快速市域动车组车下设备舱结构设计

陈 旭

（北京轨道交通技术装备集团有限公司，北京 100071）

市域动车组在轨道上高速运行时，面临非常复杂的外部环境，如列车运行和交叉口产生的气压波，运行中遇到的雨、雪、风暴，以及外部物体对列车下方区域的高速冲击。然而，动车组的主要设备是通过吊装方式安装在车架下，复杂的外部环境因素严重威胁着高速列车的运行安全。为了保护车下设备和高速动车组的安全运行，需要在快速市域车下设置设备舱[1]。

1 设计原则

1.1 设备舱内外部轮廓

设备舱的外部轮廓须不超出该线路车辆限界，同时满足美工的要求。设备舱的内部轮廓与车下设备的最小距离须大于30 mm，保证安装过程中或运维过程中不发生干涉或磕碰。

1.2 设备舱强度要求

静强度要求：设备舱底板静载工况为内外表面压差±3 kPa；设备舱裙板、设备舱骨架、设备舱端板静载工况为内外表面压差±2 kPa。

疲劳强度要求：在设备舱的疲劳工况为内外表面压差±1 kPa 条件下，进行107次循环疲劳寿命计算，在寿命周期内，设备舱所有结构件及焊接件应满足材料的强度要求。

2 结构组成及安装方式

车下设备舱位于车体底架下方，主要包括骨架组成、裙板组成、底板组成和端板，如图1 所示。

图1 设备舱结构组成

2.1 骨架组成

骨架组成是设备舱整体的承载结构，主要包括吊装支架、支撑槽，其中吊装支架包括梯形支架和竖向支架，如图1 所示。梯形支架是由多种不同规格的铝合金型材焊接而成的梯形结构，通过两端的吊座，以螺栓连接的方式与车体底架边梁固定；竖向支架为方钢和钢板的焊接结构，通过螺栓与底架下方的C 槽连接。根据车下设备的安装位置布置梯形支架，且每个吊装支架之间的间隔应尽量均匀，不应过大或过小。若2 个吊装支架的间距较大，则需要在二者之间增加1 个或多个竖向支架，以保证该区域的结构强度[2]。

支撑槽采用铝合金型材，且每根支撑槽上加工有吊装支架安装接口、裙板安装接口和底板安装接口等。支撑槽与吊装支架通过预埋在支撑槽型腔内的螺纹滑块进行螺栓连接，从而形成设备舱整体的承载结构。每根支撑槽的长度根据该区域的裙板数量及长度、底板数量及长度而定，为保证裙板和底板的安装，一块裙板（或底板）的所有安装接口须设置在同一根支撑槽上。

2.2 裙板组成

裙板位于设备舱两侧，用于保护车下设备的侧部，防止风沙、石砾和雨雪的冲击或侵袭，同时优化空气动力学性能。裙板的分块及布置须遵循两侧对称的布置方式，裙板的分块需要跟据车下设备的布置及通风散热、检查空间需求进行分块设计，且每块裙板的长度尽量不大于2 m，从而保证检修维护时的便捷。裙板的组成包括裙板主体、裙板锁、锁座、通风格栅和密封胶条等，如图2 所示，其中：裙板主体由2 块铝型材拼焊而成，焊接方式采用搅拌摩擦焊，以保证裙板主体焊接后的轮廓度。对焊接后的裙板主体进行机加工，预留裙板锁、通风格栅和密封胶条等附件的安装接口，以及裙板主体与设备舱骨架的安装接口；裙板锁包括转舌锁和碰锁2 种锁型，在便于检修维护的同时，为车辆的运行安全提供保障；通风格栅根据车下设备的通风需求进行设计，原则上通风格栅的面积不应小于设备自身通风口的面积，且通风格栅的位置尽量正对设备自身通风口，从而满足设备的散热或进风需求；密封胶条安装在裙板主体的四周，通过与设备舱骨架及相邻裙板的挤压，保证除通风格栅以外设备舱整体的密封性。

图2 裙板组成

裙板主体下端与支撑槽之间通过销轴连接，每块裙板设置2~4 个销轴连接点，从而实现骨架对裙板的垂向承载及裙板自身的上下翻转；裙板上端通过裙板锁与安装在车体底架边梁下方的锁座进行连接；每块裙板是相对独立的，相邻的裙板之间无刚性连接，只通过裙板两侧的密封胶条支架的挤压，实现裙板之间的密封。

2.3 底板组成

底板位于设备舱底部，用于保护车下设备的底部，防止风沙、石砾、雨雪的冲击或侵袭。底板的分块及布置须根据车下设备的布置及通风散热、检查空间需求进行分块设计，且每块底板宽度保持一致，由两侧支撑槽的间距决定；底板的长度尽量不大于1.5 m，从而保证检修维护时的便捷。底板组成包括底板主体、底板横梁、底板锁、防脱插销、通风格栅和密封胶条等，如图3 所示，其中底板主体采用铝板与铝蜂窝的三明治夹层结构，四周由铝型材封边，整体为全金属结构。上下蒙皮均采用双面环氧处理的铝合金板材，与铝蜂窝芯层及四周的型材框架通过胶粘复合而成；底板横梁采用铝合金型材，分别与底板主体和支撑槽连接，用于减小底板在车辆运行过程中产生的垂向振幅；通风格栅根据车下设备的通风需求进行设计，原则上通风格栅的面积不应小于设备自身通风口的面积，且通风格栅的位置尽量正对设备自身通风口，从而满足设备的散热或进风需求；密封胶条安装在底板主体的四周，通过与设备舱骨架及相邻底板的挤压，保证除通风格栅以外设备舱整体的密封性。

图3 底板组成

底板主体与支撑槽之间通过底板锁进行连接，每块底板设置4~6 个底板锁、4 个防脱插销，从而实现设备舱骨架对底板的垂向承载及底板锁失效情况下的防脱功能；底板横梁两端与支撑槽通过螺栓连接，中间位置与底板主体通过螺栓配合套筒的方式进行固定；每块底板是相对独立的，相邻的裙板之间无刚性连接，只通过底板两侧的密封胶条支架的挤压，实现底板之间的密封。

2.4 端板组成

端板位于设备舱两端，用于封堵设备舱两端，使设备舱形成相对密闭的空间结构，同时为车下的各类管路、线路和风道提供安装接口。由于端板的安装位置靠近转向架，因此需要校核转向架的运动范围，将端板设置在转向架动态包络范围以外，以免车辆运行过程中发生干涉，导致危险。端板由端板主体、吊耳和密封板焊接而成，如图4 所示，其中端板主体为铝型材，原则上端板的外轮廓与设备舱断面的外轮廓一致。根据车下布管布线的位置以及端板与车体底架的安装接口，机加工出管线的安装接口、吊耳的焊接接口及与支撑槽的转接接口；吊耳为铝板折弯件，吊耳的布置应尽量遵循两侧对称原则，且间隔尽量均匀；密封板为铝板折弯件，焊接在端板主体两侧，用于密封端板主体的型腔，以免杂物进去。

图4 端板组成

端板上部的吊耳与车体底架下方的C 槽通过螺栓进行连接，安装工程中可以通过调整垫及长圆孔调整端板与车体的相对位置，需要保证的是端板下沿不得低于底板的下平面、端板侧沿不能超出裙板外轮廓；端板下部与支撑槽通过转接板进行螺栓连接，从而保证端板的稳定性。

3 计算验证

根据设计原则中的设备舱强度要求，进行仿真计算验证。

3.1 静强度验证

（1）垂向加速度为1 g，同时对底板施加+3 kPa 外载荷，对裙板和端板施加+2 kPa 外载荷，如图5 所示。

图5 外载荷及约束

设备舱整体的等效应力分布如图6 所示，等效应力主要集中在竖向支架、底板横梁、支撑槽和端板组成等部件上，但是主要应力集中部位的应力值基本不超过80 MPa，相比之下，吊架、顶板和设备舱裙板处的等效应力很小，基本可以忽略。

图6 设备舱整体等效应力分布

（2）垂向加速度为1 g，同时对底板施加-3 kPa 外载荷，对裙板和端板施加-2 kPa 外载荷，如图7 所示。

图7 外载荷及约束

设备舱整体的等效应力分布如图8 所示，等效应力主要集中在竖向支架、底板横梁、支撑槽和端板组成等部件上，但是主要应力集中部位的应力值基本不超过80 MPa，相比之下，设备舱裙板、底板处具有较小的等效应力，最大不超过15 MPa；梯形支架连接处的等效应力很小，基本可以忽略。

图8 设备舱整体等效应力分布

3.2 疲劳强度验证

如图9 所示，寿命云图之所以呈现全部红色，是因为受到赋予各部件材料属性的限制，准确来说是受到材料的S-N 曲线及应力寿命曲线的限制。WORKBENCH 材料库中以上材料的S-N 曲线的循环次数最值只达到1×108，因此仿真计算时当部件的寿命达到1×108循环次数时就会自动终止。因此，计算结果显示设备舱整体疲劳寿命全部维持在1×108循环次数以上，即在对设备舱施加1 000 Pa 载荷的情况下，各部件均能达到预期的1×107循环次数寿命。

图9 设备舱整体疲劳分析寿命云图

4 结束语

快速市域车设备舱的设计过程要考虑实际运营工况，在满足足够强度要求和冲击振动等要求的同时，满足车下设备的通风需求及检修维护需求。在本文所描述的设计基础上，要根据车辆的速度等级、车体结构和车下设备布置等设计输入条件进行适应性设计，并对新结构进行仿真计算，根据计算结果进行结构优化。