一種軌道列車車頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

王國靜

(中車唐山機(jī)車車輛有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心 河北 唐山 063035)

目前我國城市軌道交通處于一個(gè)快速發(fā)展時(shí)期。以氫燃料電池為動(dòng)力的城市軌道交通車輛，以其特有的零排放、無污染、低噪聲、能源可再生、轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)勢成為新時(shí)代城市交通發(fā)展的亮點(diǎn)，不僅解決了常規(guī)有軌電車需架設(shè)接觸網(wǎng)、普通儲(chǔ)能式有軌電車?yán)m(xù)航里程短等“瓶頸”問題，而且車載氫燃料電池能量密度高，整個(gè)反應(yīng)過程最高溫度不超過100 ℃，不產(chǎn)生氮氧化合物，唯一產(chǎn)物是水，做到了真正意義上的“無污染、零排放”環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。

氫燃料混合動(dòng)力100%低地板現(xiàn)代有軌電車最大的特點(diǎn)就是將電氣大型設(shè)備安裝到車頂上，使車體底架最大化地實(shí)現(xiàn)低地板[1]。電氣大型設(shè)備的轉(zhuǎn)移，對(duì)車頂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了較高的要求，主要涉及到氫燃料混合動(dòng)力100%低地板現(xiàn)代有軌電車在減輕自身質(zhì)量且滿足強(qiáng)度要求的情況下實(shí)現(xiàn)大型設(shè)備的安裝，這不僅要合理布置設(shè)備，還要對(duì)車頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理化的設(shè)計(jì)。

1 車頂結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 車頂結(jié)構(gòu)組成

圖1 車頂斷面示意圖

氫燃料混合動(dòng)力100%低地板現(xiàn)代有軌電車車頂結(jié)構(gòu)主要由車頂邊梁左、車頂邊梁右、車頂中頂焊接組成和車頂端梁焊接而成(見圖1)。

車頂中頂焊接組成由車頂板型材1、車頂板型材2、車頂板型材3組焊而成。車頂中頂焊接組成表面呈一個(gè)低圓弧頂，在下雨的時(shí)候雨水沿著圓弧表面流到車頂邊梁處，沿著端部排水槽排出車頂，避免了電纜、接地座等電氣設(shè)備在雨水中被長時(shí)間浸泡的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 車頂板型材特點(diǎn)

車頂板共有3種型材，其中車頂板型材3設(shè)計(jì)成帶有水平面結(jié)構(gòu)形式并通過型材擠壓成型的C型槽，用于安裝空調(diào)和內(nèi)裝二次骨架等設(shè)備；這種型材自帶的擠壓C型槽，縱向通長排布，使空調(diào)及內(nèi)裝二次骨架的安裝能更加靈活。車頂板型材3在左端部厚度設(shè)計(jì)成70 mm，利于與車頂邊梁進(jìn)行搭接，同時(shí)滿足車頂?shù)氖芰π枨?；其右端部厚度設(shè)計(jì)成25 mm，便于與車頂板型材2進(jìn)行插接。車頂板型材3這種變截面的設(shè)計(jì)能夠有效實(shí)現(xiàn)車頂?shù)氖芰?，并?shí)現(xiàn)輕量化，如圖2所示。

圖2 車頂板型材3斷面及安裝空調(diào)示意圖

車頂板型材1和車頂板型材2整體呈弧線設(shè)計(jì)，這兩個(gè)部件基本不受力，在設(shè)計(jì)型材斷面時(shí)采用了薄壁大斷面的鋁型材，兩型材間采用插接結(jié)構(gòu)形式，并在型材設(shè)計(jì)之初帶有焊接襯板，這種型材自帶焊接襯板的結(jié)構(gòu)焊接性能更好(見圖3)。其型材厚度設(shè)計(jì)成25 mm，并采用矩形型腔形式，能夠有效實(shí)現(xiàn)車頂輕量化。

圖3 車頂板型材1和型材2

1.3 車頂邊梁特點(diǎn)

車頂邊梁是車頂?shù)闹饕芰Σ考?，需要安裝車門和車頂裙板等設(shè)備。車頂邊梁型腔設(shè)計(jì)成三角形和梯形，三角形型腔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、變形小，對(duì)車門和車頂裙板的安裝強(qiáng)度有一定的保障。同時(shí)在與車頂板型材3連接處采取搭接的接頭形式，便于車頂大部件的組裝和調(diào)整車頂?shù)膶挾取＼図斶吜号c車頂板型材3連接部分厚度設(shè)計(jì)成70 mm，保證與車頂板型材3的連接，并確保車頂邊梁與車頂板型材3整體受力；同時(shí)將車頂邊梁型材C型槽部位進(jìn)行局部加厚，以滿足設(shè)備的受力和安裝需求，如圖4所示。

圖4 車頂邊梁型材斷面及邊梁安裝設(shè)備示意圖

2 車頂材料

該軌道列車的車頂采用鋁合金型材，其強(qiáng)度滿足EN 755-2標(biāo)準(zhǔn)，熱處理滿足DIN EN515標(biāo)準(zhǔn)。鋁合金板材采用EN AW-5083-H111，滿足EN 485-2標(biāo)準(zhǔn)。車頂部件的材料清單如表1所示。

表1 車頂主要部件材料清單

3 車頂結(jié)構(gòu)有限元分析

通過車體的強(qiáng)度仿真計(jì)算，研究了車體的強(qiáng)度和剛度。計(jì)算結(jié)果表明車體設(shè)計(jì)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求(見圖5)，也證明了此氫燃料混合動(dòng)力100%低地板現(xiàn)

圖5 AW3作用下車體的應(yīng)力和位移云圖

代有軌電車車頂結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度能夠滿足車頂設(shè)備載重的強(qiáng)度和剛度要求，并符合標(biāo)準(zhǔn)EN 12663-1：2010《鐵路應(yīng)用——鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求》。

4 結(jié)束語

氫燃料混合動(dòng)力100%低地板現(xiàn)代有軌電車車頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以安全、可靠和輕量化為核心理念，采用大斷面鋁合金擠壓型材和板材焊接而成， 滿足空調(diào)的安裝、檢修和維護(hù)，更主要的是實(shí)現(xiàn)了超級(jí)電容等較大電氣設(shè)備的安裝和載重要求。此氫燃料混合動(dòng)力100%低地板現(xiàn)代有軌電車車頂質(zhì)量較輕、強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)簡單，采取數(shù)量少的大斷面擠壓鋁合金型材種類，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度要求。通過車體強(qiáng)度和剛度的仿真計(jì)算，驗(yàn)證了此氫燃料混合動(dòng)力100%低地板現(xiàn)代有軌電車車頂結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。