地鐵列車車輛的骨架結(jié)構(gòu)形式和尺寸參數(shù)的確定計(jì)算案例目錄TOC\o"1-3"\h\u25189地鐵列車車輛的骨架結(jié)構(gòu)形式和尺寸參數(shù)的確定計(jì)算案例 1319851.1骨架設(shè)計(jì)依據(jù) 1138911.2骨架設(shè)計(jì)原則 2122521.3車體骨架材料 3207541.4骨架結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì) 518871.4.1車體鋼結(jié)構(gòu)總體及參數(shù) 527791.4.2車體鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及各部分之間的連接方式 5288481.4.3車體鋼結(jié)構(gòu)骨架設(shè)計(jì) 61.1骨架設(shè)計(jì)依據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)：車軸數(shù)4軸車輛長度19000mm車輛寬度2800mm車輛高度3800mm車廂地板高度1100mm車門對數(shù)4對車門寬度1300—1400mm轉(zhuǎn)向架中心距12600mm固定軸距2000—2300最大速度80—100km/h旅行速度35—40km/h軌距1435mm額定電壓DC1500V/DC750V供電方式第三軌（接觸軌）、接觸網(wǎng)帶司機(jī)室車輛定員230人（超員327人）無司機(jī)室車輛定員250人（超員352人）表1.1B型地鐵列車設(shè)計(jì)參數(shù)1.2骨架設(shè)計(jì)原則B型地鐵列車車體采用薄壁筒形整體承載結(jié)構(gòu)，主要包括車頂、底架、側(cè)墻、端墻。由于不銹鋼導(dǎo)熱率很小，發(fā)生熱應(yīng)變較大，熱膨脹系數(shù)是鋼的1.5倍，熱傳導(dǎo)率僅為鋼的三分之一；電阻率大，是碳鋼的5倍，所以焊接工藝相對復(fù)雜。正是由于不銹鋼材料的這些熱物理性能，決定了不銹鋼車體的焊接工藝主要采用電阻點(diǎn)焊。本文以不銹鋼車體中間車為研究對象進(jìn)行研究，該車型沒有司機(jī)室，車體結(jié)構(gòu)完全對稱。為降低不銹鋼車輛車體自重，其本身采用的就是比碳鋼車材料更薄的不銹鋼材料。側(cè)墻板和車頂側(cè)頂板厚度只有1.5mm，不銹鋼車體對側(cè)墻板外表面的平整度要求較高。波紋頂板和波紋地板結(jié)構(gòu)也需要承載一定的重量，因此要求其具體一定的剛度，為了減重的需要，其厚度也只有0.6mm。為保證側(cè)墻有足夠的剛度和承載能力，在焊接側(cè)墻骨架如側(cè)墻立柱與上邊梁、底架時，通常采用滿焊方式。在不易實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊或需要傳遞較大載荷的部位，不影響美觀情況下采用環(huán)焊和塞焊，這樣可以降低熱影響，提高車體強(qiáng)度。車體底架牽枕緩部位需要保證有足夠的強(qiáng)度，能夠順利傳遞牽引與壓縮載荷，該位置一般采用滿焊工藝。不銹鋼車體的強(qiáng)度和剛度主要由車體鋼骨架提供。車體的整個傳力過程是由底架、車頂邊梁、彎梁以及各種橫梁和立柱等直接受力的骨架結(jié)構(gòu)傳遞到波紋板等薄板結(jié)構(gòu)，整個傳力系統(tǒng)構(gòu)成了比較穩(wěn)定的殼體承載結(jié)構(gòu)。車體結(jié)構(gòu)所承受的主要載荷為軸向力，這些力主要由各種梁、柱構(gòu)件承擔(dān)，而蒙皮結(jié)構(gòu)如波紋板等主要承受剪切力。為了使車體骨架具有足夠的剛度，板材或帶材事先加工成具有一定截面形狀的梁或柱狀結(jié)構(gòu)，各個骨架通過帶孔的連接板焊接在一起，與外板構(gòu)成箱型結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)對抗扭曲及橫向載荷非常有效。整個骨架分為前后端墻、左右側(cè)墻、底架和車頂六大部分。前后端墻——列車前后車體的骨架，上設(shè)有通道門，連通兩節(jié)相鄰的車體，供乘客通過。左右側(cè)墻——列車的左右側(cè)面車體的骨架，供安裝車窗、車門等。特點(diǎn)：按結(jié)構(gòu)需要必須開設(shè)車門、車窗等；主要承受彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷。要求：保證車體功能性，保證足夠強(qiáng)度和剛度。底架——主要受力部分，為乘客提供站立地點(diǎn)車頂——車體上部的骨架，將前后端墻、左右側(cè)墻連在一起構(gòu)成封閉結(jié)構(gòu)。同時，供安裝空調(diào)設(shè)備、循環(huán)設(shè)備、燈具、扶手等附件。車頂?shù)奶攸c(diǎn)：1.連接側(cè)墻與端墻一起工作。1.車身受扭時，車頂主要以剪切變形為主。3.具有空調(diào)設(shè)備、循環(huán)設(shè)備、燈具、扶手等安裝預(yù)留。重視頂橫梁的弧度。在其它條件不變時：適當(dāng)?shù)幕《瓤梢愿淖冘圀w橫斷面的扭心高度，降低車頂蒙皮所受到的剪力流，從而降低窗立柱彎矩；但弧度過大會使頂蓋的水平抗剪剛度減小。1.3車體骨架材料車體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度剛度關(guān)系到運(yùn)行安全，材料的耐腐蝕性能關(guān)系到車輛表面保護(hù)裝飾，影響車輛外觀、檢修等，車體重量關(guān)系車輛能耗、加減速度、載客能力、壽命等，以上這些都關(guān)系到地鐵車輛運(yùn)營質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。因此車體選材是車體設(shè)計(jì)前必須進(jìn)行的一項(xiàng)工作。通常當(dāng)車體實(shí)現(xiàn)輕量化時，其剛度會出現(xiàn)降低的趨勢。想要增加剛度，設(shè)計(jì)上就要加大板厚，必然會增加車體質(zhì)量，因此設(shè)計(jì)時必須平衡這種矛盾，選用經(jīng)濟(jì)可靠的材料組裝成車體結(jié)構(gòu).考慮到車輛的運(yùn)營環(huán)境和載客條件，我們要求構(gòu)成車體的材料必須具備以下特性：具有高強(qiáng)度剛度、耐腐蝕、耐老化、重量輕、抗振耐光照等。目前，地鐵車輛車體材料大致有普通鋼、不銹鋼和鋁合金三種。最初，人們采用普通鋼作為車體材料，運(yùn)用后，發(fā)現(xiàn)普通鋼車體存在重量過大、強(qiáng)度不夠高、不耐腐蝕、使用壽命短等缺點(diǎn)，后來人們開始用新材料取代普通鋼車體。不銹鋼是一種含鎳鉻的高強(qiáng)度合金鋼，其強(qiáng)度比普通鋼高一倍多，特別是輕化不銹鋼的強(qiáng)度可達(dá)到普通鋼的三倍，可使車體輕量化。不銹鋼車體有良好的耐腐蝕性，既能延長車輛使用壽命，又大大低了維修和保養(yǎng)的費(fèi)用。鋁合金車體也具有較好的耐腐蝕性，但不銹鋼車體的耐腐蝕性比鋁合金車體更優(yōu)越。耐熱性能方面，由于鋁的熔點(diǎn)低于不銹鋼，故耐熱性較差，不銹鋼車體具有更好的安全性。由于鋁的密度遠(yuǎn)小于鋼，從理論上，鋁合金材料更能使車輛輕量化，但是鋁合金的抗拉強(qiáng)度不如不銹鋼，而且鋁合金剛度低，為保證車體具有足夠的承載強(qiáng)度和剛度，鋁合金車體承載必須采用大型中空型材及其組合件，并且加大板厚和加大車體端面。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，地鐵車輛耐候鋼車體自重約十噸左右，不銹鋼車體自重七、八噸，鋁合金車體自重約五、六噸，可見鋁合金車體輕量化效果優(yōu)于不銹鋼。自重輕，鋁合金車體的能耗也相對于不銹鋼車體要不。制造工藝方面，不銹鋼車體不需進(jìn)行涂漆防腐保護(hù)和涂漆工序，但大部分鋁合金車體都需要涂漆。經(jīng)濟(jì)性方面分析，近年來，鋁合金車的平均采購價格高于不銹鋼車，維修費(fèi)用方面則是不銹鋼車體最好?；谏鲜龇治?，綜合考慮成本、壽命、維護(hù)等多方面因素，地鐵車輛車體材料采用車輛專用奧氏體不銹鋼SUS301L、SUS304系列，它具有優(yōu)良的耐腐蝕性、強(qiáng)度高、硬度適中，擁有適用于沖壓彎曲的高加工性能和作為結(jié)構(gòu)部件組裝所需的優(yōu)良焊接性。薄壁桿件的截面形狀對其截面特性有很大的影響，與剛度有關(guān)的截面特性是彎曲慣性矩和扭轉(zhuǎn)慣性矩等。薄壁桿件的截面形狀可分為閉口和開口兩類，它們的截面特性有較大的差別。在材料面積和壁厚保持不變的情況下，閉口截面的抗彎性能稍次于開口截面，但閉口截面的扭轉(zhuǎn)慣性矩要比開口截面大得多了。因此，從提高整個車體和構(gòu)件的扭轉(zhuǎn)剛度出發(fā)，宜多采用閉口截面，但是還需要考慮構(gòu)成截面的其他因素，如結(jié)構(gòu)功能、配合關(guān)系以及制造工藝等等。另外考慮到冷彎型鋼具有截面經(jīng)濟(jì)合理，節(jié)省材料。冷彎型鋼的截面形狀可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)合理，單位重量的截面系數(shù)高于熱軋型鋼。在同樣負(fù)荷下，可減輕構(gòu)件重量，節(jié)約材料。冷彎型鋼用于建筑結(jié)構(gòu)可比熱軋型鋼節(jié)約金屬38-50%，用于農(nóng)業(yè)機(jī)械和車輛可節(jié)約金屬15-60%。具有方便施工，降低綜合費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)。在本設(shè)計(jì)中，底架選用結(jié)構(gòu)用冷彎矩形空心型鋼（以下簡稱冷彎矩形空心型鋼）50*40*1.5/SUS304、50*40*1.5/SUS304與SUS301L（MT）；端墻選用冷彎矩形空心型鋼50*30*1.5/SUS304、50*30*1.75/SUS304、50*30*2/SUS304、50*30*1.5/SUS304；側(cè)墻選用冷彎矩形空心型鋼40*30*1.5/SUS304、40*30*1.75/SUS304、40*30*2/SUS304、40*30*1.5/SUS304；車頂選用冷彎矩形空心型鋼30*20*1.5/SUS304、30*20*1.75/SUS304、30*20*2/SUS304與SUS301L（CMT）。1.4骨架結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)1.4.1車體鋼結(jié)構(gòu)總體及參數(shù)車體結(jié)構(gòu)：車體是車輛的基礎(chǔ)，是車輛最重要也是最基本的組成部件之一。通常說來，城市軌道車輛，不論地鐵還是輕軌、低地板、有軌電車，車體結(jié)構(gòu)都是由底架結(jié)構(gòu)、車頂結(jié)構(gòu)、側(cè)墻結(jié)構(gòu)及端墻結(jié)構(gòu)四個部分組成的。車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須考慮全面，因?yàn)檐圀w要承受靜、動載荷、各種沖擊、振動，保證車輛運(yùn)輸安全，要滿足構(gòu)造速度運(yùn)行的要求。除此之外，還要滿足減振、隔熱、防火性能、密封等要求，能夠在架車、起吊、救援、調(diào)車、連掛、多車編組回送、事故狀態(tài)等各種工況下滿足車輛的各種需求。地鐵車輛車體采用輕量化設(shè)計(jì)，是典型的薄壁筒型整體承載的點(diǎn)焊傳力結(jié)構(gòu)。即：給車體施加外部載荷后，通過數(shù)萬焊點(diǎn)將力傳遞到車體各個部分，車體各處因此產(chǎn)生應(yīng)力與變形。車體的主體結(jié)構(gòu)由幾大部分組焊而成，分別是底架、左右側(cè)墻、端墻、車頂。B型地鐵列車車體鋼結(jié)構(gòu)長寬高分別為1900mm，2800mm，2700mm。圖1.1車體鋼結(jié)構(gòu)裝配建模1.4.2車體鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及各部分之間的連接方式在車體結(jié)構(gòu)方面，合理配置和選擇斷面參數(shù)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)力求減少材料用量，有利于車體輕量化。不銹鋼材料的沖壓性能是衡量不銹鋼在車體上應(yīng)用的重要指標(biāo)，而其熱物理性能決定了盡量采用點(diǎn)焊的焊接方式。輕量化不銹鋼車體結(jié)構(gòu)具有如下特點(diǎn)：1.采用外板加骨架的結(jié)構(gòu)。軸向力由柱、梁承載和傳遞，剪切力由外板、車頂板、地板等承載和傳遞。骨架根據(jù)不同部位使用不同規(guī)格的冷彎矩形空心型鋼，與外板組合焊接后形成箱型截面，可以有效對抗扭曲，更好傳遞載荷，避免了開口截面加載后扭曲變形問題。1.便于點(diǎn)焊作業(yè)的骨架連接方式，骨架之間采用專門的連接板連接，盡可能消除角焊、對接焊等焊接變形較大的電弧焊結(jié)構(gòu)。3.采用冷滾壓成型的波紋頂板提升縱向垂向剛度，取消車頂縱梁。4.受力較大且點(diǎn)焊難以保證強(qiáng)度的部位，如端底架，采用角焊、對接焊。圖1.2車體鋼結(jié)構(gòu)各部分之間連接方式1.4.3車體鋼結(jié)構(gòu)骨架設(shè)計(jì)1.底架裝配車體底架結(jié)構(gòu)主要由波紋地板、不銹鋼橫梁、不銹鋼縱梁、不銹鋼底架邊梁等組成。波紋地板選用標(biāo)準(zhǔn)的型材斷面，材料為SUS301L（MT），板厚為0.6mm；考慮到需要承受較大的載荷顧不銹鋼橫梁、不銹鋼縱梁采用冷彎矩形空心型鋼50*40*1.5/SUS304；不銹鋼底架邊梁是承受最大載荷的構(gòu)件顧采用冷彎矩形空心型鋼50*40*1.5/SUS304。圖1.3車底架裝配建模1.側(cè)墻裝配側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)包括側(cè)墻板、立柱、橫梁、底部橫梁和門框等，各部分焊接成為整體。側(cè)墻結(jié)構(gòu)采用分塊設(shè)計(jì)，由車門隔開。車體左右側(cè)墻完全對稱，每側(cè)設(shè)有4個門和5個側(cè)窗。窗口上橫梁、窗口下橫梁、窗立柱及門框?qū)⑴c車頂縱梁和底架對接構(gòu)成封閉環(huán)結(jié)構(gòu)，做為車身結(jié)構(gòu)中強(qiáng)度剛度很大的承載單元，所以該部分的骨架選用截面尺寸較大的冷彎矩形空心型鋼40*30*1.75/SUS304；斜梁受力較小采用冷彎矩形空心型鋼40*30*1.5/SUS304；底部橫梁采用冷彎矩形空心型鋼40*30*1.5/SUS304其余部分采用冷彎矩形空心型鋼40*30*2/SUS304。圖1.4車側(cè)墻（左）裝配建模圖1.5車側(cè)墻（右）裝配建模3.車頂裝配車頂鋼結(jié)構(gòu)由頂部彎梁、頂部縱梁、側(cè)頂板及兩個空調(diào)機(jī)組平臺一起焊接組成，在車頂骨架上面鋪設(shè)波紋板。頂部彎梁采用冷彎矩形空心型鋼30*20*2/SUS304；頂部縱梁采用冷彎矩形空心型鋼30*20*1.5/SUS304；車頂波紋板采用厚度為0.6mm的SUS301L（CMT）級型材縱向波紋頂板?？照{(diào)機(jī)組平臺采用模塊化設(shè)計(jì)采用冷彎矩形空心型鋼30*20*1.75/SUS304，組焊后的空調(diào)機(jī)組平臺整體與頂部彎梁、頂部縱梁、波紋頂板焊為一體。圖1.6車頂裝配建?？照{(diào)機(jī)組平臺由橫梁、縱梁等幾部分組成，設(shè)計(jì)時充分考慮整個平臺的強(qiáng)度和剛度。各部分之間使用點(diǎn)焊形成框架結(jié)構(gòu)。彎梁上鋪有波紋頂板組成。為保證車頂?shù)膹?qiáng)度及剛度，波紋頂板兩端增加補(bǔ)強(qiáng)板。波紋頂板與彎梁之間使用點(diǎn)焊連接，在每個“波谷”位置均與彎梁焊兩點(diǎn)，端部補(bǔ)強(qiáng)板與波紋頂板也使用點(diǎn)焊連接。在空調(diào)機(jī)組平臺上設(shè)有專門的冷凝水排水管道，用于保證空調(diào)機(jī)組上冷凝水的排放，管道通過側(cè)墻底架排到車下。在車頂兩側(cè)設(shè)有雨檐，雨水可以通過雨檐經(jīng)端部排水管排出，保持側(cè)墻清潔。車頂內(nèi)部兩側(cè)設(shè)有一定數(shù)量的吊座，吊座與車頂鋼結(jié)構(gòu)剛性連接，用來安裝二次骨架等。為了減輕鋼結(jié)構(gòu)重量，吊座采用分段式分體吊座，每個吊