時(shí)速160公里智能市域動(dòng)車組司機(jī)室頭罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

武舒然，王會(huì)娟，閆宏芳，姚 皓，李學(xué)朋

（北京軌道交通技術(shù)裝備集團(tuán)有限公司，北京100071）

市域快軌交通，指的是大城市市域范圍內(nèi)的客運(yùn)軌道交通線路，服務(wù)于城市與郊區(qū)、中心城市與衛(wèi)星城、重點(diǎn)城鎮(zhèn)間等，服務(wù)范圍一般在100公里之內(nèi)，是介于城市軌道交通（地鐵、輕軌）和城際高速鐵路之間的新型運(yùn)輸模式。市域快軌多應(yīng)用于大城市近遠(yuǎn)郊通勤線路、串聯(lián)城市各組團(tuán)線路、機(jī)場(chǎng)線。上海、廣州是最早推廣市域快軌的軌道交通城市，而北京新機(jī)場(chǎng)線、平谷線，廣州18號(hào)線、22號(hào)線將成為速度目標(biāo)值最快的市域快軌，運(yùn)營(yíng)目標(biāo)時(shí)速達(dá)到160公里。

經(jīng)調(diào)研，時(shí)速160公里及以下速度車輛司機(jī)室頭罩都已經(jīng)采用復(fù)合材料來代替鋁合金或者不銹鋼車頭。復(fù)合材料由兩種或兩種以上異質(zhì)、異性、異形的材料在宏觀尺度上復(fù)合而成，是一種可改善原材料的強(qiáng)度、剛度、疲勞壽命、耐高溫性、耐腐蝕性、導(dǎo)電性等性能的新型材料。復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用，除實(shí)現(xiàn)輕量化外，還能降低成本，改善工藝性，增加美感等，具有很高的使用價(jià)值[1]。一般高速車輛的頭罩均為流線型大曲面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，下方設(shè)導(dǎo)流罩，優(yōu)化外形有助于減小空氣阻力，進(jìn)而減少車輛能耗。

時(shí)速160公里智能市域動(dòng)車組司機(jī)室頭罩根據(jù)動(dòng)車組技術(shù)條件的要求，以GB/T6769-2000《機(jī)車司機(jī)室布置規(guī)則》和UIC651-2002《機(jī)車、動(dòng)車、動(dòng)車組和帶司機(jī)室客車的司機(jī)室結(jié)構(gòu)》及T/CCES 2-2017《市域快速軌道交通設(shè)計(jì)規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]。司機(jī)室頭罩即位于車輛外部前端的整體承載結(jié)構(gòu)，屬于車輛關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)好壞將直接影響到車輛運(yùn)行安全性及可靠性。

1 頭罩材料選型

根據(jù)前期的運(yùn)行工況仿真及分析，頭罩表面須承受±3000Pa表面壓力，這要求司機(jī)室玻璃鋼頭罩必須有助于承擔(dān)在運(yùn)營(yíng)條件下，如列車交會(huì)壓力沖擊、振動(dòng)、瞬態(tài)壓力變化、扭曲變形造成的應(yīng)力和應(yīng)變，而且風(fēng)擋玻璃外框必須有足夠剛性，不會(huì)在正常條件下在其邊緣處產(chǎn)生變形。同時(shí)頭罩的前部區(qū)域必須能承受鳥、石頭、從經(jīng)過列車飛出的物體等影響。尤其是它必須通過飛彈試驗(yàn)（按UIC651標(biāo)準(zhǔn)附錄C執(zhí)行），即1.0kg的鋁彈沖擊體以Vmax+160km/h的速度沖擊試樣，試樣不穿透、不脫框。

軌道車輛帶有司機(jī)室的一般都是頭車，司機(jī)室部分屬于車體加長(zhǎng)的部分，而車輛定距不變，這樣帶有司機(jī)室的一端就比另一端長(zhǎng)，重量較重，不利于車輛的重量平衡設(shè)計(jì)[3]。

經(jīng)過前期調(diào)研，在傳統(tǒng)城軌車輛設(shè)計(jì)中，多采用純玻璃鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。玻璃鋼（即玻璃纖維增強(qiáng)塑料，簡(jiǎn)稱FRP），以樹脂為基體，以玻璃纖維為增強(qiáng)體的復(fù)合材料，密度介于1.8～2.0g/cm3，比鋁的密度輕1/3，但機(jī)械強(qiáng)度卻很高[4]，其主要材料性能如下：

針對(duì)應(yīng)用需求，司機(jī)室頭罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要保證整體的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)需綜合考慮隔音隔熱性能及輕量化要求，材料選型及鋪層設(shè)計(jì)要充分論證。過程中通過制作不同樣板進(jìn)行多次驗(yàn)證，最終司機(jī)室頭罩采用玻璃鋼三明治夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)，總厚度為30mm。在前方區(qū)域，結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋪設(shè)芳綸纖維以滿足飛彈沖擊，起到保護(hù)司機(jī)的作用，尤其在前擋風(fēng)玻璃周圍進(jìn)行加強(qiáng)，以能夠承擔(dān)氣動(dòng)壓力造成的沖擊；在側(cè)面區(qū)域進(jìn)行局部夾心切割，保留寬度70mm的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，達(dá)到減重效果的同時(shí)保證頭罩剛度，底部裙板同樣采用10mm夾芯結(jié)構(gòu)，來控制風(fēng)壓下的變形。

2 頭罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

司機(jī)室玻璃鋼頭罩需保證強(qiáng)度足夠，結(jié)構(gòu)安裝牢固、穩(wěn)定，無異響，能為司機(jī)室提供穩(wěn)定、安全的駕駛環(huán)境，并滿足司機(jī)室設(shè)備的安裝要求。

頭車設(shè)前端固定式艙門。艙門固定在司機(jī)室外殼時(shí)，與司機(jī)室外殼形成密閉結(jié)構(gòu)，并形成圓滑光順曲面，使頭車前端具有良好的空氣動(dòng)力學(xué)外形。前端固定式艙門采用手動(dòng)打開的方式，艙門從司機(jī)室頭罩上移除后，車輛其他零部件不影響前端車鉤的聯(lián)掛和車輛的運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組回送及救援。

頭罩四周與車體骨架設(shè)計(jì)機(jī)械連接點(diǎn)，并打膠密封，保證整個(gè)司機(jī)室氣密性。頭罩上裝有前擋風(fēng)玻璃、側(cè)窗玻璃、前照燈、雨刷器、終點(diǎn)站顯示器、天線等部件。

2.1 頭罩與車體的機(jī)械接口設(shè)計(jì)

司機(jī)室頭罩位于車輛外部，除金屬頭罩與車體部分直接焊接在一起之外，復(fù)合材料頭罩均需要通過螺栓連接等方式安裝在車體骨架上，并保證能夠有一定調(diào)整量，能夠適應(yīng)工藝制造公差以及安裝誤差。

在時(shí)速160公里市域車項(xiàng)目中，頭罩設(shè)計(jì)為流線外形，尺寸為長(zhǎng)4.3m、寬3.3m、高3.0m，在布置安裝點(diǎn)的時(shí)候需要進(jìn)行全面分析。除整體的膠粘結(jié)構(gòu)，頭罩與車體骨架設(shè)計(jì)有24處，保證頭罩在前端、側(cè)面、底端均有螺栓固定點(diǎn)，左右對(duì)稱，防止頭罩偏重及不均勻受力引起的位置偏移，起到穩(wěn)固作用。

固定式艙門直接固定在頭罩上，需要滿足方便安裝及拆卸的要求。采用的方式是頭罩內(nèi)部設(shè)不銹鋼支架，支架內(nèi)部焊接帶有螺母的盒子，艙門上設(shè)圓柱鎖（也可稱為裙板鎖）來找中固定。固定式艙門處的操作示意圖如圖1所示。

圖1 艙門拆卸示意圖

由于考慮到安裝及拆卸需盡量減少現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)人員的工作量，所以在艙門與頭罩之間有設(shè)計(jì)吊掛結(jié)構(gòu)。頭罩上預(yù)埋支撐架，現(xiàn)場(chǎng)人員在安裝時(shí)可以先將艙門吊掛在該支撐架上，再去用裙板鎖固定，拆卸時(shí)反過來即可。為保證美觀，在鎖的外表面增加扣蓋。

2.2 氣密性設(shè)計(jì)

車輛設(shè)計(jì)中有很高的氣密性要求，參考T/CCES 2《市域快速軌道交通設(shè)計(jì)規(guī)范》，要求列車整車動(dòng)態(tài)密封指數(shù)τ＞6s。司機(jī)室部分最主要的是保證頭罩與車體之間的密封，形式就是在設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留膠縫，實(shí)際安裝定位之后填補(bǔ)彈性密封膠，既能起到粘接作用也能起到密封作用。頭罩外部與車體之間一般會(huì)有密封膠，同樣是為了保證美觀。

由于車體骨架的形式特殊性，頭罩的密封設(shè)計(jì)存在難點(diǎn)，在底部無法實(shí)現(xiàn)打膠，所以整個(gè)密封面的設(shè)計(jì)取在中間部分，必須保證膠縫連續(xù)，局部示意圖如圖2所示。

圖2 局部打膠示意圖

在安裝過程中局部打膠略有困難，普通膠槍無法深入，故借用軟膠管來實(shí)現(xiàn)膠嘴的延長(zhǎng)，相關(guān)工具示意圖如圖3所示。

圖3 打膠工具示意圖

2.3 與其他系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)

頭罩設(shè)計(jì)有很多其他系統(tǒng)接口，由于頭罩是玻璃鋼結(jié)構(gòu)，為維持完整的流線型外形，大多數(shù)的接口是頭罩做翻邊，其他零部件一般是直接膠粘或者螺栓鉚螺母方式固定，保證安全性和可靠性。

3 結(jié)構(gòu)驗(yàn)證

3.1 仿真驗(yàn)證

在設(shè)計(jì)完成之后，對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真分析[5]，需驗(yàn)證強(qiáng)度及剛度要求：（1）司機(jī)室玻璃鋼頭罩與前端固定式艙門必須能夠承受列車以（160+10%）km/h的速度雙向運(yùn)行，并且壓力為±3000Pa時(shí)產(chǎn)生的空氣動(dòng)力學(xué)壓力和湍流。車頭主體無損壞，安裝座及內(nèi)部連接結(jié)構(gòu)物無破壞。（2）擋風(fēng)玻璃安裝接口在上述的載荷作用下，在最遠(yuǎn)點(diǎn)之間的擋風(fēng)玻璃開口的最大變形不應(yīng)該超過2mm，并且不對(duì)稱值不應(yīng)該超過±1.5mm，粘接面輪廓度≤1mm。

工況分析見表1：

表1

有限元模型：

根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)和尺寸建立有限元模型，司機(jī)室頭罩各部分均采用4節(jié)點(diǎn)薄殼單元進(jìn)行劃分。

約束條件：

截取的車身部分后端固支處理，壓力載荷施加在頭罩的外表面以及裙板的外表面。

仿真結(jié)果：

在3000Pa壓力作用下車頭的最大位移為4.88mm，位于開閉罩上，前擋風(fēng)玻璃開口位置最大位移為1.93mm，對(duì)角線位移為0.37mm，側(cè)擋風(fēng)玻璃最大位移為0.84mm，對(duì)角線位移為0.18mm，滿足位移小于2mm要求，結(jié)構(gòu)剛度滿足要求；金屬連接件最小安全系數(shù)為1.51，螺栓連接件最小安全系數(shù)為4.18，金屬件及連接件強(qiáng)度滿足要求；結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及振動(dòng)頻率滿足要求。

3.2 裝車驗(yàn)證

由于頭罩設(shè)計(jì)的特殊性，應(yīng)注意確定安裝順序、裝配基準(zhǔn)[6]，并在安裝過程中給出合理的現(xiàn)場(chǎng)處理方案。

（1）安裝順序

按照部件特點(diǎn)，確定以頭罩主體-固定式艙門-裙板的順序安裝。首先進(jìn)行機(jī)械連接點(diǎn)的固定，最后進(jìn)行密封膠填補(bǔ)。

本頭罩需從前向后安裝，實(shí)施頭罩整體吊裝（除艙門外，重量達(dá)430kg，需選用合適吊具以及吊裝點(diǎn)，確保不會(huì)造成結(jié)構(gòu)損壞；吊裝工具需保證表面光滑干凈，對(duì)頭罩表面無損壞）。

（2）裝配基準(zhǔn)

司機(jī)室與車體之間外部設(shè)置15mm打膠縫隙，作為縱向及垂向定位，同時(shí)車寬方向保證與車體對(duì)中。

（3）安裝調(diào)整

玻璃鋼產(chǎn)品相對(duì)來講屬于彈性材料，可以通過機(jī)械連接處的作用力來校正從而保證與車體匹配的輪廓，同時(shí)在發(fā)生安裝干涉的時(shí)候可以對(duì)玻璃鋼產(chǎn)品進(jìn)行打磨，或者局部填補(bǔ)結(jié)構(gòu)膠來彌補(bǔ)錯(cuò)臺(tái)。

3.3 運(yùn)行驗(yàn)證

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常需要經(jīng)過足夠長(zhǎng)運(yùn)營(yíng)時(shí)間的驗(yàn)證，時(shí)速160公里智能市域動(dòng)車組即將下線，將會(huì)接受時(shí)間的考驗(yàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

市域車頭罩設(shè)計(jì)過程要考慮實(shí)際運(yùn)營(yíng)工況，滿足足夠強(qiáng)度及剛度，并為其他部件提供安裝接口。在經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，要根據(jù)實(shí)際情形做針對(duì)性設(shè)計(jì)，并對(duì)新結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算，使其不斷優(yōu)化。在后續(xù)的設(shè)計(jì)中將會(huì)有更多未知問題，應(yīng)該持續(xù)優(yōu)化，讓車輛更輕、更穩(wěn)、更舒適。