车体材料

车体材料（通用9篇）

车体材料 篇1

车体是车辆结构的主体,其材料直接影响车体的强度和刚度,关系到车辆的安全运行和舒适性;车体材料直接影响车体重量,关系到车辆能耗、车辆载客能力和列车编组形式[1];车体材料还会对防腐和表面保护产生影响,关系到车辆外观、寿命和检修制度。因此,车体材料的选择成为城轨车辆设计、制造和运营中的一个关键问题。

1 车体材料的发展

城轨车辆的发展中,车体材料先后出现了碳钢(耐候钢)、不锈钢、铝合金和新型复合材料,新型复合材料的应用相对较少,本文将着重讨论前三种材料。

1.1 碳钢车体。

钢材不但具有良好的加工性能,而且其价格优势也非常明显,适合用于制作腐蚀快和要求防锈与美观的涂装车辆。最早的城轨车辆车体材料采用普通轧制钢SS400,为延长车辆使用寿命和达到轻量化的目的,耐蚀性好、抗拉强度超过450 MPa的高耐候性轧制钢板SPA(在低碳钢中含0.07%~0.15%的磷、0.25%~0.60%的铜以及0.3%~1.25%的铬)被大量地使用[2]。到目前为止,碳钢(耐候钢)依然是城轨车辆车体上应用最广泛和最成熟的一种材料。近年来,不锈钢和铝合金在城轨车辆车体上被大量应用,我国也将不锈钢和铝合金应用到了城轨车辆和动车组上。与铝合金和不锈钢车体相比,碳钢车体具有成本低、工艺性好和造型容易的优势,但也存在重量较大、耐腐蚀性差而导致运用成本高的缺点。

1.2 不锈钢车体。

随着材料学的进步和制造工艺的不断突破,不锈钢材料由于具有高强度、耐腐蚀和质感好等优良特性,已被广泛应用于轨道车辆行业,成为车体结构的主要材料。与碳钢车体相比,不锈钢车体重量轻、耐腐蚀、变形量小、残余应力低,车体寿命长,可实现无涂装工艺、环保等优点。美国的Budd公司于1932年研发出世界上第一辆不锈钢铁路客车,揭开了不锈钢车体的工程化序幕。从上世纪50年代开始,各国陆续开始进行不锈钢车体的研究,经过几十年的发展,其运用领域遍及城轨车辆、客车、机车、货车等各种轨道车辆,技术日趋成熟。我国不锈钢车体的工程化发展可追溯至20世纪80年代,进入21世纪后更是迅速发展。目前常用于车体材料的不锈钢有两种:奥氏体系不锈钢的SUS301L、SUS304[3]。由于SUS 301L具有通过轧制加工而易于增加硬度和抗拉强度的特性,故可根据使用部位选用适当等级的材料。SUS 304一般用于强度要求不高的部位。不锈钢车体的造价稍高于碳钢车体,其维修费用最低;从轻量化水平不及铝合金车体,但是比碳钢车体好很多。

1.3 铝合金车体。

铝合金的比重只相当于普通钢的1/3,弹性模量也只有钢的1/3,在保证车体同等强度的条件下,车体自重最大可减轻50%,而且铝合金的耐腐蚀性好,可延长车辆的使用寿命。因此,许多国家都在积极开发和生产铝合金车。法国于1896年将铝合金用于铁道客车车窗上,1905年英国铁路电动车的外墙板采用了铝合金,日本于1962年在山阳电气化铁路开行2000型全铝合金制车辆。5000系铝镁合金、6000系铝镁硅合金和7000系铝锌合金都具有较高的强度,在城轨车辆车体设计中被广泛应用[4]。我国铝合金车体的研发起步较晚,1989年,长春轨道客车股份有限公司(以下简称长客股份)开发了首辆铝合金地铁车体,目前仍在北京地铁运行。近年来,我国地铁车辆车体也采用了铝合金材料,广州地铁1号、2号及3号线,深圳地铁1号、4号线,南京地铁1号线等都采购了铝合金车体车辆。铝合金车体制造技术很大程度依赖于原材料制造工业的发展,国内车辆用铝型材、板材的制造产业与国外相比有很大差距。目前我们的型材制造技术虽然有很大提高,但在材料质量、尺寸公差上还不能满足车辆装配和焊接的要求。

2 车体材料的选择

车体选材的基本原则是在确保安全可靠的前提下,以经济特性为基础,结合城市线路条件和车辆运行条件进行综合分析比较做出选择。

2.1 根据车辆运行要求选择车体材料。

车辆运行条件不同,必然导致车体材料的不同,对车辆运行的要求主要有适应站间距小、起动制动加速度大、旅行速度高、线路曲线多、半径小、坡度大、频繁进出隧道、空气湿度大、工业污染严重、地面或者高架运行、风沙大、线路维修量小、车内(外)噪音小和维护量小等。选择车体材料时,这些是必须重点考虑的。

2.2 经济角度选材。

目前,国内城市轨道车辆进行招投标,车辆采购费一般由车辆制造价格、备品备件、特殊工具、技术文件、设计联络、检验验收、培训运输税费和保险等费用构成。根据近年来北京、上海、广州、深圳、南京、天津地铁车辆和城轨车辆采购价格分析(表1所示)[5],可知,铝合金车辆的平均采购价格约是普通钢车的1.8倍,是不锈钢车辆的1.5倍。维护成本的高低与车辆性能、维修量、修程和维修效率以及物价水平有关。从日本的经验来看,在20年使用期内,不锈钢车体的维修费用最低,铝合金车体的维修费高于不锈钢车体,小于碳钢车体,碳钢车体的维修费最高。从以上分析可知,采购费用高的车辆其维护成本低,而采购费用低的车辆,其维护成本较高,所以在选择车体材料时,应综合考虑,以车辆全寿命周期的成本为指标。

3 我国城轨车辆车体材料选择存在的问题

目前我国城轨车辆的车体选材中出现了铝合金热。这是由于车辆盲目轻量化引起的,轻量化应当是对车辆总体而言,车辆上所有构件、设施都要轻量化。车内设备的门窗座椅,电气设备,空调系统等的轻量化效果,与车体的轻量化是一样的,而为此目的付出的代价和承担的风险可能还会小一些。什么材料的车体都应当也都有可能轻量化,轻量化不等于铝合金化。我国幅员辽阔,各地的气候特点以及环境都不相同,车辆运行的环境有很大不同,在采购和运用城轨车辆时,应当充分考虑这些问题,不可盲目采购铝合金车体,应具体问题具体分析,做出合理的选择。

4 结论

碳钢、不锈钢和铝合金各有其特点。根据车体的结构形式,选材要扬长避短、因材施用。车体材料必须根据安全性、轻量化、高性能以及维修成本的经济性、产品寿命等进行综合评价。

摘要：车体材料决定了车体的结构形式、车体的制造与维护费用,是城轨车辆在采购和运用中的关键问题之一。本文详细分析了城轨车辆车体材料发展中出现的碳钢(耐候钢)、不锈钢和铝合金,论述了车体材料的选择依据,对城轨车辆的采购和运行具有指导意义。

关键词：城轨车辆,车体材料,选择

参考文献

[1]薛克仲.城市轨道车辆车体材料选择[J].城市轨道交通研究.2003.Vol.1.14~19.

[2]新井浩.铁道车辆的车体材料及其特征[J].国外机车车辆工艺.2005.Vol.4.31~36.

[3]张国庆.不锈钢车辆车体刚度研究[D].大连:大连交通大学.2010.

[4]员华,邹鹏.不锈钢车体与铝合金车体的现状及发展[J].机电工程.2008.Vol.21(3).89~91.

[5]肖彦君,杨润栋.地铁车辆车体材料的选型分析[J].现代城市轨道交通.2005.Vol.1.19-24.

车体材料 篇2

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漫话高速列车车体 篇3

一、车体材料

铝合金, 是目前世界上绝大多数高速列车车体选用的材料。我国的高速列车也同样如此。早期的高速列车车体材料因受价格、成形、焊接工艺技术等因素制约, 采用耐候钢材料。然而, 随着列车运行速度逐步提高, 由于列车运行引起的振动和噪声, 通过高速车辆轻量化减振降噪成为一个不可回避的技术问题。在高速车辆的重量中, 车体所占比例最大, 因此, 使车体轻量化, 对减轻高速列车整体重量的效果也最明显。轻量化的主要好处:一是节能;二是减小对轨道的损坏;三是减轻因振动引起的噪声, 改善环境。也就是说, 高速列车运行时列车体重越轻, 其牵引和制动所消耗的能量就越少。同样, 列车速度越高、重量越大, 对铁路轨道的损坏程度也越大, 车轮在轨道上滚动产生的振动及噪声也就越大。

随着科研技术水平的不断提高, 铝合金材料可以达到和钢同等程度的机械强度要求, 用铝代替钢铁也就成为了现实。采用铝合金主体, 较钢制车体重量可减轻30%~40%。同时, 铝合金具有良好的塑形性能, 挤压成形容易, 可以根据车体结构优化设计的要求, 挤出各种形状复杂的铝型材, 从而使制造工艺变得简单, 节省加工费用。此外, 铝合金车体还有耐腐蚀、外表平滑美观的优点。

二、车体外形及结构

高速列车车体分2种:头车车体和中间车体。它们都是由底架、侧墙、车顶和端墙组成的, 头车车体还多一个司机室头部结构。

高速列车车体结构断面呈鼓形的筒体承载体, 即车顶为圆弧形, 侧墙下部向内倾斜5°左右, 并以圆弧过渡到底架, 侧墙上部向内倾斜3°左右, 并以圆弧过渡到车顶。

众所周知, 空气阻力是制约列车高速运行的主要因素。即阻力与速度成平方正比关系, 也就是说, 假如列车运行速度提高到原来的2倍, 空气阻力将增至原来的4倍。

空气阻力主要由三部分组成:一是列车车头迎风受到的正面压力, 列车尾部由于空气尾流引起空气稀薄而产生的向后拉力, 这样由于头部及尾部压力差形成的阻力称为压差阻力;二是由于空气黏性而引起的作用于车体表面的摩擦阻力;三是由车辆底架、车顶设备、门窗、车辆间连接风挡等车辆表面凹凸结构引起的干扰阻力。

那么, 高速列车车头为什么要设计成流线型呢?其主要目的是为了减小压差阻力。这个设计思想和飞机的外形设计差不多。然而, 流线型也有各种式样, 到底选何种车头形状更为合适?设计人员根据空气动力学原理, 通过计算机仿真和车头模型风洞试验即让风对其迎头吹送, 测试车体周围的气流、气动噪声、气动作用力等参数, 来决定最佳的车头流线型。同时, 车体的美观大方也是设计人员必须兼顾考虑的因素。

当你乘坐高铁列车时, 站在站台上稍微注意一下列车车体, 就会发现它与普通列车不一样之处。车体表面光滑, 减少凸出物, 如侧门采用塞拉门, 扶手为内置式, 脚蹬做成翻版式, 使侧门关闭可以包住它, 车辆连接处采用橡胶大风挡, 与车身保持平齐。车体侧壁下方几乎没有凹凸不平之处, 为避免底部各种装置的外露, 采用与车身横断面形状相吻合的光滑平整的“车裙”——裙板遮挡住车下各种设备。车厢顶部的受电弓也用专门为它度身定制的导流罩保护起来。这一切的努力, 主要都是为了减小由空气引起的摩擦阻力和干扰阻力。

三、车体气密性

乘坐过飞机或高层建筑物电梯的人都有过这样的体验:当飞机降落或电梯由高层快速降至低层的时候, 耳朵好像被什么东西堵塞住, 并伴随有轻微的疼痛, 感觉非常不舒服。这样的感受, 在乘坐高速列车进入隧道时也会感到。这是由于外气压力的变化, 使我们耳腔内侧的空气和外气形成压力差, 使耳膜受到压迫, 轻者感觉轻微疼痛, 重者感觉头晕恶心。如果高铁列车因进入隧道内气压发生急速变化, 严重者甚至使车内乘客有耳膜破裂的危险。为了避免这种状况发生, 要求将列车内气压变化控制在一定范围内, 其对策是将车体完全密封起来, 这种结构称之为气密结构。

车体广告合同适用版 篇4

甲方：（以下简称“甲方”）

乙方：（以下简称“乙方”）

甲、乙双方根据《中华人民共和国广告法》、《中华人民共和国合同法》及国家有关法律、法规的相关规定，本着互惠互利的原则，经友好协商，达成如下一致意见：

一、广告的名称、位置和形式：

1、广告名称：

2、广告位置：

3、广告规格：米(宽)×米(高)=平米数 量：块

4、广告形式：

二、广告画面的设计与制作：

1、甲方应当保证所发布广告内容的真实性、合法性，并于必要时出具相关证明性文件。

2、设计样稿：

本合同项下广告画面的样稿由方负责设计，乙方保证画面的内容符合《中华人民共和国广告法》的有关规定，经甲方审核确定的样稿，作为本合同附件。

3、制作时间：

乙方自收到经甲方签字盖章的样稿并由方办完相关发布手续之日起日内完成广告画面的制作。

4、设计变更：

若甲方确认的设计样稿延误或者在设计样稿确认后又提出更改要求，则乙方工期顺延并且进行更改所发生的一切费用均由甲方承担。上述更改包括但不限于对已审定样稿重新设计或者对已制作的广告画面重新加工等。

5、发布期限：

本合同项下广告的发布期限以审批手续期限为准，如发布过程中因自然或人为原因而非制作或安装问题损坏，甲方需有偿更新。

三、广告费及支付方式：

1、广告费用：

本合同广告费单价元，共计元。包括：一次画面制作费、一次画面安装费；

2、支付方式：

四、广告的验收：

乙方在广告制作完成后通知甲方对制作完成的广告进行验收，甲方自收到验收通知之日起3个工作日内组织验收，并于验收合格后签字确认；甲方接到验收通知3个工作日内未进行验收的，则视为验收合格；

五、违约责任：

1、乙方如不能按本合同规定时间制作完广告，每逾期一日，按广告费的1%向甲方支付违约金；乙方如逾期10日仍未能按本合同的约定制作完广告，甲方有权解除合同，乙方须返还甲方已支付的广告费。

2、甲方如未按期足额支付广告费用，每逾期一日，则按应付广告费的1%向乙方支付违约金，如逾期10日仍未支付应付的广告费用，乙方有权解除本合同，不退还已经支付的广告费用。

六、合同生效及其它：

1、本合同自双方签字或加盖公司印章后生效，在本合同上的签字人即被视为该方的授权代表。

2、本合同未尽事宜，双方应友好协商解决。

4、本合同一式贰份，甲、乙双方各执壹份，具同等法律效力。

七、其它：

甲方：乙方：

授权代表：授权代表：

长春地铁车体制造技术 篇5

1.1 主要特点

底架、侧墙、车顶、前后端墙为铝型材组焊结构。牵引梁、枕梁为钢板焊接而成的钢模块。由于受基建条件限制,车高为2410mm,车体最大宽度2800mm,车体断面尺寸非常小。

1.2 结构参数(表1)

2. 制造难点

车体制造难点:

(1)底架制造。底架为钢铝混合铆接结构,对底架的平面度、宽度、直线度要求极高,是车体制造的难点之一。

(2)车体形状及断面尺寸的控制。车体断面尺寸影响内装件的安装;车体形状直接关系到车门的安装调试;窗口的平面度关系到车窗的安装及美观;同时,车体形状的控制也是基建限界的需要。

3. 工艺措施

车体组成制造工艺顺序为:①底架组对落车。②组对侧墙,调整门口。③组对车顶。④组对端墙。⑤车体焊接、小件焊接。⑥车体调修交检。

针对车体的制造难点,经过长期试验,总结了如下工艺方法。

3.1 底架制造

从车体制造组成的工顺序来看,底架为车体组成的第一道工序,是整个车体制造的基准,是车体强度的基础;同时,也是后续车体称重、装配落车的基准。因此,底架的制造质量,是整个车体结构制造的关键,也是整台车制造的关键。

底架长约19m,宽约2.6m,整体结构为钢铝铆接的混合结构。其中,地板与底架边梁为铝型材焊接结构,牵引梁、枕梁为钢模块结构。枕梁、牵引梁与底架边梁铆接到一起。由于牵引梁、枕梁与底架边梁铆接到一起,根据铆接技术条件,要求折两个部件的铆接贴合面的间隙不允许超过1mm,这就意味着底架边梁与地板组合焊接后,底架宽度不能超过公差要求2mm,单侧底架边梁垂直度不能超过1mm,地板平面度不能超过2mm,这也就大大的增大了底架的制造难度。

为保证底架的制造要求,在牵引梁、枕梁制造的过程中留加工余量。在组焊完成后,对枕梁、牵引梁的宽度,以及与底架拉铆的贴合面进行机械加工,从而保证枕梁、牵引梁的宽度,以及与底架铆接的贴合面完全符合图纸要求。

由于铝底架尺寸精度要求高,因此一步制造完成铝底架难度较大。为了保证铝底架的制造精度要求,将铝底架的制造分成两个模块完成,首先是铝地板的制造;其次,是边梁与地板的合成焊接。

对于地板的制造,最重要的就是要保证地板焊接后的平面度要求。为保证地板焊接后的平面度要求,在工装压紧上采用液压工装压紧,增加压紧力;同时,在地板组对的中间型材上通长放置1吨长压铁,增加压紧力。为防止焊接后地板变形,在地板正装组对时,在地板横断面上预制10mm焊接反变形,使地板在组对时横断面上形成一个拱桥形。在地板焊接时采用双枪自动焊同时对称焊接,焊接顺序为先焊接外侧两条焊缝,再焊接内侧两条焊缝;并且,内外两条焊缝的焊接起始位置颠倒。在地板反装焊接时,无需再预制焊接反变形,只需使用液压工装对地板压紧即可。焊接时,依旧使用双枪自动焊同时对称焊接,焊接顺序为先焊接外侧两条焊缝,再焊接内侧两条焊缝。采用以上工艺手段可以保证地板平面度满足图纸要求。

对于边梁与地板的合成焊接,最重要的就是保证合成焊接后的铝底架整体宽度。由于地板和边梁为插接结构,在宽度方向可调节量较大,在组对铝底架时,整体宽度上每侧边梁平行放宽2mm,使用液压工装压紧边梁,并且在底架中间通长放置1吨长压铁,使用双枪自动焊同时对称焊接即可。铝底架焊接完成后,对其进行机械加工,保证铆接位置的准确。加工完成后,对底架进行牵引梁、枕梁的铆接。通过以上的种种工艺方法和措施,最终保证了底架的制造精度。

3.2 车体形状及断面尺寸控制

车体的形状及断面尺寸的控制,需要通过对各大部件的尺寸控制,以及总组成时的工艺方法来保证[1]。

在车体总组成前,需要对各个大部件的尺寸进行复检,大部件必须满足图纸尺寸要求。在车体总组成时,首先组装侧墙,以车体底架上的门口中心和窗口中心为定位基准,从车体中心向两端开始依次组对侧墙。组对完毕后,用工装进行固定支撑,使用侧墙定位装置将侧墙连接成一体。由于受车体整体挠度的焊接影响,侧墙门口处需要整体向外支撑出3mm的焊接反变形量。安装车顶,安装车顶以窗口中心为定位基准,同时要注意保证车顶两端与侧墙两端的外侧面保持一致。调整车体形状轮廓,保证侧墙的整体直线度在3mm以内。车体断面控制示意如图1所示。组装端墙,组装端墙时以端门中心为定位基准,同时兼顾端墙与底架端梁的垂直度要求。通过,以上的方法可以在车体总组成焊接后保证车体形状及断面尺寸。

4. 结束语

通过采用以上工艺措施,长春地铁车体的各相关尺寸、行位公差得到有效控制,达到了设计及工艺要求,产品质量得到了有效保证。

参考文献

客车车体底架疲劳裂纹评价 篇6

铁路运营公司重点关注的是能通过现有检测技术检测到的裂纹。如果裂纹扩展足够慢,那么可以采取例行检查来防止运行过程中的失效。裂纹检测的时间取决于可检测到的初始裂纹尺寸和失效破坏的最大裂纹尺寸。因此,通过计算裂纹扩展速率和最大失效裂纹尺寸,来制订定期检查日程表很重要[1]。客车的车体是由“[”型钢和钢板焊接而成,包括中梁、侧梁、横梁、各种梁件和立柱等。车体结构设计为承受乘客和自重产生的垂向载荷、通过车钩传递的水平载荷和通过转向架传递的动载荷。中梁和枕梁连接处、侧梁和枕梁连接处是主要的负载点,承受着大部分载荷。因为连接处是通过焊接的方式连在一起的,所以它们成了潜在的裂纹萌生位置。应对车体进行保护,以防焊接缺陷和运营过程中重复疲劳载荷产生的疲劳损伤对车体造成损坏。如果整个寿命周期运营载荷在允许的限度内,那么制造过程中的小缺陷可能一直保持着原来的样子,不会长大成为裂纹。另一方面,如果载荷超过了阈值,那么这些缺陷将会长大成裂纹并不断扩展,从而导致车体断裂。除非采取适当的维护(例如补焊)才会阻止车体断裂。中梁和枕梁连接处、侧梁和枕梁连接处的裂纹会严重地影响车体的耐久性。

由于客车的使用寿命延长,本研究对其裂纹的安全性进行了评估。通过在车体重要承载部件中梁和侧梁的薄弱点模拟虚拟裂纹,计算了在乘客和车辆质量作用下的临界裂纹尺寸。临界裂纹尺寸是基于有限元分析结果和两种不同的材料条件决定的。裂纹扩展速率是利用客车运行试验测得的载荷谱进行计算的。

2裂纹扩展模型

成功地运用线弹性断裂力学来模拟疲劳裂纹的扩展特性。等幅应力疲劳试验获得的数据允许在变幅载荷下进行裂纹扩展计算[2]。

一个典型的裂纹扩展分析包括以下步骤[3]:

(1)在网格中插入初始裂纹。如果裂纹位置不确定,那么可采用弹性分析确定最高应力位置;

(2)分析和计算KⅠ和KⅡ;

(3)应用KⅠ和KⅡ,找到裂纹扩展的方向;

(4)在上述方向上使裂纹扩展一个单元长度;

(5)进行一个新的分析,并重复以上过程。

然而,真实结构单元的修改是非常困难和耗时的,因为需要进行几十万单元的修改和百万计的重复运算。因此,这种方法很少用来进行真实复杂结构的分析。有关该种裂纹扩展分析的细节可查阅其他文献。

但是,变动载荷下的裂纹扩展取决于载荷-时间历程、化学环境、结构类型和材料等因素。如果裂纹扩展是每个载荷循环下裂纹长度增量的简单叠加过程,运用线性裂纹扩展假设来进行裂纹扩展预测是很方便的。

裂纹扩展的Paris定律[4]为:

式中:C和m代表的是材料常数。

本过程仅运用在以下假设的情况下:

Δa取决于瞬间尺寸a,且与裂纹扩展历程无关。

在文献中已提出了大量的疲劳裂纹扩展模型来描述裂纹扩展速率(Δa/ΔN)和应力强度因子范围(ΔK)的关系。许多关系中,考虑采用应力比(R)作为重要参数。目前的研究采用的是Walker等式[5]。

SM490A的材料常数为热影响区C=5.71×10-10,m=3.69,γ=0.74。焊后热处理区C=3.76×10-9,m=3.17,γ=0.90。

3临界裂纹尺寸

3.1结构分析模型

为了预测车体的关键点,开发了韩国汉城地铁4号线客车的有限元模型。本研究开发模型时,仅考虑了包含中梁、侧梁、枕梁、端梁、各种立柱、梁件、侧墙和车顶等主要部件。图1为客车的有限元模型。考虑到客车是由型钢和板焊接而成,因此,有限元模型采用壳单元。采用了二阶四边形单元来提高分析的准确性。采用的有限元分析软件是ABAQUS V.6.7.1。

无乘客时的车体质量是42.40t,不包括内外部设备的车体结构的质量为9.28t。乘客质量按照最大载重18t来计算。车体质量加乘客质量总计60.40t,以压力的方式均匀施加在车体地板上。采用的动力系数是1.2。表1列出了车体的材料特性。侧梁、端梁和横梁材质为SUS301L,中梁和枕梁材质为SM490A。

图1(b)展示了有限元模型的边界条件。因为车体是关于中心面对称的,因此,仅对车的进行建模,对对称平面施加约束(x=0)。车体在枕梁处施加z方向约束(z=0),在车体前端施加y方向约束,限制其移动。图1(c)展示了验证车体强度的垂向载荷试验。

通过比较侧梁的变形,验证了模型的可行性。图2 (a)表示加载后底架的变形。如图2所示,中梁和枕梁的连接处、侧梁和枕梁的连接处是应力高度集中位置。一般情况下,枕梁是很坚硬的,但是中梁和侧梁相对柔软,因此,这些点应力高度集中。图2 (b)展示了侧梁变形的对比。试验测得的最大变形是4.27 mm,有限元分析的最大变形是4.07 mm。如图2所示,二者差别很小。因此,认为有限元模型是正确的。

3.2 临界裂纹尺寸

分别在中梁和枕梁的连接处、侧梁和枕梁的连接处模拟了虚拟裂纹,来评估临界裂纹尺寸。在本项研究中,认为可用线弹性断裂力学近似来预测临界裂纹。临界裂纹尺寸是通过比较裂纹尖端的应力强度因子K和材料SM490A的断裂韧度Kc来计算的。为此,通过将裂纹长度变为角宽的20%、50%和80%,模拟了不同尺寸的各种裂纹,并计算每种情况下的K值。如图3所示,在4个薄弱点位置模拟裂纹。假设裂纹扩展的方向穿过焊角。裂纹尖端模型采用的是四点单元的扇形网格(移动裂纹尖端附近单元的侧面节点)。加载和边界条件与结构分析一致。

表2列出了随着裂纹尺寸不同,裂纹尖端应力强度因子的改变。某些情况下Ⅰ型应力强度因子呈现负值,表明裂纹因承受压缩力而闭合。负的应力强度因子不会影响裂纹的扩展,因为它使得裂纹闭合。在型材的顶面和底面,Ⅱ型应力强度因子较小。但是,侧梁侧面的Ⅱ型应力强度因子的值比较大。

基于能量守恒定律,当能量释放增大到断裂能dW/da时,才会发生断裂。因此,能量可以用下式中的应变能导数的叠加表示:

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因此,可以写成:

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在大多数的工程实例中, KⅡ较KⅠ小。对于小比例值的KⅡ/KⅠ,圆就是一个很好的近似。但是,由许多研究人员的试验可知[6],取KⅡC≈0.8KⅠC,则有

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因此,SM490A热影响区和焊后热处理区的Ⅱ型断裂韧度KⅡC分别按190 MPaundefined和184 MPaundefined计算。图4显示了材料热影响区和焊后热处理区关键点在复合载荷作用下的断裂轨迹。如图4所示,相对于KⅠC ,KⅠ是很低的。但是KⅡ是很高的,几乎达到了KⅡC。所以,KⅡ的安全余量并不大。

4 疲劳裂纹扩展

为了计算疲劳裂纹扩展速率,客车在商业线路上运行试验时测量了关键点的变幅载荷。图5 (a)显示了在中梁和枕梁间焊接位置上所贴应变片情况,图5 (b)显示了应变测量设备,图5 (c)用盛满水的水箱来模拟乘客载荷。运行试验过程中,记录了关键点的变幅应变。

采用疲劳裂纹扩展分析,计算循环疲劳载荷作用下裂纹的扩展速率。测量了客车运营过程中薄弱点的动应力,用以计算裂纹扩展。将应变片贴在中梁上以前模拟裂纹的部位,以测量客车运营轨道(50 m)上的动应力。应变片测量Ⅰ型方向和Ⅱ型方向的应力幅度。

图6 (a)给出了整个运行线路上测量的动载荷,图6 (b)显示了用雨流循环计数处理得到的动载荷历程。

采用循环计数计算的应力幅值历程Δσ、应力强度因子的幅值ΔK按照下式进行计算。

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式中:a——裂纹长度;

W——裂纹部分的宽度;

f(a/W)——几何修正系数。

因为中梁上的裂纹是一个边缘裂纹,所以Ⅰ型方向和Ⅱ型方向的几何修正系数采用板块边缘裂纹的情况来计算。

利用公式(7)算得的有效应力强度因子幅值和SM490A裂纹扩展曲线进行疲劳裂纹扩展分析。分别对10 mm、20 mm、30 mm和35 mm的初始裂纹长度进行分析,采用50 km的单位加载模块,直到运行距离达到150万km。图7显示的是热影响区和焊后热处理区裂纹扩展的分析结果。在变幅载荷作用下,即使总运行距离非常高,小的初始裂纹也不会扩展。然而,30 mm的初始裂纹在热影响区和焊后热处理区分别在100万km和60万km的运营距离时显示较高的扩展率。热影响区会产生压缩残余应力,抑制裂纹扩展,该压缩残余应力会在焊后热处理时释放。a0=30 mm的初始裂纹扩展到临界长度(a/W=0.8)时,总的运营距离将要达到100万km和60万km。假设城轨客车每年运营距离为13万km,那么可以计算出运营寿命分别为7.6年和4.6年。

5 结论

为了评估存在裂纹的客车车体的安全性,在车体底架的重要承载位置——中梁和枕梁的连接处假定存在边缘裂纹。计算了正常运营条件下连接处的临界裂纹长度,评估了不同长度裂纹扩展到临界长度耗费的时间。

(1) 尽管施加的应力强度因子没有达到材料的断裂韧度,侧梁上a/W=0.8的裂纹的安全余量并不大。

(2) 热影响区和焊后热处理区30 mm初始裂纹扩展到临界长度所需时间分别为7.6年和4.6年。

本文的研究结果局限于客车模型、运营条件、裂纹扩展方向和本研究中所采用的材料。但是,本文介绍的裂纹分析过程可适用于铁道车辆临界裂纹和裂纹扩展速率的评估。然而,在本研究中,没有考虑到载荷加载顺序影响、裂纹闭合和裂纹尖端减缓等会使裂纹扩展减缓的因素[7]。因此,真实的车体结构会具有更长的使用寿命。

参考文献

[1] Schijve J..Observations on the prediction of fatigue crack growth propagation under variable-amplitude loading.In:Fatigue crack growth under spectrum loads ;Philadelphia;ASTM STP 595;1975, 3-23.

[2] Nelson DV,Fuchs HO.Prediction of fatigue crack growth under irregular loading..In:Fatigue crack growth under spectrum loads;Philadelphia;ASTM STP 595;1975, 267-91.

[3] Daniel VS,Chia CC,Thomas GD.Analytical and experimental investigation of fatigue in lab joints.In:Fatigue lifetime predictive technique;Philadelphia;ASTM STP 1122;1992, 449-59.

高清转播车车体设计 篇7

高清转播车要为转播车提供充足的动力, 要求在车厢满负荷时能灵活将其牵引到节目制作地点。转播车的牵引车头必须符合中国汽车行业的相关标准, 外型尺寸及有效载荷必须符合中国交通部门的相关规定。进关手续必须齐全 (含具有3C认证) 、合法, 并适用于中国公路行驶条件。底盘载重力应在装载所有设备的情况下留有30%以上的载重余量。

转播车采用半拖挂、单侧拉厢式车体结构;车总长≤15m, 11m<厢体长<12m, 总高度≤3.98m, 宽2.5m, 车内高≥2.1m, 侧拉厢7m≤宽度≤8m, 侧拉厢1.2m≤深度≤1.3m, 侧拉厢内高≥1.9m, 裙底距地0.35m～0.4m, 液压支撑正常收起后底部距地0.35m～0.4m。

按照高清车功能定位, 陕西电视台与北京星光影视设备科技股份有限公司共同设计, 对整体车设计和相关设备以及牵引头选型制定以下原则:

1.符合人体工程学的原则:在操作高度、监看角度、设备摆放等方面的设计符合人体工程学;在空调、照明、车内家具等方面考虑人员舒适性。

2.空间利用最大化的原则:车内尽量减少检修通道;检修多利用车外空间采用外检修门方式, 以使工作空间最大化。

3.零散空间整合化的原则:合理布局工作区, 落实空间重叠概念。

4.关键环节互补化的原则:多台空调室内主机分区布局、UPS/稳压、侧拉厢和支撑腿的手动电动。

5.工作环境舒适化的原则:除湿、新鲜风、环保抗过敏材料;舒适的照明系统。

6.运行灵活的原则:车体运行转弯小, 不平坦路面通过能力强, 操作可有驾驶人员单独完成并且易操作。

7.整车设计余量扩展原则:牵引头动力有余量, 车体载重有余量, 电力设计有余量, 空调在极限气温满足要求并有余量, 机架考虑扩充留空间等等。

牵引车选型:选用德国生产MAN TGX 18.400。

德国MAN TGX 18.400, 为单缸4气门, 6缸直列涡轮增压中冷电控柴油发动机, 装备大功率散热器 (适合热带地区) , 采用共轨喷射技术, 防噪音处理 (噪音不超过80 dB) , 空气压缩机, 双燃油滤清器, 附带可加热的油水分离型燃油滤清器 (适合寒冷地区和油品较差的地区) , 火焰冷启动装置 (适合寒冷地区) , 定速巡航控制系统。

牵引车技术规格如下:

型号:TGX 18.400

外观尺寸:5875 mm×2500 mm×3853 mm

驱动形式:4x2

轴距:3600 mm

发动机功率:400马力/294 kW/1900 rpm

最大扭矩:1900 Nm/1000～1400 rpm

自重:7150kg

鞍座允许载荷:10850 kg

车桥载荷:18000 kg

列车总重:45000 kg

最高车速:110 km/h

变速箱:德国ZF制造12档手自动一体变速箱, 12个前进档, 2个倒档。

制动系统:MAN BrakeMatic电子制动系统, ABS (刹车防抱死系统) , ASR (防滑系统) , EB (发动机排气制动) , EVB (发动机排气阀制动) , AJB (挂车防折叠控制) , MAN EasyStart斜坡启动系统, 前后桥盘式制动, 不含石棉制动器摩擦片, 加热式空气干燥器 (适合寒冷和潮湿地区) , 双管路制动连接。

燃油箱:400L标准油箱, 右置, 配滤网, 油箱盖可锁。

排放标准:欧洲4号排放标准, 无需添加尿素, 使用EGR (废气再循环) +PM KAT (微粒过滤器) 技术。

前后桥:全空气气囊悬挂, 有效减小地面不平给车辆带来的震动, 并可实现整车的升降 (升量19cm, 降量9cm) 。

轮胎:315/70R22.5轮胎配10孔9.00×22.5钢圈。

2高清转播车车体制造

该转播车车体由德国特种车制造厂KRAMER公司制造, 这个厂1727年建厂, 有280多年特种车生产历史, 其优质的材料和传承的工艺, 确保了车体可以使用40年以上, 在欧洲享有很高的信誉。在中国, 上世纪80年代CCTV和上海电视台的转播车就在此厂制造;2008年又为奥运会的转播制造了黑龙江台、辽宁台和广州台高清转播车, 其中辽宁台转播车的制造工艺和外套式的侧拉厢技术在2008年BIRTV上产生了极大的轰动。该车是我国第一辆框架结构半挂内套单侧拉式大型转播车, 主要技术参数为:总列长15.00m, 厢体长度12.20m, 总高度3.95m, 宽度2.55m;侧拉厢长度7.10m, 侧拉深度1.31m。

陕西电视台和北京星光影视设备科技股份有限公司共同完成车体设计, 根据车体自重和车内装载高清设备重量以及16位工作人员, 重量按27000kg估算, 半拖挂大梁为KRAMER公司生产大梁, 长度12m, 为双排后轮结构, 双后桥为全空气气囊悬挂, 并可实现箱体的升降 (升量19cm, 降量9cm) , 有效减小地面不平给车辆带来的震动。牵引车与厢体电气部分的有效连接, 厢体全空气气囊悬挂控制引入到牵引头驾驶室内, 驾驶员可以在驾驶室独立操作厢体和牵引头升降, 并根据仪表盘将整体调整到最佳运行位置, 其实用性大增。整车全部车轮均为全空气气囊悬挂结构, 有效增加了整车减震效果 (转播车减震效果的好坏, 直接影响转播车出外转播质量, 因为转播车为运动体) 。

3车体特点

1.转播车行进中特点

在箱体双排轮后排采用了德国技术的一套后轮随动系统, 该系统就是当整体车转弯时, 后轮随转弯反方向转动, 使得整体车辆转弯半径变小, 并且减小后轮胎损伤 (当没有后轮随动, 双排轮后排轮在整体车转弯半径与以上一样时, 箱体后轮相对箱体前轮就有一个很大扭力, 这样造成后轮胎过早损坏) , 有利于到转弯半径相对小的地方工作。

2.箱体轮胎要求

这次设计中我们对箱体轮胎也进行了统一规定, 要求箱体用轮胎必须与牵引头用轮胎一致, 这样设计的好处是备用轮胎可以通用, 因为整体转播车放置备胎位置有限, 若不统一就要随车带多条轮胎。还要求轮胎规格在中国有同样规格。

3.侧拉厢和支撑腿特点

采用目前世界上最为先进的内套单侧拉方式, 独特的底部支撑技术, 侧拉厢和支撑腿的传动系统采用干性 (不需要用油润滑) 微型齿条, 可外电或小型发电机及手动三种方式控制收放侧拉厢和支撑腿, 设计上通过传动轴和多向轴承, 变力变向同步驱动侧拉厢的开闭, 完全避免了收放时远端和近端由于压力不同而造成的不同步现象;完全避免了由于采用液压油受温度限制而影响整个车体工作的困惑。在打开情况下, 侧拉厢底部不需支撑, 可承载5吨的重量, 长期使用不变形。为了确保侧拉厢安全准确地收放, 车内在地板折叠、门的合闭、工作台面的移动等处均安装有监测装置和缓冲机构, 操作人员可以直观地了解到各个关键部位的状态。

4.箱体结构特点

车体采用特种钢框架结构, 寿命可达40年以上。

箱体板材组成 (由外向内) :外层整张的铝板, 确保车外表面的平整;中间层为特种钢结构和填充物。钢结构有特种钢和不锈钢。填充物有实木、船用胶合板和聚酯纤维树脂, 这取决于不同的地方, 如固定设备、隔热层等, 这些材料均作防火处理;内层为铝板或木板, 其内部粘贴吸音材料, 外表覆盖开孔板、皮革或者其他材料。

另外, 为了达到良好的使用效果, 特别是满足音频区和导演区5.1声道的制作需求, 在天花板内部和墙体内部均做了材料上的处理。

这样的组成最终构成了一张具有保温、防水、防锈、环保、抗过敏、不易形变、具有较强牢固度的板材。

5.箱体内部特点

1) 慢动作区设置在侧拉箱上, 与技术机柜背靠背放置, 并且有独立监视系统 (考虑慢动作在转播中使用的概率) 。监视系统在生产中直接将监视器固定件预埋在侧拉箱墙壁内, 在侧拉箱墙壁内预留走线槽, 在满足慢动作要求情况下, 使慢动作区使用空间减小。

2) 转播车车内部照明采用逻辑电路管理方式, 设置有普通照明、脚本照明 (工作时可以将普照关闭, 各工位可以独立用工位脚本照明) , 脚本照明灯可以根据要求进行光线调整 (灯的强弱可变) , 车内部照明供电有交流、直流两种方式, 每个工位在工作台边缘有开关, 可以控制自己工位区照明灯, 普通照明灯均镶嵌在天花板内部 (照度测量满足要求) 。

3) 车内部机柜在标准机柜外增加两个前面密封机柜, 这两个机柜制冷系统为独立降温, 称为强制制冷机柜, 主要是为产生热量大设备、噪音大设备、车内核心设备之用, 这样有利于主要设备的降温、隔音、防尘, 确保系统的稳定正常运行。

4) 全车车外遮阳板及检修门, 在车右边 (侧拉厢一方) 设立一块长12m×宽1.6m大遮阳板, 将前平台 (音频区门前) 、前梯子、后梯子、整个侧拉厢伸出部分全部遮盖, 当转播车在雨天、雪天工作时, 侧拉厢伸展开后, 工作人员工作方便, 整个防雨雪性能增强, 并且减少前后门前的电动雨棚, 使整车外观效果增强。整车检修门设置在车体左边, 检修门按内部功能相对应处设计, 要求打开门后能直接检修, 并要求门大小合理、外观大方。在车体左边后部设置一个逃生门, 这个门还可以在侧拉箱收回后工作人员上车检查内部用。

4结束语

城轨车辆车体模态分析 篇8

城轨车辆在现代交通系统中起着重要的作用, 城轨车辆在运行过程中存在不同程度的振动与噪声, 这些因素直接影响着车辆运行安全与乘客乘坐舒适度, 因此需要对城轨车辆进行相应的动力学分析, 由于结构的振动特性决定结构对于各种动力载荷的响应情况, 所以在准备进行其它动力分析之前首先要进行模态分析。

模态分析是用来确定结构的振动特性的一种技术, 通过模态分析可以使结构设计避免共振, 工程师可以认识到结构对于不同类型的动力载荷是如何响应的, 有助于在其它动力分析中估算求解控制参数。

1 ANSYS模态分析的方法

车体模态分析主要是预测无阻尼结构的自振频率和振型, 可以用来预测共振, 也可以为进一步的动力学分析做准备。结构的模态主要取决于结构的质量与分布、结构的刚度。

在ANSYS中有提取模态的方法以下几种:Block Lanczos法、空间法、缩减法、不对称法、阻尼法[1,2]等。Lanczos法可以在大多数场合中使用, 当提取中型到大型模型的大量振型时 (>40) , 此方法经常应用在具有实体、壳单元的模型中, 其基本思想是将原特征值问题转化为三对角阵的特征值问题。

采用有限元法分析的动力学问题时, 经常采用有限元格式下的动力学微分方程:

其中: 、a (t) 分别是结构的结点加速度向量、结点速度向量、结点位移向量, M、C、K、Q (t) 分别是结构的质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵和结点载荷向量。

若不计阻尼, 则式 (1) 简化为

则式 (2) 的解可以写成a=φsin (t-t0) , 其中φ是n阶振型向量, ω是向量准振动的频率, t是时间变量, t0是由初始条件确定的时间常数。

采用Lanczos算法, 特征值可以写成

设Q为由Lanczos向量构成的转换矩阵, 若选择的Lanczos向量使Q具有以下性质:

其中, T为三对角阵, 则式 (3) 可以写成

此三对角阵的特征值问题, 即可以用标准算法来快速求解。

本文采用自由模态分析构架的固有特性, 对车体的模态分析所用的程序是ANSYS软件, 采用Lanczos进行固有频率分析。

2 城轨车辆车体模态分析

根据某型城轨车辆的真实设计尺寸[3], 建立了有限元模型如图1。

本文设计了3种模态分析工况, 如表1所示。

1) 工况1模态分析。铝合金车体空车模态计算, 是对车体模型无约束的自由模态计算, 共计算20阶模态, 从20阶模态分析过滤, 将其主要振型和频率列出如图2~图3所示。

2) 工况2模态分析。整备模型包括车体结构及附属的车体各种设备等。同空车模态的计算一样, 对整备模型进行无约束的自由模态计算, 计算前20阶模态, 将其主要的振型和频率列出如图4、图5所示。

3) 工况3模态分析。超员状态模型包括车体结构及附属的车体各种设备以及超员人数等。同空车模态的计算一样, 对整备模型进行无约束的自由模态计算, 计算前20阶模态, 将其主要的振型和频率列出如图6~图7所示。

3 结论

1) 模态分析对于车辆设计来说十分重要, 它可以模拟真实工况下的车辆受力与变形状态, 能够给设计者提供有意义的参考依据。

2) 本文设计了3种模态分析的工况, 对车体进行了模态分析, 结果表明:a.铝合金车体空车的一阶垂向弯曲振型频率17.22 Hz, 一阶扭转为17.761 Hz;b.整备状态下车体的一阶垂向弯曲振型频率17.224 Hz, 一阶扭转为18.512 Hz;c.超员状态下车体的一阶垂向弯曲振型频率17.21 Hz, 一阶扭转为17.389 Hz。

根据相关文献可知, 空气弹簧的固有振动频率为1~2Hz[4], 而转向架模块的一阶垂向弯曲振动频率为51.429[4]。因此车体、空气弹簧、转向架之间一阶模态固有频率差别显著, 不存在共振的可能, 也就是说, 车体结构设计合理。

摘要：城轨车辆在运行过程中存在着不同程度的振动, 为了避免车身与车辆其他部件发生共振, 因此要对车辆车体进行模态分析。文中主要建立了城轨车辆有限元模型, 然后设计了模态分析工况, 在A N SY S中进行了模态分析。结果证明, 车体与车辆其他主要部件不会发生共振。

关键词：城轨车辆,振动,优化,模态分析

参考文献

[1]方远翔, 陈安宁.振动模态分析技术[M].北京:国防工业出版社, 1993.

[2]朱安文, 曲广吉.结构动力模型修正技术的发展[J].力学进展, 2002, 32 (3) :337-347.

[3]林田聪.欧洲铁路开发新的车辆结构[J].国外铁道车辆, 2002, 39 (6) :12-14.

窄型铰接车体结构设计 篇9

关键词：铰接车体,有限元计算,试验

1 概述

该窄型铰接车辆采用3辆编组, 每辆车由A、B两节组成;每辆车均有两个动力转向架和一个非动力转向架;列车整体贯通且能通过40 m小曲线及S型车场线路;列车最大运行速度70 km/h, 车辆结构设计寿命不小于30年。

2 车体主要结构特点

为保证车辆满足线路运行条件, 车体采用自主研制的铰接式全焊接铝合金车体结构。每辆车由A、B两节车体通过铰接模块与中间非动力铰接转向架连接。车体与动力转向架的连接也与传统项目不同, 采用动车连接模块与转向架连接的方式, 以便实现车辆水平转动, 以利于顺利通过40 m小曲线及S型车场线路。除此之外, 该车体还具有如下特点。

1) 定距10 670mm, 较普通铰接车辆定距8 000 mm更长。

2) 车体宽度2 540 mm, 比一般轻轨车辆宽度2 650 mm更窄。

3) 车体在最大垂直载荷条件下能够承受静态纵向压缩载荷为500 k N, 静态纵向拉伸载荷400 k N, 比一般的轻轨车辆载荷更大。

4) 为满足车辆限界, 车体顶部采用通长的长顶板型材组焊而成的平台。

3 车体结构设计

3.1 车体断面

该车型根据车辆运行限界确定车辆断面为V型, 再综合考虑转向架、内装、车门、空调等设备的安装需要, 最终确定车体的断面图 (如图1所示) 。该车体断面最大宽度2 540 mm, 为目前最窄的轻轨车辆。

3.2 车体结构

车体主要由底架、侧墙、端墙、车顶等组成, 如图2所示。在A车I端设置司机室结构, B车两端设置端墙, A、B车其余的主结构完全一样。A、B车通过铰接装置与转向架相连, 通过该装置两车能相互转动一定角度, 满足小半经曲线的要求。

底架是乘客及车底设备承载结构, 不但能承受和传递牵引力和制动力, 还能满足架车、复轨、多车编组连接等正常运营及维护所产生的载荷。底架是大断面铝合金挤压型材焊接而成的无中梁结构。地板型材下部自带有C型槽, 供安装底架设备。

车体与转向架连接处, 尤其是车端铰接区域, 受力情况复杂, 载荷大, 因此通过螺栓与转向架相连的铰接模块和动车连接模块均采用高强度合金钢30Ni Cr Mo8材料。

非动力转向架上设置有三环回转轴承, 外圈通过铰接模块与A节车体连接, 中圈与转向架摇枕固定, 内圈通过铰接模块与B节车体连接, 两节车体通过轴承实现水平转动, 通过内圈轴承上的轴套实现点头运动。动车转向架采用带摇枕结构, 在摇枕上安装两环回转支承, 车体通过动车连接模块与回转支承外圈相接, 转向架摇枕与回转支承内圈连接, 实现车辆水平转动 (如图3所示) 。

侧墙采用分块式结构, 每一块侧墙又由2根门立柱及中部的侧墙板组成。侧墙板采用搅拌摩擦焊接技术, 降低了侧墙板制造过程中的变形, 提高表面平整度。侧墙板型材上设计有C型槽, 用于安装客室座椅和内装板。由于该车型载荷强度较低, 客室门角可以采用较小的圆角半径, 因此门角直接在底架边梁及顶盖边梁上机加工而成。

车顶主要由车顶平台、车顶边梁、长梁等组成。车顶上表面为通长平台, 根据空调机组、废排及其他部件的安装要求, 在相应的位置设置送回风口及安装座。

综合考虑头罩、司机台、司机室内装等的安装要求, 结合工业设计理念及司机的视野角度, 确定司机室骨架的主体结构。司机室结构主要由下部横梁、上部弯梁、纵梁梁以及两侧的带窗户侧墙组成 (如图4所示) 。

4 有限元分析

通过有限元手段, 对车辆的多种工况进行分析, 一方面可以验证结构设计的合理性, 另一方面可以根据应力、频率、材料利用度等计算结果, 进一步优化结构。由于A、B车通过铰接装置连接成一个整体, 因此必须同时对两车进行分析才能真实地反映车辆之间的受力情况。

4.1 静强度分析

根据EN 12663[1]标准的要求设置静强度计算工况18种, 其中车钩处压缩载荷为500k N, 拉伸载荷400k N。在各种工况下, 车体各部件承受的应力不得大于材料的屈服强度[2]。

乘客及内装载荷均布在车体地板面, 主要的大型设备采用集中载荷的方式施加在车体结构相应的部位上。车体的有限元模型如图5。铰接装置计算模型如图6所示。最具代表性的AW3拉压载荷工况计算结果见图7~图9。

计算结果表明[3], 车体的静强度满足标准及设计要求, 所有部位的应力均在材料的许用应力之内。

4.2 模态分析

模态计算模型采用强度计算模型, 不同的是强度计算时加的载荷为力, 在此全部采用质量单元[4]。对于像空调、车钩、底下悬挂设备等大型设备, 在设备重心处施加集中质量单元;对于内装、管线等, 采用质量单元在地板上均匀施加。根据EN12663标准的要求, 本车型设置两种模态计算工况:车体模态计算和整备模态计算。其中整备垂向模态计算结果如图10所示。

4.3 疲劳分析

车体疲劳强度计算载荷工况主要依据标准EN 12663确定。

1) 工况1:超载状态编组列车垂向载荷, 垂向加速度a=1±0.15 g。

2) 工况2:超载状态编组列车横向载荷, 横向加速度a=±0.15 g。

3) 工况3:超载状态编组列车纵向载荷, 根据列车启动和制动确定。

4) 工况4:超载状态编组列车的扭曲载荷, 按线路扭曲的Ft=3‰确定。

根据EN 12663和ERRI B12RP17提供的疲劳强度分析方法, 结合MKJ图计算出车体的材料利用率, 从计算结果来看 (如图11所示) , 车体的最大材料利用度均小于1, 满足设计要求。

5 试验

为验证车体的强度和刚度是否满足相应的标准以及设计要求, 需对新造车辆进行静强度试验, 强度试验项目及配重参照强度计算工况进行设置, 试验配重如图12所示。试验采用220个BE120-5AA (单向) 和4个BE120-3CA (三向) 的电阻应变片测量应变, 采用36个位移传感器测量车体变形。

为消除车体的残余应力, 在正式试验前对车体施加预言拉压载荷。为保证试验安全, 试验项目均采用三级加载的方式施加载荷。每个试验项目均重复三次试验, 在试验加载开始前, 对测试系统清零, 加载完成后, 采集试验数据, 卸载后, 采集残余数据。

试验数据表明[5], 在各试验工况中, 所有测量点的应力均在许用应力之内。在卸载后, 被试车体无屈曲、损坏或永久变形, 车体结构的测量挠度值恢复到原来状态。

6 结语

通过借鉴现有铰接车辆的设计理念及成熟结构, 重点关注40 m曲线及S型车场线路引起的车辆变化导致的车体结构变化, 重新进行车体断面, 车体底架, 铰接模块, 动车连接模块等的设计, 成功设计了一种新型的, 适用于40 m曲线及S型车场线路的窄型铰接铝合金车体。通过静强度试验表明新设计的车体结构完全满足设计要求, 丰富了目前的轻轨产品线。

参考文献

[1]BS EN 12663-1《铁路应用铁路车辆车体的结构要求第1部分:机车和客运车辆》[S].

[2]DVS 1608《轨道车辆制造领域中铝合金焊接结构的形状和强度评定》[S].

[3]车体静强度计算报告[R].朱州:南车株机公司, 2013.

[4]车体模态计算报告[R].朱州:南车株机公司, 2013.