不锈钢地铁车辆车体结构设计的要点分析

刘晓芳

（中国北车 长春轨道客车股份有限公司,长春 130000）

0 前言

车体是车辆结构的主体。车体材料决定了车体的结构形式、性能和技术经济指标；车体的强度、刚度决定车辆运行的安全可靠性和舒适性；车辆外观、寿命由车体的耐腐蚀能力决定；能耗大小、载客能力、乘客舒适度乃至列车编组形式(动拖比)，均与车体重量息息相关。因而，车体结构的设计思路在地铁车辆的设计过程中非常重要。不锈钢地铁车辆的设计是一个综合的、复杂的且必须精确的过程，车体结构是车辆的载体，是整个车辆设计的基础。目前，不锈钢地铁车辆车体结构一般由车顶、底架、侧墙、端墙四大部位组成，是由钢骨架和薄板组成的薄壁筒形整体承载结构。

1 不锈钢地铁车辆车体的设计的要点分析

不锈钢车辆车体结构设计时需综合考虑车体本身及其他安装系统的各项指标及要求，最主要的设计要点主要分为以下几种：

1.1 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。

1.2 骨架结构的设计

不锈钢车体结构的设计最重要的即为骨架结构的设计。端墙、侧墙、底架、车顶均为梁柱与外板组成的板梁结构。梁柱结构即为骨架结构。车体结构方案设计阶段，需考虑的最重要的问题即是梁柱的断面形式及骨架的对称性，尽量使整车的骨架结构形成闭环结构，保证车体结构承载的稳定性，避免出现载荷难以传递的情况。梁柱结构的断面尽量采用箱型结构断面，对抗扭曲及横向载荷非常有效，同时避免出现截面突变的情况，如无法避免，尽量使截面突变处缓慢过渡。

骨架设计时需注意避让结构开口处，并根据不同设备的安装，考虑增加开孔处的梁柱厚度或调整梁柱间距，或改变梁柱断面形状，最终使设计符合设备安装要求。

车体各部位结构均为骨架与外板点焊结构。点焊是不锈钢车体钢结构最重要的焊缝之一，其质量好坏直接影响车体钢结构的最终质量。骨架与外板点焊连接不仅降低了车体重量，同时减少了热量的堆积，可使外板承受的应力减少。如侧墙骨架与侧墙外板之间的点焊连接，既保证了侧墙结构整体的刚度又保证了侧墙外表面的美观。

1.3 轻量化、高强度、抗疲劳

轻量化、高强度、抗疲劳是目前不锈钢车体设计应遵循的基本原则和发展趋势。车体的轻量化能够带来很多优点：提高车辆的加速度、降低运能消耗、牵引及制动能耗低、减轻对线路的磨耗及冲击，扩大了运输能力。而车体重量的减轻必然要求车体结构的设计具有较高的强度和抗疲劳的特性，三者缺一不可。车体的设计需综合考虑多种因素，选取重要的方面，需整个车辆系统做出协调。车辆整体的重量须满足合同及标准要求，车体的重量分配也须满足整体分配要求。车体结构要实现较佳程度的轻量化，需对结构进行可靠的分析和试验验证。

1.4 车体结构的强度分析

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EN 12663《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。

1.5 车体的制造工艺

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 结论

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。本文或可为不锈钢车体结构的设计提供一定的借鉴意义。

[1]陈锋，徐国梁.地铁不锈钢车体研究[J].铁道车辆,2007(03).

[2]黄志宏，许彦强.不锈钢车体结构设计及仿真分析要点[J].铁道车辆,2012(06).

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