快速市域动车组车顶设计

孙维超，计梦男，梁 森，沃少帅，李 茁

（北京轨道交通技术装备集团有限公司，北京 100160）

200 km 城际（市域）动车组车体的车顶由大型中空挤压型材构成。通长挤压型材上适当位置设通长的T 型槽用于间壁和顶板等内装部件的安装。且车顶在承载空调机组、受电弓以及车顶高压设备区域必须加固，并保证排水通畅，无渗漏。

车顶的结构设计不仅要考虑轻量化以及车上设备的吊装要求，还需要考虑密封性和安装结构的合理性。因为铝合金的焊接变形大，屈服强度低，所以在车顶结构设计时，既要结合计算结果，考虑结构强度，又要结合生产制造环境，考虑工艺可行性。

1 车顶结构设计

200 km 城际（市域）动车组车体的车顶采用轻量化铝合金材料，铝合金材料不仅重量低，而且结构简单，目前重型卧式挤压机可以挤出大型扁宽薄壁铝型材技术不仅减少了车体结构中的横向构件，而且能满足车辆高速通过隧道时气压迅速变化对车辆所提出的密封性要求。因此，速度等级高、强度等级高、轻量化程度要求高的城际市域动车组车顶选择铝合金作为结构材料。

1.1 铝合金车顶结构简介

车顶由车顶端梁、车顶型材、空调机组安装座、受电弓安装座、高压设备安装结构以及其他零件焊接组成，如图1 所示。

图1 200 km 城际（市域）动车组车顶结构

1.2 车顶结构优化

在200 km 城际（市域）动车组车辆运行当中，车顶虽然不会受到车钩的压力与拉力，但是因为车顶安装着各种设备，需要承担重力和空气阻力，为保证车顶结构强度、工艺可行性以及轻量化要求，通过以下措施进行优化设计。

1.2.1 两侧车顶边梁结构设计

车顶边梁是传递车体纵向载荷、保证车体刚度的关键部件。按照以往的铝合金车顶设计及经验，车顶边梁采用大断面，中间布有斜筋的挤压型材，车顶组成由车顶边梁与车顶中间型材焊接而成。参考原型车边梁型材断面计算时，车顶区域处在临界点位置，存在风险。结合200 km 城际（市域）动车组空调机组以及受电弓和高压设备全部集中在一辆车上，且空调机组重量较传统机组增重75 kg 来分析，车顶需要承载更多的重量。综合以上因素，对车顶边梁断面进行优化。

车顶边梁经截面优化后，整体刚度有着明显的改善提升，对空调机组的安装刚度以及整车刚强度计算都有很大的贡献，车顶边梁型材截面优化如图2 所示。

图2 车顶边梁结构设计对比

1.2.2 车顶受电弓安装座结构设计

受电弓通过3 个安装座与车体相连，传统受电弓安装座一般采用底座与安装板拼焊结构组成，如图3所示。此种结构要求有空腔的安装操作空间，并且由于安装结构小，焊接区域密集，焊接后存在应力集中导致安装精度差等现象。

图3 受电弓以及传统安装座结构形式

200 km 城际（市域）动车组受电弓安装座采用厚铝板切割，避免了自身的结构焊接，简化制作工序，提高了产品的良品率。另外，200 km 城际（市域）动车组受电弓安装座为减少与车顶的焊接面积，且车顶为弧顶结构，为降低定位难度，满足车辆对轻量化等要求，将焊接立壁设计成3 mm 厚铝板，提高焊接性能。设备安装面采用盲孔预埋螺纹衬套结构。避免双向紧固对安装座操作空间的要求。具体结构如图4 所示。

图4 优化后受电弓安装座结构形式

1.2.3 车顶高压设备安装座结构设计

200 km 城际（市域）动车组车顶设置避雷器、变流器等电气设备。并且车顶还布置有高压隔离开关、电流互感器等高压设备。因为车顶采用无平顶结构，无法采用传统的下沉式安装座。

因此，车顶安装座设计为厚铝板加工预埋螺纹衬套结构，如图5 所示。为保证安装座与弧面车顶的焊接质量。安装座采用3 mm 薄壁与车顶进行焊接。安装座与车顶型材堵板结构采用焊接方式。

图5 优化后高压设备安装座结构形式

1.2.4 车顶空调安装座优化

车顶设空调机组，空调安装座采用型材拼焊，然后与车顶焊接，根据以往项目经验，空调安装座的安装孔一般都是先加工后与车顶组焊，铝合金车顶制造工艺流程如图6 所示。

图6 铝合金车顶制造工艺流程

根据以上原因，对空调安装座安装孔加工顺序进行调整，在车体附件组焊后空调安装孔在车体组成进行整体加工，保证空调设备的安装精度，如图7 所示。

图7 车顶结构模块示意图

2 车顶结构性能评估

为保证车体的安全可靠性，静强度、车体刚度与载荷按照EN 12663—1《铁路应用设施.铁路车辆车体的结构要求.第1 部分：机车与客用车（和货车的替换法）》中P－II 类（固定机组）的要求执行，车体在承受各种最大垂直载荷的同时，沿车钩安装纵向水平方向施加1 500 kN 的静压载荷，拉伸载荷1000 kN，车体应力不超过设计许用应力。车顶板在200 cm2的面积上需能承受1 000 kN 的垂直载荷。

2.1 疲劳强度计算

根据EN 12663—1 的规定，车体结构疲劳强度的校核方式有两种：一种是疲劳极限法，另一种是基于损伤累计方法；并指出在车体疲劳校核工况下，车体的最小疲劳循环次数不小于107 次。200 km 城际（市域）动车组采用基于Smith-Goodman 曲线的疲劳极限法对车体进行疲劳强度校核。

根据疲劳强度工况计算得到母材和焊缝主应力，所得焊缝和母材Smith 形式的Goodman 疲劳极限图如图8、图9 所示。可以看出，在所有计算工况下，计算所得母材较大应力处和焊缝处的应力幅值、均值皆被包含在Goodman 曲线内，结合车顶局部在疲劳工况下的应力云图如图10 所示，从而证明车顶结构满足疲劳强度要求。

图8 焊缝Smith 形式的Goodman 疲劳极限图

图9 母材Smith 形式的Goodman 疲劳极限图

图10 疲劳工况下车顶应力云图

2.2 静强度计算

静强度采用第四强度理论对车体强度进行校核，要求各个工况下结构的Von-Mises 应力小于材料的许用应力。

根据EN 12663—1 中的规定，在各种工况下，母材许用应力即是屈服强度，在焊缝处取安全系数1.1，即许用应力为屈服强度除以安全系数1.1。

根据各个工况下的应力计算，车顶计算结果最大为6.9 MPa。车顶各部位均小于材料允许的用应力215 MPa，满足设计要求。车顶局部最大等效应力云图如图11 所示。

图11 顶局部最大等效应力云图

3 结论

通过对车顶边梁断面优化，结合仿真计算结果。证明车顶结构满足设计要求，为整车的刚强度计算以及模态仿真提供了有利的结构支撑。结合工艺制造可行性分析和实际生产遇见的问题，通过对受电弓安装座、高压设备安装座以及空调机组安装结构进行优化，通过实际生产的应用，证明车顶结构优化后有利于生产制造，提高了制造效率和整车品质，从而节约了制造成本，为后续车顶结构设计奠定了坚实的基础。