摘要：在分析某项目动车组车体端部结构的基础上,对动车组车体结构中核心承力部件一端 部结构进行改进设计,以确保其具有更高的设计安全余量,承受更大载荷及适应更高速度要求。
关键词：动车车体；端部结构；铝合金
引言
动车组车体结构设计按照标准EN 12663 -1 ;2010,按照此标准规定，动车组属于PII类别，车体静强度拉压载荷要求满足:压缩1500 kN,拉伸1000 kN。车体主要包括顶盖、侧墙、端墙、底架和司机室五个部分。端部结构作为底架的主要组成部分，是轨道车辆的核心承载部分,其作用主要是传递列车运营过程中的牵引和制动力,承载车体垂向载荷并连接转向架和车钩。因此,其设计的可靠性直接关系到整车运行的安全性。为进一步提高设计安全余量,需在某项目动车车体端部结构的基础上进行改进设计。因此，本文将主要介绍动车组车体底架端部结构改进设计。同时根据轻最化设计要求,本文中端部结构采用比强度高.易于成型的铝合金材料。
1.动车主要结构介绍
1.1端部结构
端部结构由牵引梁、缓冲梁、枕梁等部件组成，是底架的关键结构，主要承载纵向力的拉压力和垂向压力。
牵引梁是安装车钩的部件，由型材和板材焊接的而成，车钩安装板为挤压型材，一端用八字加强筋板与端梁连接，另一端与缓冲梁连接。车钩的拉压载荷大，对牵引梁的垂直度和平面度要求更严格。为保证牵引梁的垂直度和平面度，在设计时留加工余量，组焊后再对牵引梁车钩安装板两个面进行机加工。
缓冲梁位于牵引梁和枕梁之间，主要传递拉压力。因轨距为米轨，轮对活动区域间距比国内产品小的多,缓冲梁结构在宽度结构上不同于国内地铁结构，所以缓冲梁宽度设计的比较窄。按照常规项目的端部结构设计经验，减小缓冲梁的宽度，并根据转向架车轮空间需要，把缓冲梁盖板及立板部分材料切除，达到不与转向架千涉的效果的条件下，设计出多种方案进行计算分析，无法满足强度要求。后通过把长地板在缓冲梁处挖映后抬高缓冲梁，最大限度的增大了缓冲梁的高度尺寸,增强了抗拉压的能力,即将缓冲梁部分高度嵌人地板内，该方案顺利通过了强度计算。为了增加端部结构的强度和不影响其他的功能，将枕梁也加高，且仅将与缓冲梁连接的枕梁型材加高，部分高度嵌人地板内。
1.2 I端端部结构
I端端部结构与II端端部结构相似，因车钩高度的不同、限界的限制、排障设备的安装等其他的功能需求，其结构也有所不同。为满足底架排障器的安装和车钩托架的安装，在端部前端采用多件带C型槽的型材梁焊接，结构简单还能保证强度要求。I端车钩较I端车钩距轨面高，为避免车钩在正常活动范围情况下与端部横梁干涉，在设计时将端部横梁开缺口。
1.3长地板
长地板是由6块中空挤压型材组焊而成，与边梁、缓冲梁连接采
取搭接方式。组焊后的底架地板上部为一个平面，下部为型材自带C型槽，用于安装设备、管路、电气线槽或支撑架等。长地板中空结构为电气线路提供布线空间，长地板上布局多处分线盒，用来进出电气线路，很好的保护线路，也便于底架各设备线路的布局。车体底架下部悬挂设备多且重，特别是主变压器和主变流器重近3吨，在超载状态下，很可能导致地板垂向变形很大，设计时在底架底部布置多组横梁有效地提高底架的垂向刚度。
1.4边梁
边梁是传递纵向力和垂向力的重要部件。为了提高垂向刚度，在设计时增大边梁型材断面，合理布置了型材断面的连接筋。限界的需求，边梁采取2段型材拼接，头部为折弯型材，向内收缩3°，尾部为通长型材，两段边梁中间用过渡板连接。边梁截面的设计考虑到门角处在超载工况下应力比较大，所有门]角的设计采用独立门]角,特别是端部孔洞的的位置，将应力比较大的角部分结构嵌人到边梁内，即将应力较大的位置由焊缝转移到母材上。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
1.5材料的选取及焊接
底架型材材质主要为EN AW6005, 其中牵引梁型材材质为ENAW6082;板材材质主要为EN AW6082, 折弯件采用EN AW5083。另外边梁连接过渡板通过类似结构的方案的分析对比和工艺分析，材质选用EN AW6082的挤压型材。焊接按照EN 15085标准执行，对于端部结构、端部结构与底架及其他关键焊缝按照焊缝质量等级不低于CPB,检验等级不低于CT2的标准来执行。
2.强度计算
按照技术合同及相关技术标准，车体设计载荷主要采取欧洲标谁EN 12663- -2000。 用ANSYS Mutiphysics 静强度分析模块对车体的结构进行了仿真计算。通过分析验证,所有计算工况都满足设计标准和技术规格书的要求。以下是与底架相关的几个极限载荷工况:
（1）最大运营承载时，底架边梁相对于无重力状态最大垂向位移6.2mm,满足GB/T 7928- -2003地铁 车辆通用技术条件中的要求:在最大垂直载荷作用下车体静挠度不超过两转向架支撑点之间距离的1%o,两转向架支撑点之间距离15800,满足要求;
（2）车钩处纵向压缩力1500KN (AW3状态下)，门角处出现最大应力为185.4MPa,小于母材许用应力260 MPa;
（3）车钩处纵向压缩加1500KN (AW3状态下)，底架结构中最危险点发生在缓冲梁与牵弓|梁的焊缝处，最大应力为87.2MPa,小于焊缝的许用应力104MPa;
（4）车钩处纵向拉伸力1000KN (AW3状态下)，底架结构中最危险点发生在缓冲梁与牵引梁的焊缝处，最大应力为57.9MPa,小于焊缝的许用应力104MPa。
3.车体底端主要设计优化内容
3.1车钩安装结构优化
目前底架前端车钩高度比以往项目高，尤其是头车I位端，高度为1000mm,按照以往项目设计方案，车钩安装与底架地板干涉。为解决该问题，并避免结构上较大的变化，采用一种新型的型材断面，在原有型材断面上增加一个型腔，将螺栓的后置安装更改为在型材内安装，并将前端横梁设计也做了优化，将横梁断面上部加高到地板面上部，并将地板面下部挖孔，确保车钩活动空间，该方案有效地解决了车钩高度高的问题，也避免了司机室骨架的密集焊缝结构。
3.2底架边梁拼接结构优化
车辆前端设计不仅要考虑美观，还要充分考虑生产制造成本，车头采用包边梁的玻璃钢头罩结构，这种结构需要头罩处边梁与客室处边梁有一个台阶，确保头罩安装后能与侧墙平齐。这需要边梁分为两部分，为了便于连接，在边梁拼接处采用过渡板连接。在该处也是司机室门立柱焊接位置，在该位置焊缝较多，容易出现焊接缺陷，影响车辆安全。为解决该问题，将过渡板加长，伸到司机室门立柱区域，尺寸大于50mm，以避免焊缝重叠及减少焊缝集中，减少焊缝缺陷的产生。另外，板厚方向的两侧都有焊缝，为避免因板材缺陷，在焊缝收缩后板材开裂，在该处采用挤压板材。
4.结语
对端部结构进行了改进设计,在此过程中得出了以下结论：（1）考虑到传统缓冲梁应力集中处与焊缝重合而制约了端部结构承受更大载荷，因此本文中创造性地采用型材代替缓冲梁下盖板以避免应力集中处与焊缝重合的不足，从而大幅度提高端部结构的承载性能。（2）缓冲梁下型材采用弯曲成型，在提高其力学性能的同时，简化了加工工艺。
参考文献
[1] 铁路应用-轨道机车车辆以及轨道机车车辆部件的焊接(EN 15085) [S].
[2]铁路应用铁路车身的结构要求(EN12663-2010)[S].
[3] 机车车辆动力学性能台架试验方法(TB/T 3115- 2005)[S].
论文作者:付一娜,张阳,石守东
论文发表刊物:《基层建设》2018年第33期
论文发表时间:2018/12/25
标签：底架论文; 车钩论文; 结构论文; 车体论文; 型材论文; 载荷论文; 应力论文; 《基层建设》2018年第33期论文;