时速250公里动车组车体研制

时速250公里动车组车体研制

陈树娟1,郭会生1,邬瑞峰1,李玉璐2,姚明哲1

（1.天津中车唐车轨道车辆有限公司2.天津中车唐车轨道车辆有限公司）

摘要：随着国家“四纵四横”干线高铁路网相继建成通车，国内研制的几种型号的动车组已使数亿中国人体验着“陆地飞行”的方便快捷。然而干线之外的城市之间、城市内部，由于交通拥堵、运力不足、环境污染等一系列问题，困扰着城镇化进程。研制的时速250公里城际动车组是安全可靠、乘坐舒适、节能环保的新一代动车组，是为满足中国区域经济快速发展和城市群崛起对城际轨道交通的需求而研制的一种新型运输工具，填补了中国轨道交通客运装备领域的一项空白。动车组车体是车辆十大关键部件之一，动车组车体为整体承载结构，提供自重、有效载荷、安装在车体上所有结构、设备及正常运行条件和特殊试验载荷在内的所有载荷的承载功能。车体设计是整车设计的基础。本文对时速250公里动车组的车体结构设计、仿真计算及静强度试验进行探讨。

关键词：动车组 车体 设计 制造 研制

时速250公里动车组车体是在分析了国内动车组的基础上，基于现有动车组高端技术平台、成熟制造工艺和经过验证的技术上进行研制的。按照总体技术条件要求和计算合格的车体轮廓线进行车体断面设计；车体设计结构适合成熟的制造工艺，其静强度和固结强度满足BS EN 12663：2010《铁路设施－铁路车辆车身的结构要求》和《200km/h及以上速度级铁道车辆强度设计及试验鉴定暂行规定》两个标准要求；

1 车体外轮廓设计

根据现有动车组车体外轮廓的情况和相关限界标准的计算确定车体外轮廓，通过动态包络线计算和曲线通过计算表明车体外轮廓和车体长度满足线路运行要求。

2车体接口设计

铝合金型材的设计是铝合金车体设计中很重要的部分，主要考虑有以下几点：

a.确定大部件连接间形式；

b.部件型材间插口形式；

c.插口关键配合尺寸公差；

d.型材的壁厚公差；

e.筋板厚度公差及筋板位置；

以上这些因素都直接与焊接熔透性、部件装配后的尺寸公差、焊接刚度密切相关。如果插口槽尺寸公差不合适，对于大型材插接后又很难调整间隙，即使优化焊接工艺参数，也不能保证焊接品质，根据生产实践，插接公差应控制在1.0mm-1.5mm之间；若型材宽度公差不对，焊接后会使整个部件变窄，一旦这样，很难有办法解决。因此，设计型材时还应慎密考虑车体焊接、部件刚度和整体尺寸公差。

3 车体材料选择

铝合金车体在列车运行过程中承受着来自各个方面的作用力，在车体设计时，车体必须满足强度、刚度和疲劳强度的要求，同时也要考虑制造过程中焊接和加工的可行性。除此之外，也应考虑铝合金材料的可挤压性和可热处理性。目前，铝合金车体设计中一般采用6000系列和7000系列的铝合金材料。

4 车体结构设计

4.1车体组成

铝合金车体是由车体全长的大型中空铝合金型材组焊而成，为筒形整体承载结构，车体组成几十余种型材，车体承载结构由底架、侧墙、车顶、端墙、内端墙（头车有）组成一个整体。车体设计时对大部件的连接方式做了充分的考虑，为了使车体组装时完全达到车技术条件，车顶、侧墙、底架连接方式为搭接和插接，可以从车体断面上体现出来；端墙与侧墙、端墙与车顶的连接是通过连接板分别与各大部件焊接完成，这种连接方式可以使侧墙、车顶的长度公差不影响整个车体组成，即使侧墙、车顶在长度方向与底架有一定尺寸差，也可以通过修磨连接板的方式解决。端墙和底架的连接为角焊。排水孔设计在铝合金车体组成设计时尤为重要，型腔内的空气经过温度的变化会产生冷凝水，如果不定期排出去冬天会 将型材型腔涨裂，行车安全存在隐患。

4.2底架组成

中间车底架主要由端部缓冲梁、边梁、地板和隔墙组成，边梁和地板纵向贯通，端部缓冲梁纵向与地板下面筋板焊接，宽度方向上与边梁焊接。底架牵枕缓是车体很重要的承载部件，在材料上选用强度较高的6082-T6铝合金。牵引梁在转向架区域圆弧过渡，充分考虑了转向架的各种活动。底架的隔墙结构是由方铝管拼焊成骨架后铝板蒙皮，这种结构的强度刚度和密封性都很好。

4.3侧墙组成

侧墙断面由纵向放置的5种大型中空挤压铝型材组焊而成。为了解决焊接收缩问题，通过控制每块型材的公差，侧墙组成后公差控制在正公差（0，+6）范围内。侧墙在设计时要给门的安装、检查和运动提供接口和空间，所以在门口区域设计了薄侧墙，薄侧墙的断面是由5块铝型材组焊而成，材质为6005A-T6，薄侧墙的厚度和侧墙主体型材通过带有焊接垫板的U形型材连接。内藏门门框的设计是刚度比较大的结构，为避免门角处的应力超标，门框结构由下门角左、下门角右、上门角左、上门角右、上门框、下门框、侧门框左、侧门框右，这几个件是通过4HY的焊缝构成门框，其中下门角是热轧铝板材加工而成，上门角、门框、下门框和侧门框是由型材加工而成，型材上面与竖直面成89°。保证车窗整体从车内安装，维护更换玻璃从车外拆卸，从而不影响内装。

4.4车顶组成

车顶由高顶、平顶和端顶三部分焊接而成，带受电弓的车有平顶，其他车无平顶结构。高顶由5块大型中空铝型材焊拼而成，为达到车体轻量化的目标，不同与其他动车组的是高顶断面的型腔是四边形而不是三角形。平顶也是由5块大型中空铝型材焊拼而成，型材整体截面高度较小，且平顶轮廓不是便于承载的拱形结构，因此，型材上下面及中间筋板的材料厚度均比其他部位的型材要厚。型材的材质为EN AW-6005A-T6。为满足车体强度和刚度的要求，在车顶端部对应门立柱的位置设计了传递载荷的横、纵梁加强结构，车顶设计时要考虑空调的安装精度、受电弓平台附件安装的精度。

4.5端墙组成

端墙结构主要由端墙板、门立柱、端角柱和门上墙板组成，共7种型材断面，其中主要承载的门立柱型材材质是EN AW-6082-T6,其他几种型材材质为EN AW-6005A-T6。端墙的外轮廓与车体轮廓一致，端墙的下端在车辆组装后与隔墙、裙板后形成封闭的设备舱。端墙结构的设计考虑内风挡的安装、端门的安装、车端电气连接件的安装及端墙盖板的安装。

5车体静强度、刚度、模态计算分析

根据铝合金材料的物理属性及材料的力学性能，车体强度焊缝评定标准采用ENV 1999-1-1-2007，标准里规定材质为EN AW-6005A-T6热影响区的许用应力为115MPa，材质为EN AW-6082的许用应力为125 MPa。计算载荷和工况依照EN12663-1:2010《铁路应用-轨道车辆车体结构要求》中的相关规定选取，分别得出在纵向、垂向及组合工况下车体各部位的应力值，有限元仿真计算结果表明，车体各部位的计算应力值均小于材料的许用应力值，满足车体静强度要求，应力值最高位置在牵引梁和门口处。

6 车体强度验证

鉴定车体结构的静强度是否满足EN 12663-1:2010《铁路应用—轨道车辆车体结构要求—第一部分：机车和客车》的相关要求，对车体进行静强度试验，试验中对仿真计算应力值较大处进行重点关注，通过对试验结果表明，所有测试点的应力值均小于许用应力值，该车体结构的强度满足设计要求，从计算和试验的结果可以看出，应力值较大的点多出现在焊缝处，这要求设计时尽量将焊缝移除高应力区，同时要求制造过程中要对这些焊缝的质量严格控制。

7 结论与展望

动车组车体结构设计是在安全、可靠的高速动车组高端技术平台上进行优化，适合公司的成熟的工艺。经过仿真计算和静强度试验的验证，证明车体的设计结构、材料的选择及生产制造水平都满足动车组车体相关的标准及性能的要求。动车组车体研制为公司新增产品，打开市场做了充分的技术准备。

参考文献：

1.车辆工程，中国铁道出版社，2011

2.BS EN 12663：《铁路设施－铁路车辆车身的结构要求》

3.大型工业铝合金型材的挤压生产工艺与关键技术．2001．

4.铝及铝合金-挤压杆材/棒材、管材及型材， DIN755-2,，2008

－1－