城轨车辆不锈钢车体结构优化

城轨车辆不锈钢车体结构优化 【摘要】文章对轻量化不锈钢车体结构进行了介绍,并重点对车体选材、轻 量化设计、激光焊等技术优化进行了分析,最后对不锈钢车体优点进行了总结。 【关键词】不锈钢车体;轻量化;激光焊 目前, 国内城轨车辆的材质主要有不锈钢和铝合金两种。不锈钢车体由于强 度刚度高、耐腐蚀能力强、维护保养成本低等突出优点,越来越受到国内轨道车 辆制造企业的重视。近几年,随着不锈钢车体轻量化设计取得显著成功,不锈钢 车体广泛应用于城轨车辆产品,市场份额快速增长。 1.不锈钢车体结构 不锈钢车体主要由车顶、底架、侧墙、端墙和司机室(仅头车有)五大部件 组成,五大部件在专门的总组装台位采用焊接方式联接成完整的车体。 2.各主要部件结构 2.1 车顶 车顶分为平顶和弧顶两部分,平顶用于安装空调和受电弓装置,弧顶由边梁 与弯梁通过连接板点焊在一起,形成骨架结构,在弧顶上面铺设波纹板,板、梁 间通过自动编程点焊连接。平顶能支撑空调机组和内装部件以及检修人员的载 荷, 设计时充分考虑了平台的自身强度、 刚度及其对车体总体强度、 刚度的影响, 确保能够顺畅传递纵向载荷, 同时特别考虑平顶的平整度以确保水密性和平顶流 水的顺畅。 空调平顶采用内嵌式安装结构,取消平顶板,减少焊接工作量,降低平顶重 量。平顶两侧设有集水槽,与排水管相连,平顶的雨水进入集水槽后,通过与之 相通的排水管,从底架下部直接排出。车顶风道、顶板等设备通过两根铝型材整 体吊挂在车顶弯梁上,车顶没有多余的焊件,结构简单,检修维护方便。 2.2 底架 底架采用无中梁结构,由牵引梁、枕梁、缓冲梁、边梁、横梁、波纹地板等 组成。底架两侧为两根不锈钢冷弯型钢边梁,在它们之间布置不锈钢主横梁,主 横梁间距根据车下吊装设备需要进行调整,在主横梁上部铺设不锈钢波纹地板, 可支撑 AW3 的乘客载荷。 不锈钢边梁与主横梁间采用连接板点焊连接。 牵引梁、 枕梁为箱形组焊结构, 受力稳定, 能够有效传递各种载荷。 在底架设计时以安全、 可靠为主,兼顾考虑轻量化。边梁、缓冲梁、波纹地板等为不锈钢材料,牵引梁、 枕梁、端部内边梁为耐候结构钢材料。 底架的设计结构可以实现碳钢端部底架的预先整体喷漆保护要求, 提高碳钢 部分的耐腐蚀能力。 底架枕梁附近设有八处抬车垫板,满足车辆的检修、吊运和救援作业需要, 抬车位局部加强,同时在车体上作指导作业的标记。 头车底架司机室端设有边缘为齿型的防爬器,在出现撞车事故时,齿型边缘 可以保证两列车对中撞击, 确保冲击力沿底架传递,避免相撞列车之间发生爬叠 现象。 齿型防爬器后面设有吸能装置,吸能装置可有效吸收列车撞击时产生的能 量,使车辆及乘客的损伤降至最低。 2.3 侧墙 侧墙采用模块化设计结构, 由数个侧墙单元模块组成,单元模块主要由侧墙 外板、门立柱、窗立柱、横梁、侧墙上边梁等组成。 侧墙是不锈钢车体外观最显眼部位,外观平整光滑,同时又是承载的重要部 件,门角和窗角为应力集中区,所以在门角、窗角处均设有补强板。在设计、有 限元计算、试验时将重点关注侧墙的焊接强度、整体刚度和疲劳寿命等问题,避 免车辆在运用中产生永久变形和疲劳裂纹。 侧墙立柱与窗上、 下横梁以及内层筋板组焊成侧墙单元。门口采用槽型立柱 形成门型框架。侧墙梁柱为帽形断面,与外板点焊后形成箱形结构,加大了断面 系数,提高了抗弯刚度。门口框架、侧墙单元与通长的纵向侧墙上边梁以及边梁 上横梁等部件牢固地连接成一个整体, 并在门角和窗角设有补强板以减少应力集 中,从而保证车体在纵向、垂向、扭转等载荷作用下,强度、刚度满足要求,客 室门开、关运动自如。图 1 为侧墙内部结构。 图 1 侧墙内部结构 侧墙外板采用具有装饰性的 2G 表面的不锈钢磨砂板,不带波纹和压筋,便 于车辆清洗。 采用磨砂板可以使产品具有良好的外观质量,提高产品的商品化程 度。 侧墙与内装间通过 T 型螺栓结构或铆螺母结构安装,没有多余的焊件,结 构简单,使用维护方便。 2.4 端墙 端墙结构主要由端角柱、端弯梁、门立柱、门槛、横梁、外端板等组成。端 墙将车顶、侧墙、底架有机的结合成一体,共同承受车体所受的各种载荷。端墙 结构满足联挂载荷的要求,当列车发生撞击事故时,能够防止客室受损,保证乘 客的人身安全。 在端墙设计时, 充分考虑贯通道安装以及贯通道开口对车辆整体 强度的减弱,对其做了必要的补强。为了保证端墙的平面度,尽量采用焊接变形 量较小的电阻点焊。 端墙板采用整体冲压成型的模压件,造型美观,提高了端墙板自身刚度,取 消补强梁。 2.5 司机室 司机室的外部造型体现了现代地铁列车的造型特点, 代表着现代城市轨道运 输系统的时尚。司机室主要由钢骨架、玻璃钢外罩、裙板等组成。钢骨架与玻璃 钢外罩预组成一体,整体安装。司机室两侧设有登车脚蹬和扶手。 3.不锈钢车体技术优化 国内外车辆制造企业在满足车体相关强度、刚度要求的前提下,在地铁用不 锈钢材料的选择上进一步优化,选用强度高、质量轻的不锈钢材料。同时,结合 不锈钢激光焊接技术, 在车体的不同部位选用不同强度等级的薄钢板,降低车体 重量,优化不锈钢车体技术。 3.1 采用专用不锈钢结构材料 地铁车辆车体结构主要采用了符合 JISG4305 标准的 SUS301L、SUS304 和 符合 EN10088-2 标准的 EN1.4318 奥氏体不锈钢材料。其中,SUS301L 不锈钢材 料在压延调质后可得到不同强度等级的高强度不锈钢材料,分为 LT、DLT、ST、 MT、 HT 共计 5 个强度等级, 可根据车体具体承载情况应用到不同车体结构部位, 减小车体结构所用板材的厚度,从材料方面实现车体轻量化。 3.2 轻量化车体设计对于不锈钢车体,优化车体局部结构,降低车体重量。 同时,通过认真分析有限元仿真结果和实物试验数据,保证车体强度、刚度满足 使用要求。 (1)车体 车体设计中, 应用成熟的不锈钢地铁的技术平台和结构,采用模块化设计方 法, 简化各种吊挂安装件的接

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