快速市域车铝合金车体侧墙结构设计

沃少帅，计梦男，梁森，孙维超，李茁，张金玲，陈旭，张小龙

（北京京投轨道交通技术研究院有限公司，北京 100070）

0 引言

市域快轨交通在国内整个交通体系中发展相对缓慢，是介于城市轨道交通（地铁、轻轨）和城际高速铁路之间的新型运输模式[1]，由于它具有特殊的大载客量、低运营成本、快起快停、快速乘降等优点，因此适用于城市与郊区、重点城镇间、中心城市与卫星城等。目前高铁、城际铁路规划都在快速推进，但在建和运营的市域快轨比例非常少，因此市域快轨将来可能会成为国家的重点发展对象，并越来越受到人们的青睐[2-7,9]。本文介绍了市域快轨中的快速市域车车体，着重介绍了快速市域车铝合金车体侧墙结构的设计。

1 侧墙结构设计

快速市域车车体采用大型中空铝合金挤压型材整体组焊和模块化设计结构，主要由底架、侧墙、车顶、司机室骨架和端墙五大部分组成，如图1所示。其中，侧墙在车体结构中起着关键作用，与其它四大部件都有紧密联系，上与车顶相连，下连接底架，一位端连接司机室骨架，二位端连接端墙。同时，侧墙的机加工需要核对对应部位的接口，尤其是门和窗（该处的接口对侧墙的强度、刚度和平面度影响较大）。因此，侧墙设计质量对整车车体设计的强度、刚度、焊接质量等影响重大。

图1 市域车车体总图

1.1 侧墙的主要技术参数

如图2所示，车体整个侧墙主要由2个整体侧墙单元、8个门立柱单元、2个侧墙端角柱单元、2个侧墙上部连接件、4个雨檐和4个外紧急解锁衬套组成。该车体总共有2对门、6对窗，其中：门的宽度为1370 mm，高度为2116 mm；窗口的宽度为1400 mm，高度为910 mm。

图2 车体总图（侧墙外面）

1.2 整体侧墙单元设计

本侧墙的结构与传统的模块化侧墙[2]有所不同，采用5块通长的型材组焊而成，这比模块化侧墙加工周期短，侧墙整体性得到提高，强度和刚度也相应提高，降低了侧墙型材变形量，而且各大块型材之间采用通长自动焊缝，会减少像模块化侧墙门立柱与侧墙的折线焊缝数量（折线焊缝数量会增加热应力集中区域，该区域由于应力集中会出现凹坑或凸起现象），同时，该单面侧墙的门数（2个）比其他轨道车辆[8-9]（单面通常为4～5个）少，并且为单扇门（城市轨道车辆通常为双扇门），门口的开口尺寸比城市轨道车辆小，因此该侧墙结构具有较高的整体强度、刚度和良好的气密性。该侧墙的窗口设计不仅美观，而且尺寸一致，便于工人加工，提高了产品的生产效率。

1.2.1 侧墙板设计

每块侧墙板型材通过减小侧墙板内外壁壁厚，不断优化型材内部立筋分布，在满足强度的要求下，尽量减小质量，实现侧墙设计的轻量化（如图4）。侧墙板采用通长的双层中空铝合金型材组焊而成，该焊接工艺有利于提高侧墙板整体刚度和强度，同时提高车体气密性，隔声降噪。其中：最上部的侧墙上部纵梁组成是由2块型材（侧墙上部纵梁（一）和侧墙上部纵梁（二））与中间加工的厚板件（侧墙上部连接件7）组焊而成，下部的4块型材（侧墙板（一）、侧墙板（二）、侧墙板（三）、侧墙板（四））通过焊接机器人采用长直焊缝一次性自动焊接成型，最后，侧墙上部纵梁组成与侧墙下墙板组成通长一次性自动连续焊接，这种一次性自动焊接成型工艺及合理的焊接顺序会使侧墙板的变形在制造过程中得到很好的控制。侧墙前端件结构（侧墙上部连接件7）相对比较复杂，这是机床机械加工的连接件。板材的加入主要为了与车顶一位端的边梁相接，对车顶边梁起到支撑作用，同时，侧墙上部连接件7上设计了排水槽（如图4），便于车顶型材边梁的排水。

图4 侧墙板结构图

整体式侧墙加工简便，在精密的数控车床上可以连续切割车门和车窗，机加工完成后，直接与底架、车顶、端墙、司机室骨架合成车体，节省了大量时间，且降低了生产人员的劳动强度。此外，型材设计含有通长的C槽（这用于座椅、内装板、行李架和门机构等内装件的安装），减少了焊接C槽的时间。每相隔1～2 m会切除宽60 mm垂向的通长C槽（图3中标注出一条通长切除C槽），这为了方便后续滑块安装和拆卸，有利于工人施工。

图3 车体总图（侧墙内面）

1.2.2 门立柱单元设计

门立柱单元由门立柱、门立柱后筋板、门立柱底架筋板3部分组成。门立柱采用10 mm厚的板材机械加工折弯件，与侧墙相连。门立柱的一端与侧墙型材外轮廓线一致，另一端为折弯区域，门立柱与侧墙的连接通过在侧墙型材上开HV型坡口来进行焊接。门立柱后边有5块厚度为6 mm的筋板，用于增强门立柱的强度和刚度。门立柱后筋板上的2个孔不仅可以减重，还便于后续电气设备的穿线。门立柱上的长圆孔可以方便安装门机构。由于门机构开关门会给门立柱纵向方向的力，因此，为了使门立柱的强度和刚度更高，在门立柱最下面焊接10 mm厚的门立柱底架筋板（如图5）。采用板材的门立柱单元，不仅满足强度的要求，而且节省了像挤压型材门立柱[10]的模具费。

图5 门立柱单元结构

1.2.3 端角柱单元设计

端角柱单元与侧墙板采用插接的方式连接，如图6所示。端角柱前端有2个挡胶板，可以防止司机室头罩打胶时胶水随意流动而影响粘接效果。端角柱结构为弯曲型材，折弯半径很小，且折弯方向是在相对窄的一面，折弯难度很大，型材折弯处会起褶皱，为了防止褶皱的出现，在端角柱下部开了一个工艺豁口后再折弯。为了防止豁口影响气密性，四周用封板封堵。端角柱最下面3个圆孔为电气设备的穿线孔，便于电气设备往司机室走线。

图6 端角柱单元设计

1.2.4 雨檐设计

雨檐采用一定厚度的板材，经过加工折弯，然后通过分段焊的形式焊接到侧墙门口上方，未焊接区域需要打胶处理（如图7），雨檐的形状为L形，雨檐的长度要大于门的宽度，这样才能避免雨天时开关门雨水对乘客上下车造成影响。该方案做工简便，满足需求，节省成本。

图7 雨檐

1.2.5 电解锁钥匙和外紧急衬套设计

电解锁钥匙和外紧急衬套都为板材加工件，电解锁钥匙衬套采用与侧墙型材宽度、厚度相同的板材，通过机床加工成形。如图8所示，衬套的中间部分开适当大小的方孔，且该孔需要贯通整个板材，这由电解锁钥匙形状和安装形式决定；衬套的前端还需要切出适当深度的凹槽，可以防止电解锁钥匙凸出侧墙轮廓线；衬套前端需要加工4处贯通板材的螺纹衬套孔，该孔深度大小需与电解锁钥匙螺钉尺寸保持一致；衬套的后端需要切出一定深度的凹槽。外紧急衬套与电解锁钥匙衬套一致，为机加工板材件，衬套的中间部分开适当大小的圆孔，且该孔需要贯通整个板材，这由外紧急的形状和安装形式决定；衬套的前端还需要切出适当深度的凹槽，作用与电解锁钥匙衬套相似，为了防止外紧急凸出侧墙轮廓线；衬套前端需要加工4处一定深度的螺纹衬套孔，该孔深度大小需与外紧急的螺钉尺寸保持一致。

图8 电解锁钥匙衬套和外紧急衬套

2 侧墙结构所用材料

为了保证整体侧墙的结构强度，除了优异的设计结构，还需要选择合适的铝合金材料，同时需要考虑材料的焊接可达性。根据材料的具体位置和作用（尤其是受力状况）来选择材料，本侧墙结构所有型材都采用EN AW-6005A-T6材料，门立柱、门立柱后筋板、门立柱底架筋板和端立柱下筋板都采用EN AW-5083-H111材料，关键部件侧墙上部连接板、外紧急衬套、电解锁钥匙衬套选用EN AW-6082-T6材料。

3 侧墙静强度分析

侧墙不能作为一个单独模块来进行强度计算，需要在整车模型设计后，参照EN12663[11]要求，对整车模型在各种工况下的静强度计算来分析侧墙结构的合理性。由于侧墙的门口和窗口需要机床加工切除，切除后的门口和窗口易为应力集中区，因此一般门口和窗口区域的静强度是工程师的关注点。有4种计算工况：1）工况一。AW3垂向载荷工况。2）工况二。1.3AW3垂向载荷工况。3）工况三。AW0＋1500 kN纵向压缩。4）工况四。AW3＋1500 kN纵向压缩。如图9所示，可以看出门角和窗角为应力集中区域，表1为图9对应的各处最大应力值，可知：门角和窗角在这4种工况下，最大应力值都小于许用应力值。其余工况下应力相对较小，且强度校核合格，证明侧墙结构强度满足要求，侧墙结构的设计合理。

图9 车体侧墙门角和窗角应力图

表1 4种工况静强度最大值汇总

4 结论

1）快速市域车采用中空铝合金型材，在满足强度要求的情况下实现轻量化；2）侧墙采用整体式铝合金侧墙的设计，加工流程简单，安装方便，既提高了生产效率，也降低了生产人员的劳动强度，同时提高了侧墙的整体强度和刚度，减少了折线焊缝的数量（热应力集中区域减少），保证了车体整体美观性；3）侧墙的中空铝型材和单侧侧墙门数较少等设计都有利于提高车体的密封性，对车体提速至关重要；4）侧墙前端件结构为板材机械加工件，为异型件，可连接车顶、侧墙型材，同时设计了排水槽，方便车顶排水；5）门立柱单元采用板材结构，便于门机构的安装，比挤压型材节省大量成本（尤其是模具开模费用），且满足强度要求；6）为了防止端角柱折弯时出现褶皱，在端角柱下部开了一个工艺豁口后再折弯；7）提供了一种新型的板材折弯雨檐，加工简单，安装方便，节约成本；8）提供了一种新型的轨道车辆电解锁钥匙衬套和外紧急衬套结构，其结构简单、安装方便，采用板材结构，价格低廉。