菲律宾马尼拉3号线增购车底架结构设计

韩雪松 曲晓梅 曹艳艳

（中车大连机车车辆有限公司（城轨技术开发部），辽宁 大连 116022）

0　前言

菲律宾马尼拉3号线车辆为新型铰接式地铁车辆，采用+A*B*C+编组形式，其中 A、B、C代表车辆，‘+’代表车钩，‘*’代表转向架，编组如图1所示。 列车共有四个转向架，其中两个转向架设在车辆之间铰接处，车体结构符合标准 EN12663：2010“铁道车辆车体结构要求”。

图1　车辆编组图

1　车体底架材料

底架是车体结构的重要承载部分，不仅承受底架上和车内所有设备及乘客的重量，同时还要传递车辆的牵引力和制动力并承受运行过程中的弯曲、扭转等各种复杂载荷，因此其结构设计和材料选择直接影响整车的强度以及行车安全问题。本项目车辆车体底架材料主要采用奥氏体冷轧不锈钢和优质低合金钢。

1.1　不锈钢材料的化学成分、机械性能

车体底架材料除端底架部分结构外均采用高强度奥氏体不锈钢，牌号为SUS301L和SUS304,其化学成分（见表1）和机械性能（见表2）等质量级均符合日本JISG4305：1999标准。

SUS301L系列不锈钢材料按其抗拉强度（或屈服强度）由大到小分为 HT级、MT级、ST级、DLT级和 LT级5个等级。其特点是综合性能好、强度好、塑性好、硬度适中、具有较高的电阻率，较大的膨胀系数和低的导热率。

1.2　优质低合金钢的选择

表1　SUS301L、SUS304不锈钢的化学成分（JISG 4305：1999）

表 2 SUS301L、SUS304不锈钢的机械性能（JIS E 4049）

A车底架结构中的I位端底架和II位端底架和B车的端底架大部分结构承受的冲击力与压缩力较大，选用高强度结构钢和耐候钢材料，其化学成分和机械性能满足EN10025：2004或GB/T4171-2008耐候钢结构标准。低合金钢具有优良的焊接性能和很好的抗疲劳极限。

2　底架结构设计

车体结构为薄壁筒形整体承载焊接结构，具有较高的强度和刚度。车体车型分为 A、B、C三种，均由顶棚、侧墙、端墙、底架等部分焊接组成，能够承受垂直、纵向、扭转等动、静载荷。

底架是车体的主要承载结构，与端墙、左右侧墙相连接构成车体主体的结构。根据车辆的编组及各节车辆间铰接的特别连接形式，车体底架结构设计有A车底架、B车底架和 C车底架三种。底架中的I、II位端底架采用模块化设计，C车底架除II位端底架采用B车I位端底架外，其他结构与A车基本相同，底架编组布置如图2所示。

图2　底架编组布置图

2.1　A车底架

A车底架主要由I位端底架、II位端底架、边梁、横梁组成、纵梁、波纹地板等组成，其中I位端底架、II位端底架采用模块化设计，A车底架结构见图3。

图3　A车底架结构组成

2.1.1I位端底架

I位端底架主要由吸能组成、牵缓组成、枕梁组成、碳钢边梁、小横梁组成、纵梁、主横梁等组成。因耐候钢具有较好的焊接性能和强度，在端底架结构中除小横梁组成和主横梁外，其它零部件均采用耐候钢材质，牌号为09CuPCrNi-A。小横梁和主横梁采用不锈钢材质，等级采用SUS301L的DLT级。I位端底架结构如图4所示。

图4　I位端底架结构

吸能组成设有防爬和吸能结构，满足车辆碰撞后的能量吸收要求；牵缓结构设计有车钩安装座，列车行驶过程中的牵引、制动力通过牵缓结构均匀的传递到底架结构以至整个车体；枕梁组成设计有车体与转向架的连接结构，力通过牵引销轴传递到走行部位；小横梁组成及主横梁根据车下设备的布置和安装需要，开有不同大小的安装孔。

2.1.2II位端底架

由于车辆间采用铰接转向架连接，车端铰接区域受力情况复杂，载荷大，因此II位端底架结构除考虑强度要求外还要考虑与转向的连接结构设计。II端底架主要由碳钢边梁、主横梁、纵梁、小横梁组成、端梁组成、连接组成、加强梁等结构组成。除小横梁采用不锈钢材质外，其他结构零部件均采用耐候钢材质。连接结构组成设计有与转向架连接的销轴。II位端底架结构见图 5。

图5　II位端底架结构

2.2　B车底架装配

B车底架结构，无吸能结构、牵枕缓组成，主要由I位端底架组成、II位端底架组成、边梁、横梁组成、纵梁等组成。B车底架结构见图6。

图6　B车底架结构

2.2.1B车I位端底架

B车I位端底架结构与A车II位端底架结构为成对匹配结构，共同连接于相同的铰接转向架。B车I位端底架结构是无销轴衬套结构设计，除连接结构不同外其他主体结构与A车II位端底架基本相同。端底架具体结构见图7。

图7　B车I位端底架结构

2.3　底架组焊

不锈钢材质焊接时产生的热量不能很快散失,大量的热量积聚于焊缝区域，容易产生焊接变形。为减小焊接变形和防止高温下不锈钢材料机械性能的下降,地铁不锈钢车体结构的连接多采用电阻点焊方式。根据底架结构及材料的特点，横梁组成与边梁的焊接及波纹地板的焊接采用点焊的焊接方式，底架其他各零部件的组焊主要采用弧焊的焊接方式。首先完成A车I位端底架（牵枕缓模块）、II位端底架、B车I位端底架及其他部件的组焊。然后，根据设计图纸将各模块及零部件进行组焊，完成底架骨架结构。最后铺设波纹地板，将波纹地板点焊到底架骨架结构上，完成整个底架装配。

3　车体结构静强度计算

在底架钢结构设计完成后，为检验底架设计结构的合理性，校核底架强度、刚度是否满足设计要求。需对整个车体结构进行静强度计算，在保证结构强度的基础上进行优化设计，使车体的结构完全满足设计要求。计算采用了大型通用有限元分析及处理软件HYPERMESH及 ANSYS，建立 A、B、C三辆车编组后的有限元模型，进行垂直载荷、纵向压缩、纵向拉伸、刚度、吊车等工况下的静强度计算，从而得到车体结构在各工况下的结构应力、应力分布、刚度等。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，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。车体的计算模型和网格如图8所示。

图8　车计算模型和网格

通过静强度计算，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、刚度、吊车等工况作用下，所有部位应力均不超出其所选材料的许用应力值。因此，该车强度满足设计要求，底架结构满足设计要求。

4　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依据 EN12663-1：2010《铁路应用—轨道车辆车体结构要求》进行静强度试验。先后进行了垂向载荷试验、车端400kN压缩载荷试验、车端400kN拉伸载荷试验等试验。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。

5　结束语

菲律宾马尼拉3号线增购车为铰接转向架车辆，车辆间铰接的连接形式与国内不锈钢车的车钩连接形式不同，因此底架结构与现有不锈钢底架也不同。本项目车辆底架I、II位端底架结构采用了创新设计，经有限元分析和车体的静强度试验验证，底架结构设计能承受400kN纵向拉伸、压缩载荷及最不利的垂直载荷。底架结构设计合理，满足车辆的强度、刚度要求。

【参考文献】

［1］窦广旭,等.不锈钢车体制造技术.机车车辆工艺,2005.

［2］李培,等.地铁不锈钢车体强度分析及试验验证,内燃机车，2011.