧墙结构的主要创新点。盲窗断面及窗角视图如图4所示。

侧墙与底架、顶棚采用点焊、塞焊和连接板方式连接。侧墙在生产时预留挠度，以配合底架、顶棚的挠度要求。

3.3 顶棚

顶棚结构采用模块化设计。Tc车和M、T车均由2个空调安装平台以及上弦梁、弯梁、侧顶板与波纹顶板等组焊而成，材质全部为不锈钢。顶棚上设有新型结构的机械废排装置。

图4 盲窗断面及窗角视图

空调安装平台设计时充分考虑空调机组的自重和振动特性。平台骨架厚度为40 mm，采用压型的纵梁和横梁点焊连接。骨架上铺有不锈钢板，骨架与不锈钢板点焊连接。平台两侧为立面结构。整个装配保证密封，并具有足够的强度和刚度。在平台上设有空调机组安装座，平台的蒙皮开口与空调机组的送风口和回风口相对。为保证车辆的美观性，空调平台两侧有凸起通过台。

上弦梁、侧顶板为长大滚压型材。两侧雨檐与侧顶板设计成一体，以有效提高侧顶板的刚度。弯梁为拉弯梁，弯梁的布置重点考虑内装及空调风道的安装，并尽量与侧墙、底架的骨架梁位置一致，形成环状结构，以提高车体的强度和刚度。

波纹顶板采用标准的型材断面，材质为SUS 301 L-MT。波纹顶板与弯梁采用点焊连接。

图5 顶棚局部图

顶棚与侧墙采用点焊和连接板方式连接。顶棚组焊时预留挠度，便于组装。

3.4 端墙

端墙由蒙皮、2个门立柱、横梁、蒙皮加强梁、小横梁、小纵梁等组成，材质为不锈钢。

端墙设计时，重点考虑外蒙皮板的平整度及与车体其他部分的连接，以及折棚风挡和端部内饰安装的需要。门立柱及门上横梁在设计时应保证宽体折棚风挡的通过宽度（1 300 mm）和高度（1 900 mm）。端墙蒙皮的搭接位置根据国内外板材宽度的要求，采用顶部横向拼缝。

端墙与底架采用塞焊和连接板方式连接，端墙与侧墙采用点焊和连接板方式连接，端墙与顶棚采用点焊方式连接。

3.5 司机室

司机室为独立模块设计，采用纤维增强复合塑料（FRP）中预埋不锈钢结构，与Tc车底架侧墙顶棚连接。司机室钢结构设计时主要以车辆整体外观为前提，再充分考虑与车体钢结构的连接调整，以及司机室挡风玻璃、前照灯、司机室门、操纵台、顶部设备、内装等部件的安装接口。司机室结构示意图如图6所示。

图6 司机室结构

总组装时，司机室钢结构放到底架上，与底架塞焊连接，与侧墙和顶棚通过连接板和塞焊连接，并通过玻璃钢外罩与钢骨架的连接螺栓调整到准确合理的位置。

3.6 车体各部件间的连接

在车体结构设计时，充分考虑了焊接设备、工装设备、胎模具及车间生产能力等因素，各部件采用不同的连接方式（见图7）：司机室底部圈梁、后端梁，通过螺栓与底架、侧墙连接，调整好后与顶棚端梁进行塞焊连接。顶棚与端墙通过点焊设备进行连接后，在波纹板与端墙连接处涂密封胶密封。侧墙与顶棚、端墙也通过双面点焊设备连接，焊接前在相应位置涂抹导电密封胶密封。侧墙底架采用单面点焊和塞焊（门框区域）进行连接，端墙与底架采用塞焊进行连接。

4 车体钢结构的静强度计算

图7 车体部件间连接

车体结构设计、计算按照GB/T 7928和EN 12663等相关标准执行。在车体钢结构设计完成后，为检验车体设计结构的合理性，校核了车体的强度、刚度是否满足设计要求，并为车体结构优化设计和车体静强度试验提供可靠依据。需对车体结构进行静强度计算、模态分析、碰撞计算及疲劳的相关计算，在保证结构强度的基础上进行优化和减重设计，使车体的结构完全满足设计要求。

本次设计利用先进的有限元分析软件建立Tc、M车体的有限元模型，进行垂直载荷、纵向压缩、纵向拉伸、救援、吊装及扭转载荷等近20种工况下的静强度计算和3种工况模态分析，以得到车体结构在各工况下的结构应力、应力分布、刚度、自振频率及振型。

设计时基于HYPERMESH软件建立了用于划分有限元网格的几何模型和有限元模型。模型的几何形状从车体三维设计中各处厚度的中面提取；有限元模型构成以任意四节点为等参变化的薄壳单元为主，三节点薄壳单元为辅。与梁单元、板单元相比，壳单元由于结合考虑了结构单元中间面上的平面刚度、弯曲刚度及曲率效应，因此具有更高的计算精度。

车体的刚度分析、静强度分析和车体的模态分析均采用整车结构为计算对象。车体的计算模型和网格如图8所示。

通过静强度计算得出以下结论：

（1）在垂直静载荷作用下，车体中央断面底架边梁下翼缘的垂直挠度值小于挠跨比1/1 000的设计要求，因此，该车刚度满足设计要求。

（2）各工况下的应力云图显示，车体在垂直载荷、纵向压缩、纵向拉伸、救援、吊装及扭转载荷等工况作用下，所有部位应力均不超出其所选材料的许用应力值，因此，该车强度也满足设计要求。

图8 Tc、M车体的计算模型和网格

5 车体静强度试验

车体钢结构总组焊完成后，为验证车体的强度和刚度是否满足设计要求，由青岛四方车辆研究所有限公司按JISE 7105-1989《铁道车辆车体的静载荷试验方法》，对车体钢结构进行了静强度试验。先后进行了垂向载荷试验、车端压缩载荷试验、扭转试验、三点支承试验。试验结果表明，车体结构强度完全满足车辆设计要求，试验结果与计算结果基本相符。

6 结语

目前，天津地铁2号线项目的车辆已交付完毕，并顺利通过型式试验及5 000 km运行试验，车辆整体状态良好。天津地铁2号线车辆不锈钢车体的研发和制造，为我公司轨道车辆积累了丰富的经验，也为后续项目的车辆设计提供了广阔的平台。

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Design of Steel Structure Vehicle for Tianjin Metro Line 2

Liu Jun，Zhou Chuanyi

Vehicle used for Tianjin Metro Line 2 is a standard B1 stainless steel vehicle developed and manufactured by Dalian Locomotive and Rolling Stock Company.In this paper，the stainless steel structureof the carbody，the difficulties in design and the procedure of manufacture and assemblyare mainly introduced.Besides，the characteristics of stainless steel material and its usage in the structure of metro carbody are explained，a static strength calculation and test are conducted，the result verifies the strength and stiffness of the carbody.

metro vehicle；stainlesssteel carbody；structure design

U 270.32：U 231

2012-04-13）