160公里出口内燃动车组动车车体钢结构设计

侯新英,马　凯,安海亮,刘晓光（南车四方车辆有限公司,山东　青岛　266000）

160公里出口内燃动车组动车车体钢结构设计

侯新英,马凯,安海亮,刘晓光
（南车四方车辆有限公司,山东青岛266000）

介绍了出口内燃动车组的主要技术参数、车体钢结构主要部件的结构特点及设计计算和设计验证等。

出口内燃动车组；车体钢结构；强度；有限元

1　概述

出口内燃动车组（以下简称“动车组”）项目是南车四方车辆有限公司承接的出口内燃动车组项目，共10列，每列编组为2动+8拖，主要用途为短途旅客运输。

根据《160km/hAC-DC内燃动车组技术规格书》（以下简称《技术规范》）和总计《设计技术规格书》（以下简称《规格书》）要求，车体结构钢的强度需符合EN12663-2010《铁路应用铁路车辆车体结构要求》中P-II类的载荷规定；司机室结构瞭望空间及强度按UIC651-1990（C）《机车、动车、动车组和驾驶拖车的司机室设计》中载荷工况的规定和瞭望要求执行。

2　动车组编组形式和动车的平面布置图

编组形式为：+D1+T1+T2+T2+T2+T4+T3+T3+T3+D1+，其中D1为动车，T1为一等座车，T2为二等座车，T3为软卧车，T4为餐车，“+”为半自动车钩并配备过渡车钩与CA-3车钩连挂；动车组允许两列重联。

动车的前端为司机室，其两侧设置钢制折页门用于司机的上下车；在车体中部两测设置折页门用于设备操作人员的使用。在司机室上方的平顶安装司机室空调机组，车体中部安装柴油发电机组，一、二位端安装辅助设备；在相应的车顶位置设置活盖便于设备安装及检修；车下安装蓄电池箱、燃油箱、过渡车钩等设备。图1为动车的平面布置图。

3　　车体钢结构

在车体钢结构设计时，对《技术规范》及《规格书》中涉及的标准进行了认真的解读，分析了动车的结构特点及所承受载荷特点，最终确定车体钢结构采用整体承载、内走廊式全碳钢焊接结构；车体钢结构主要由司机室、底架、车顶、侧墙、端墙、隔墙、排障器、裙板及附属设备组成，见图2。

车顶弯梁、侧墙立柱、底架横梁采用箱型梁设计，尤其是底架机组横梁组成，是主要承载部件，采用大截面的箱型梁设计，满足柴油机组的公共底架和载荷要求，提高车体钢结构的垂向刚度。制定了《车体钢结构设计规格书》，确定了车体钢结构各部位的材质和主要钢结构的设计思路。

为充分保证车体钢结构的强度，对主要承载结构（底架横梁、边梁、枕梁、底架边梁等）的焊缝做出明确的规定。如板材厚度大于5mm时，采用坡口焊接。并在《钢结构技术条件》中规定了车体各部位钢结构的焊接执行标准、焊接方式和焊接的质量等级等。

通过多次对车体钢结构的静强度计算与模态计算分析，不断优化设计结构，最终满足《技术规范》和《规格书》中规定的EN12663标准相关的条款。

3.1 端隔墙钢结构

端墙钢结构主要由端角柱、端顶，风挡安装座及各种电气联接器座组成。总装时端角柱、端顶与底架、侧墙、车顶焊接，有效增强车体强度。由于动车与拖车铁地板存在高度差，通过降低动车风挡安装座高度，使其低于动车铁地板面，从而解决高度差的问题。动车通过端墙上的电气连接器座实现与拖车之间的走线。

隔墙钢结构分为电气室隔墙、冷却室隔墙和供电室隔墙，主要用于将车体各个室分隔开来，起到一定的隔音降噪及密封的效果，通过隔墙与底架、侧墙、车顶焊接，增强车体强度。同时，隔墙承载部分电气件的安装。

3.2 侧墙钢结构

侧墙采用框架式侧壁承载结构，主要由侧墙板、立柱、横梁、上边梁、门框及滤清窗组成。因为车体整体承载，侧墙会受到机组的垂向载荷，为了满足结构强度和安装要求，立柱与横梁的截面以及作为主要受力部件的上边梁截面均采用封闭式箱型结构，从而增强侧墙的整体承载能力。

侧墙滤清窗采用机械式空气分离过滤器结构，该结构利用离心作用力的沉积原理清除空气中的尘土、液滴、昆虫和雪花。采用铝合金材质，重量轻，结构能有效提高过滤效率，达到最低能量损失和最近压降。

3.3底架钢结构

底架由前端组成、后端组成、机组横梁、左右边梁四大主要部分及风道、辅助横梁、纵梁以及梁间或梁上的铁地板等辅助部分组成，如图3所示。底架钢结构是车体的主要受力部件，安装有牵引柴油发电机组、供电柴油发电机组、电气控制柜、车下燃油箱等重载设备；同时，通过车端车钩连接装置、枕梁牵引拉杆座等结构装置传递机车运行所需的牵引力、制动力等多种复杂载荷。在设计过程中，采用计算机模拟技术对结构方案多次仿真分析，最终优化了设计方案。

3.3.1前端组成

包括枕梁组成、牵引梁、缓冲梁、斜撑组成、箱型结构和横梁组成。枕梁组成除弹簧座、牵引拉杆座外，整体为长方体结构，高度280mm，宽度1454mm；由上下盖板、枕梁腹板和纵横向立板组成封闭箱体，箱体内腔借助纵横向立板、枕梁下盖板、辅助盖板（Q355GNH）形成风道，风道纵向贯穿枕梁。牵引拉杆座与枕梁下盖板组焊，用于传递转向架的牵引力和制动力；为保证强度，枕梁下盖板采用材质Q345C厚钢板，同时，在枕梁内腔焊接与牵引拉杆座立板相对应的加强筋板，以增强牵引拉杆座传递载荷的连续性；枕梁腹板采用与下盖板等厚Q345C钢板，与下盖板焊接处开双面坡口，双面焊；与上盖板焊接处开单侧坡口，单面焊。枕梁组成与边梁组成组焊为L型断面，焊接均为坡口焊。

3.3.2后端组成

后端组成与前端组成结构基本一致。作为不同点，缓冲梁组成为独立组成，由36a槽钢与压型钢板组成形成，高度827mm。缓冲梁组成与牵引梁组成、边梁组成和后端箱体结构组焊，形成局部大截面刚性结构，对纵向牵引载荷具有良好的适应性能。

3.3.3机组横梁

机组横梁同时承担牵引柴油机组安装和燃油箱安装。由两根纵梁、两根横梁组焊成框架式结构，纵梁为阶梯断面，横梁为箱型断面；机组横梁组成与边梁组成组焊，并通过小纵梁将前后端组成联接成整体。为提高两根横梁与边梁组成的焊接强度，除在横梁端部，将横梁立板、上下盖板均开置单侧全透坡口外，根据车体底架边界条件，适当增加横梁宽度为470mm；经计算，该结构强度高，刚度好，能够满足重载设备件的安装。

3.3.4底架边梁

边梁组成，作为底架钢结构重要受力部件，承受一定的纵向力和横向力，采用36a槽钢与8mm厚钢板组焊，封闭腔内对应横梁立板、枕梁腹板增设筋板。边梁组成中设计有转向架摇头止挡，结构为封闭组焊盒体。

3.4车顶钢结构

车顶钢结构由板梁焊接成型，主要有端顶、边梁、纵梁、安装座、活盖和车顶板组成。车顶钢结构下部与侧墙相联，上部安装有动车顶部设备和活盖。其由蒙皮、骨架、电气室活盖、动力室活盖、冷却室活盖、供电室活盖及供电控制室活盖组成。电气室活盖上安装有空气过滤装置，冷却室活盖上安装有柴油机冷却散热器。

为保证车体具有良好的密封性，保护车内设备，车顶钢结构上对应各室的车顶活盖通过专门设计的拉紧装置与车顶钢结构骨架联接。

3.5司机室

司机室主要结构有玻璃钢头罩、玻璃钢裙板、玻璃钢导流罩、司机室钢骨架等组成。头部梁结构采用矩形截面的板梁，因其无翼板，不存在翼板翘曲或腹板扭曲的问题，可以将其设计为平面曲梁，如图4所示。司机室钢结构强度满足UIC651中的相关要求，材质选用Q355GNH或Q345型材焊接而成。

为了便于安装玻璃钢头罩、裙板等结构，在玻璃钢内部预埋了安装件，在骨架上焊接了连接件。为了保证玻璃钢与钢结构的密封及结构的强度，采用高强度、耐高温的粘胶将玻璃钢与钢结构粘接。通过这种工艺，同时粘胶也可以补偿由于制造工艺而产生的钢结构误差。头部梁结构采用矩形截面的板梁，因其无翼板，不存在翼板翘曲或腹板扭曲的问题，可以将其设计为平面曲梁。为了便于安装玻璃钢头罩、裙板等结构，在玻璃钢内部预埋了安装件，在骨架上焊接了连接件。为了保证玻璃钢与钢结构的密封及结构的强度，采用高强度、耐高温的粘胶将玻璃钢与钢结构粘接。通过这种工艺，同时粘胶也可以补偿由于制造工艺而产生的钢结构误差。

3.6开闭机构

为了保证动车组的整体流线型结构，在司机室的前端设置开闭机构，用于导流罩的开闭机构，其主要有转臂、底座、锁、伸缩臂等组成。

开闭机构通过底座安装在底架上，将导流罩连接在转臂上，通过锁装置实现导流罩的开闭。

3.7排障器

排障器通过不锈钢螺栓固定于车头底架，安装检修方便，主要作用是排除轨道内侧的障碍物，如雪、沙、石等。其主要由耐候钢板焊接而成，头部呈犁头状，整体与车头吻合。此形状有利于切入诸如积雪等障碍物，其排障板可以在20mm范围内上下调节，这样轨面上的微小障碍物都能排除掉。当排障器所受较大冲击力时，冲击力通过斜撑传到车体，从而减弱了由于冲击引起的震动。

4　车体钢结构静强度计算

4.1有限元模型的处理

动车车体结构在横向和纵向都不具有完全的对称性，为使车体计算模型与实际车体结构保持一致，从而保证计算结果的有效性，计算采用整车计算模型。

将车体结构用薄板组合结构来模拟，选用板壳单元对车体结构进行离散化处理，单元尺寸按25mm进行离散。车体有限元力学计算模型中有869474个壳单元、11974个质量单元、7248个弹簧单元、152307个体单元和794209个节点。

4.2计算工况的确定

根据《技术规范》要求，在车体钢结构设计时对EN12663-2010、UIC651-1990（C）标准进行了解读，最终对车体钢结构进行了24个工况的静强度和模态分析。

工况1：1.3M1*g垂向载荷

工况2：M1（+M4）*g+1500kN纵向压缩

工况3：M1*g（+M4）+1000kN纵向拉伸

工况4：M1*g+400kN司机室地板上方压缩

工况5：M1*g+300kN司机室窗下横梁压缩

工况6：M1*g+300kN二位端车顶端部压缩

工况7：1.1M1*g一位端复轨位提升车体

工况8：1.1M1*g二位端复轨位提升车体

工况9：1.1M1*g整体起吊

工况10：1.1M1*g内驾车垫板驾车

工况11：M1*g设备纵向正向3g冲击

工况12：M1*g设备纵向反向3g冲击

工况13：M1*g设备横向正向1g冲击

工况14：M1*g设备横向反向1g冲击

工况15：M1*g设备垂向正向1g冲击

工况16：M1*g设备垂向反向1g冲击

工况17：M1*g高圆簧座横向正向冲击

工况18：M1*g高圆簧座横向反向冲击

工况19：M1*g高圆簧座纵向正向冲击

工况20：M1*g高圆簧座纵向反向冲击

工况21：不计转向架的重量下的振动模态

工况22：整车质量下的振动模态

工况23：1.3M1*g下的稳定性

工况24：M1*g+1500kN下的稳定性

4.3计算结果

通过对车体钢结构进行静强度计算分析，得出以下结论：（1）整备状态下车体结构在各种起吊工况下的垂向变形值满足垂向刚度的要求；（2）车体结构静强度满足EN12633-1：2010标准的要求；（3）车体钢结构的一阶垂直弯曲振动频率值为11.472Hz，整备状态下的车体一阶垂直弯曲振动频率值为11.12Hz，满足不低于1.4倍转向架的点头和浮沉最大振动频率（7Hz）的要求；（4）在极限垂向载荷及纵向压缩载荷工况下，车体的一阶屈曲载荷因子λ最小值分别为1.548和1.667，满足标准中最小1.5的要求。

5　车体钢结构静强度试验

5.1车体钢结构布点

根据计算结果及类似车运行的反馈，对车体钢结构主要的受力点进行布点检测，共242个。

5.2试验工况确定

根据标准要求和试验工装，最终对车体钢结构的13个工况进行了车体静强度的试验。

工况1垂向载荷试验

工况2车钩区域1500kN压缩载荷+垂向载荷m1

工况3车钩区域1500kN压缩载荷+垂向载荷m1+m4

工况4车钩区域1000kN拉伸载荷+垂向载荷m1

工况5车钩区域1000kN拉伸载荷+垂向载荷m1+m4

工况6一位端腰带高度300kN压缩载荷+垂向载荷m1

工况7二位端地板上方150mm400kN压缩载荷+垂向载荷m1

工况8二位端腰带高度300kN压缩载荷+垂向载荷m1

工况9二位端上边梁高度300kN压缩载荷+垂向载荷m1

工况10一位端抬车试验

工况11二位端抬车试验

工况12整车抬车试验

工况13支承点移位抬车试验

5.3试验结果

（1）整备状态下车体结构在各种起吊工况下的垂向变形值满足垂向刚度的要求；

（2）在极限垂向载荷及纵向压缩载荷试验结果表明，该车的强度满足EN12663-1:2010《铁路应用—轨道车辆车体结构要求—第一部分：机车和客车（P-Ⅱ）》的有关要求。

6　结论

通过动车车体钢结构有限元分析及静强度试验验证，得到以下结论：（1）动车车体钢结构强度满足EN12663-1:2010《铁路应用—轨道车辆车体结构要求—第一部分：机车和客车》的P-Ⅱ类要求；（2）垂向刚度满足《钢结构技术条件》的要求；（3）窗角、牵枕缓、司机室门框等高应力集中区试验结果符合标准要求；（4）计算与试验结果的幅值有一定的差别，但应力的变化趋势相同。

[1]动车车体钢结构制造技术条件[Z].南车四方车辆有限公司,2013.

[2]动车车体钢结构静强度试验大纲[Z].南车四方车辆有限公司,2013.

[3]动车车体钢结构静强度、振动模态及稳定性计算分析报告[D].西南交通大学,2013.

[4]动车车体钢结构静强度试验报告[Z].四方车辆研究所,2013.