不锈钢地铁车辆车体结构设计的要点研究

贾宏雷

摘 要： 轨道业的发展促进了不锈钢车体结构的设计与发展，不锈钢车体结构的设计仍有很大的发展空间。然而，不锈钢车体结构设计始终要遵循不锈钢材料的选择、骨架结构的重点设计、轻量化、高强度、抗疲劳、车体结构的强度分析、制造工艺性能良好等要点，缺一不可。

关键词： 不锈钢;地铁车辆;车体结构设计;要点

【中图分类号】U442     【文献标识码】B     【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.26.186

1 不锈钢车体结构的主要特点

不锈钢车体同碳钢车体一样为整体承载板梁结构，引起具有较高的强度因此，可以实现车体结构的轻量化，如侧墙和车顶外板厚度一般取1.0mm或1.5mm，而碳钢车体一般不低于2.0mm。不锈钢车体结构具有良好的抗腐蚀能力，因此设计时无需为了抗腐蚀而对板材加厚，而且车体外表面能保持不锈钢材质本色和光泽，一般无需再涂装和表面挖补维修，能进一步降低车体质量。但侧墙外板材料最好最消光钝化处理，另外考虑到车辆的美观，车体外表面宜粘贴色作为装饰，以增加车辆的动感。

2 不锈钢地铁车辆车体结构设计的要点分析

2.1 不锈钢材料的选择

不锈钢车体结构的设计首先必须了解不锈钢车体材料的性能。不锈钢材料决定了不锈钢车体的结构形式，决定了车体结构的性能及技术经济指标。不锈钢材料具有其他材料无法比拟的优良特性：耐高温、抗扭曲、抗弯曲变形、高抗拉强度。选择合适的不锈钢板材对车辆的性能及安全至关重要，是影响车体结构设计是否合理的关键因素之一。不锈钢车体材料按强度从弱到强分为LD、DLT、ST、MT和HT等5个等级，除强度不同外还具有不同的物理特性，同时，不锈钢车体设计必须严格遵循相关标准，只有具备了丰富的理论知识和实际经验，才能设计出合理的车体结构。例如，为了实现轻量化及结构的优化设计，车体主要承载部件采用了高强度的HT材料，如底架边梁、侧墙立柱，按以往结构侧墙立柱需直接焊接在底架边梁上。由于HT材料有在高温下强度会降低到DLT水平的物理特性，这样的结构显然不合理。考虑到这些问题，我们在结构设计时通过侧墙下边梁实现了底架边梁和侧墙立柱间的点焊连接，避免了上述问题。在车体的结构设计中，并非所有材料均选择不锈钢材料，需依据实际的承载及受力情况综合考虑。在底架结构的设计过程中，对于承载比较重要的牵引梁及枕梁部位，选择使用低合金高强度钢。这是由于低合金钢具有很好的抗疲劳特性和焊接性能。根据不同的受力特点选择合适的材料是车体结构设计应遵循的原则之一。

2.2 车体结构的强度以及车体的制造工艺

安全是车体结构设计的第一要素，其次才是舒适性与经济性。车体结构设计始终应遵循的最基本原则是满足铁路车辆车体结构要求标准中各种工况下车体及各种零部件的强度及刚度、疲劳等的要求，通过有限元分析计算和静强度、刚度试验来实现。有限元分析计算和静强度、刚度试验是验证车体结构设计是否合理的重要依据和原则。同时，对于受力较大或者容易出现疲劳区域的部位应重点予以关注，如客室门角和司机室门角、窗角，底架枕梁、车钩安装座区域等。对以往出现过类似问题的受力区域，也应注意避免，或通过强度计算验证该结构是否存在问题。车体结构设计应满足的重要原则即是制造工艺性能良好。焊接的可行性和焊缝的质量对车体的制造质量有很大影响。目前的不锈钢车体结构形式与原来的结构相比重量轻、制造工艺简单。然而仍需提高结构设计的模块化程度，减少零部件的数量，以简化制造工艺。

2.3 车体结构设计

2.3.1 底架结构

底架结构主要由底架边梁、底架横梁、牵枕缓组成、波纹地板等部件组焊而成。重要受力部件牵枕缓由牵引梁和枕梁及缓冲梁组焊为模块。牵枕缓模块与辊弯的底架边梁对接组焊形成整体承载框架，底架横梁与边梁采用对接组焊。枕梁和牵引梁部位采用耐候钢材料，波纹地板选用标准的型材断面，在底架前后部，与枕梁和端梁塞焊焊接为一体。

2.3.2 侧墙装配

侧墙钢结构由侧墙板、立柱、横梁、底部横梁和门框等焊接成为整体。侧墙结构采用分块模块化设计，由门口隔开。车体左右侧墙完全对称，分块侧墙组成由门立柱装配、窗立柱装配、窗上梁装配、窗下梁装配、底部横梁等组成，部件之间均采用点焊连接。各分块侧墙组成框架结构在专用焊接胎具上，通过自动点焊与蒙皮支撑板、窗中板、窗下板装配、窗角焊接形成一个分块侧墙组成单元。车体侧墙两侧设有一定数量的安装座、安装梁及走线架，与侧墙钢结构刚性连接，用来安装门系统、客室座椅、内墙板、门立柱及走线等。

2.3.3 顶棚装配

顶棚钢结构由两个上弦梁、顶部弯梁、侧顶板及两个空调机组平台一起焊接组成，在顶棚骨架上面铺设波纹板。空调机组平台模块化设计，组焊后的空调机组平台整体与顶棚弯梁、波纹顶板及车顶上弦梁组焊为一体。空调机组平台设计时充分考虑整个平台的强度和刚度。整个平台由横梁、纵梁等几部分组成，装配各梁之间使用点焊形成框架结构。弯梁上铺有波纹顶板组成。波纹顶板两端增加补强板以保证车顶的强度及刚度。

2.3.4 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（1300mm）和高度（1900mm）。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。

2.3.5 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、操縱台、顶部设备、内装等部件的安装接口。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。

参考文献

[1] 刘柱军，李伟，谢旭方.城市轨道交通车辆构造[M].人民交通出版社.2013.

[2] 森久史，彭惠民，蔡千华.铁道车辆车体的轻量化和高刚度化技术.国外机车车辆工艺.2012.