地铁列车前端结构优化设计

李 辰

（北方国际合作股份有限公司，北京 100040）

0 前言

近年来，随着城市轨道交通事业飞速发展，地铁列车设计理念不断进步，碳钢方形列车前端已经逐渐淡出现代生活，应运而生的玻璃钢-钢骨架结构前端以其时尚的造型和靓丽的外观被推崇。目前采用新结构前端的地铁列车已普遍投入到各国城市地铁线路的运营中。然而，传统的二维绘图方法难以适应双曲面复杂形状结构的设计，所以，新一代地铁列车的前端设计采用了目前主流的 CAD-CAE 设计方法：通过建立基本的计算机分析模型，对所设计的车辆进行强度、寿命分析，以及运动学、动力学仿真，从而得到车辆的各种性能[1]，指导城市轨道交通车辆设计。

本文以设计实例为基础，介绍地铁列车前端三维结构设计的方法和过程[2]。在阐述设计过程中，将通过与既有线路列车前端结构进行比较，暴露目前运营车辆存在的设计问题与安全隐患，着重说明新结构如何规避原有问题，逐步优化提升，以期提供一种标准化的地铁列车前端设计方法，缩短地铁车辆整体设计周期，提高设计质量。

1 列车前端的构成

1.1 地铁车辆钢结构构成

地铁车辆钢结构可以分为前端、车顶、底架、侧墙和端墙，通常采用不锈钢、耐候钢与铝合金材料[3]。GB50157《地铁设计规范》对车辆限界做出了明确的规定，除前端外的车体钢结构基本实现了标准化生产。但前端部分由于需要体现列车个性化外观，满足不同地区的定制化要求，仍属于非标设计范畴。玻璃钢-钢骨架结构前端见图 1。

图1 玻璃钢-钢骨架结构前端

1.2 前端的主要结构

列车前端可采用焊接或栓接形式与车体钢结构相连接，内部包含司机室，集成了挡风玻璃、车钩、司机室内装等必备结构和前照灯、遮阳帘、雨刷器、司机台等诸多设备，是车辆各大系统的交汇点（图 2）。

一般列车前端结构由前端外罩和前端钢结构通过连接件栓接而成，并设置设备的安装接口，本文将详细介绍前端结构的设计方法。

图2 列车前端结构

2 前端整体方案设计

2.1 建立整体框架

前端结构采用 Creo2.0 三维软件进行设计，首先需要建立总组成的三维模型骨架树形图（图 3）。

骨架树形图是整个设计的框架，具体的零部件设计是在此框架内进行的，在设计过程中，骨架树形图也在不断完善、增加和改进中。

图3 三维模型骨架树形图

建立骨架树形图可以理清设计总思路，便于区别或集合每个子装配，避免由于参考混乱导致设计疏漏或模型错误。

2.2 材质选取

前端组成各零部件根据其功能与加工工艺不同，所用材质亦不相同（表 1）。

前端外罩造型复杂，要求使用具有较高强度与硬度、较好韧性以及优良的耐腐性能的材料。选用聚酯玻璃钢制造前端外罩，不但可以满足设计需求，而且加工工艺简单，适合中小批量生产。

前端钢结构及连接件采用 06Cr19Ni10 不锈钢材质，与车体材质保持一致，避免由于材质不同导致与车体接口焊缝发生电离腐蚀和缺陷。

表1 前端组成部件及所用材料

2.3 确定整体尺寸

前端总体尺寸受到 3 个基本限界的限制，分别为：

（1）车辆外轮廓限界：前端的后端面外轮廓必须与钢结构外轮廓保持一致（车顶部分可略低于波纹板）；

（2）车辆前端削角：前端属于车体司机室加长部位，需要满足车辆设备限界在司机室的削角限制，即从后端面开始向前逐渐收缩；

（3）车下限界：前端在底架以下的部分受车下限界的影响，所有造型及设备必须包络在限界内，避免与线路设备碰撞。

按上述 3 个基本限界对前端进行修正后，整体尺寸即可确定。之后即可根据整车布置图确认外观方案，并合理布置窗口、灯口等分区，在详细设计中逐步细化（图 4）。前端整体布局将作为详细设计的基础，整个设计过程在“整体-局部”的交互中逐步改良与细化。

3 前端钢结构设计

前端钢结构是前端结构设计的核心，是前端组成强度、刚度的主要提供部分，也是所有其他前端部件装配的基准参考。它的设计制造精度会直接影响其他部件，尤其是司机室内装和设备的组装。

前端钢结构也是车体底架、侧墙、车顶和前端外罩连接的桥梁，因此，在进行设计时，必须与接口部位的设计工程师充分沟通，确认连接方式和位置，并随着设计的深化，逐步细化各自的部件和接口。

3.1 前端钢结构布局

前端钢结构的基本功能是支撑前端外罩。从基本功能出发，钢结构应布置在前端造型的重要部位，如与侧墙和车顶相接的后端面、与底架相连接的底面、窗口、疏散门门口等。

除了支撑和连接作用，前端钢结构还是整个司机室的安全屏障。

车辆的冲撞一般是缓冲装置破坏后底架端梁之间的冲撞，但由于列车高速撞击后前端间的爬升与碾轧，前端部分将成为第 2 个结构吸能区，如图 5 所示。

使用非线性有限元分析对车辆碰撞进行模拟，将非动力两端设计为弱刚度可大变形的吸能区[4-5]。除了车辆间的互相撞击，其他形式的碰撞基本直接作用在前端钢结构之上。为了保证司机的安全，要特别注意下面 2 个问题。

图4 前端限界及分区

图5 车辆撞击过程

3.1.1 设置中立柱的必要性

北京地铁 6 号线列车前端钢结构进行了大幅的精简，其中间部位采用了彻底开放的形式，没有设置任何的立柱与横梁（图 6）。

图6 北京地铁 6 号线列车前端钢结构

这种结构虽然降低了前端钢结构的复杂程度，有一定的减重作用，但是一旦发生撞击，尤其是前端中部的冲撞，将直接导致外罩变形压入司机室，存在安全隐患。由此可见，前端中部设置高强度立柱和横梁，是非常必要的。

3.1.2 立柱与底架直接焊接的必要性

北京地铁 9 号线与亦庄线车辆采用了相似结构，圈梁与立柱下方均与连接板焊接在一起，在组装过程中，再将连接板与底架塞焊（图 7）。

图7 北京地铁 9 号线列车前端钢结构

各立柱并没有直接与底架焊接在一起，在发生碰撞时，前端钢结构将向后移动，撕开在底架与立柱间的连接板，造成钢结构不能达到预期的刚度。2015 年北京亦庄线事故列车前端严重变形，暴露了该结构的不足（图 8）。

可见，前端钢结构的主立柱必须与底架直接焊接在一起，才能够在撞击时与底架构成整体框架，降低前端的变形量。

3.2 设计方案

充分考虑前端钢结构的支撑作用和防撞击作用，即可初步完成钢结构的梁柱骨架图（图 9）。主支撑结构采用了 3 根完整的拉弯立柱来实现，是前端钢结构最强的部分。

传统结构（图10 ）中，强度较高的完整横梁并不在容易受到冲击的中部区域，而首当其冲的立柱多处拼焊且在横梁处断开，钢结构整体布置不合理。与之比较，当前采用的整体立柱结构拥有更好的刚度与防撞击性能。

3.3 前端钢结构梁柱设计

3.3.1 圈梁设计

圈梁是前端钢结构与车顶、侧墙和底架连接的部件，也是前端钢结构的设计基准。圈梁采用 U 形断面，与其他横梁的交汇处需要补焊加强筋，以传递冲击力（图 11）。

建议圈梁采用拉弯加工并拼焊成型的方法制造。北京地铁 5 号线车辆圈梁采用了底板与压弯角钢整体焊接成型的方法，由于焊接量过大，整体变形难以控制（图 12）。

图8 北京亦庄线事故列车

图9 前端钢结构的梁柱骨架

图10 北京地铁 5 号线车辆前端钢结构

3.3.2 主支撑结构设计

前端钢结构以中立柱及两侧的窗立柱、门立柱组成主支撑结构，用以支撑前端外罩并承受撞击力（图13）。立柱采用大断面的槽钢制成，保证立柱的刚度。在支撑位置加焊加强板，使补强横梁与立柱焊接充分。

3.3.3 窗区支撑结构

窗上横梁、窗下横梁、门上横梁、门槛横梁均采用U 形梁结构，设置与前窗、紧急疏散门以及前端外罩的接口。除此之外，还可连接支撑 3 根主立柱，增强整体刚度。

图11 圈梁的结构

图12 北京地铁 5 号线车辆圈梁结构

图13 主支撑结构

雨刷安装立柱主要用于雨刷器的安装，并通过与底架的焊接在一定程度上加强司机前方钢结构的强度。

门区、窗区支撑结构见图 14。

图14 门区、窗区支撑结构

4 前端外罩设计

由于前端造型不断复杂化、个性化，其成型工艺使玻璃钢材质取代金属材质成为轨道车辆前端外罩的主要材料。设计阶段完成的三维模型就是开模的原始数据，是前端组成设计中最复杂的部分。

4.1 外观面处理

对整个前端的造型曲面进行分析和处理，切除曲面中的开口部分（挡风玻璃、疏散门口等），最后将处理完的曲面进行加厚或抽壳得到均匀壁厚的实体（图15）。

图15 前端外罩曲面的处理

4.2 开口区域设计

以窗区设计为例，外罩设置凹槽作为挡风玻璃的粘接区域，并防止外力将玻璃压入司机室（图 16）。

外罩翻边一直延伸到司机室内部，在方便与钢结构组装的同时与司机室内装搭接，解决内装板在窗口的过渡问题。

图16 前端外罩窗区设计

对比北京地铁 2 号线列车，其玻璃钢外罩窗口向内的翻边不与司机室内装相连接，导致内装必须与玻璃配合，需要反复修磨内装窗口区域使其贴合玻璃曲面（图17），工艺复杂、扬尘大而且不美观，必须加装窗胶条。改良后的设计较好地解决了这个问题。

图17 北京地铁 2 号线车辆外罩窗区设计

4.3 设备安装区域设计

设备安装区域的设计以所装设备的模型为基础，将外购设备的外轮廓与安装接口作为参考，设计翻边、开孔以及安装板等。设计完毕后，须校核设备安装可调量及操作空间是否充足。前端下部设置车钩开口，与前照灯、防爬器等静态设备不同，车钩属于运动部件，除考虑静态接口外，还需考虑车钩左右各 30°、向上 15°的移动量。前端外罩设置的开口须在车钩运动量以外增加20% 的安全余量，避免碰撞（图18）。

图18 设备安装接口设计

5 前端外罩与钢结构的连接

前端钢结构与玻璃钢外罩的连接主要采用连接角铁配合调整螺栓的方式来固定，连接角铁上适当设置长圆孔，保证在外罩和钢结构组装时有一定的调整量。

连接角铁的布置主要根据前端整体尺寸均分得到基本连接位置，如圈梁部分的连接。对于窗口、门口等重要位置，则需要灵活配置和设计连接角铁，使其满足具体部位的结构特点，保证连接强度并易于操作。钢结构与外罩的连接如图 19 所示。

图19 钢结构与外罩的连接

6 模型校核

前端所有的零部件完成设计后，需要对整个装配体进行校核，该步骤是三维设计区别于传统设计的重要优势。它将保证最终的产品不会出现静态干涉和装配干涉，最大程度上实现“零差错”。

6.1 静态干涉检查

静态干涉检查是模型校核的基础，通过软件干涉分析，即可得出干涉部位的位置、干涉零件的名称以及干涉体积。剖开干涉位置，发现窗立柱尖角与外罩内壁干涉，位置非常隐蔽，现车生产中将造成外罩与钢结构卡死，无法调整，难以达到要求的尺寸，需将立柱与外罩内壁留有一定的调整空间。静态干涉检查如图 20 所示。

图20 静态干涉检查

6.2 装配干涉检查

装配干涉检查用于解决零件装配中出现的干涉问题。如图 21 所示，前端外罩下部区域与底架已经设有豁口，不存在静态干涉。前端外罩需要从外部装配到车体钢结构上，下部插接到底架钢结构，在向内装配过程中，外罩与底架钢结构的底架吊耳干涉，因此，需要增大外罩下部开口的尺寸，避免在实际装配过程中不必要的修磨与延误。

图21 发现干涉区域

7 结论

本文通过对地铁车辆前端设计方法的介绍，总结了既往经验，吸收利用优秀的设计成果，分析优化不合理的结构形式，力求规范不锈钢地铁列车前端设计，从而使前端设计更加高效准确，实现“无差错”。

[1] 朱轶. 半挂牵引车车架有限元分析[D]. 安徽合肥：合肥工业大学，2009.

[2] 李莉，刘天赋，敬俊娥. 北京4号线地铁车辆三维设计方法[J]. 铁道车辆，2010，48（1）：22-25．

[3] 商跃进，王清永，骆炎. 地铁车辆车体结构设计方法研究[J]. 城市公共交通，2006（8）：30-33.

[4] 单其雨，肖守讷，阳光武. 车辆吸能装置结构的耐碰撞性研究[J] ．铁道机车车辆，2009，29（6）：7-9.

[5] 贾宁，肖守讷. 耐碰撞车体吸能装置的薄壁结构研究[J]. 铁道车辆，2005，43（5）：6-10.