伊朗设拉子地铁车辆轻量化碳钢车体设计

【摘 要】本文主要介绍伊朗设拉子地铁车辆轻量化碳钢车体设计。主要介绍碳钢车体钢结构的组成及特点。

【关键词】碳钢车体钢结构；轻量化设计；模块化设计

0 前言

伊朗是一个对地铁需求量较大的国家，包括德黑兰、设拉子、伊斯法罕等大城市都规划了多条地铁线路。伊朗设拉子市已基本建成了首条地铁线路，急需地铁车辆。我们根据业主的要求，迅速制定了技术方案，通过充分的交流沟通，最终成功地与伊朗GPIG公司签署了地铁车辆采购合同。

1 轻量化碳钢车体详细技术内容

1.1 车体主要技术特征

该车辆采用三动两拖编组（+Tc-Mp-M-Mp-Tc+），最高运行速度为80公里/小时。车体钢结构材料采用高强度耐候钢，整个车体由底架、左右侧墙、司机室（Tc车）、端墙和车顶钢结构焊接而成，为一薄壁筒型整体承载结构。正常运用条件下，车体结构35年内不产生疲劳损伤，无腐蚀，无需更换或加固。

考虑伊朗设拉子地铁线路及站台的局限性，为适应车辆限界，采用非标型地铁车辆设计，车体宽度为2650mm，长度18600mm，车端距700mm。

车体结构强度执行EN12663-2010《铁路车辆车体的结构要求》P-III标准，车端静态纵向压缩载荷为800kN，纵向拉伸载荷640kN。能够承受垂直、纵向、扭动等动、静载荷作用。车体耐碰撞安全性设计执行EN15227-2008《铁路车辆车体的防撞性要求》C-II相关规定，在头车底架前端设有防爬和耐碰撞吸能区，使车辆发生碰撞时参与吸能，最大限度保护乘客的安全。

1.2 主要结构特点

车体结构为薄壁筒形整体承载焊接结构。车型分为Tc、Mp、M3种，均由顶棚、侧墙、端墙、底架等部分组成，能够承受垂直、纵向、扭转等动、静载荷。车体在最大垂直载荷状态下能经受纵向压缩力800kN和拉伸力为640kN的强度要求，并满足车体垂向挠度不大于车体支承点间长度1/1000的要求。

伊朗设拉子地铁车辆断面倾斜角度此次设计为4.365°。车体材料采用满足EN10155标准的耐候钢及Q345E等高强度材料，车体外表面涂漆。车体钢结构焊接执行EN15085。

1.2.1 司机室结构特点

司机室外罩为整体玻璃钢内设置钢骨架的结构，主要由玻璃外罩（含钢结构骨架）、裙板、挡板、前窗玻璃、前照灯等组成。与底架、侧墙、顶棚通过螺栓及塞焊型式进行连接。

司机室外罩钢结构骨架与司机室外罩之间的螺栓连接方式，可以进行上下和前后的调节。

为保证密封，司机室玻璃钢在装配前，在玻璃钢与底架接合处预先涂抹密封胶之后再将玻璃钢与底架用螺栓进行连接，玻璃钢骨架与顶棚装配、侧墙装配进行塞焊，中间缝隙用密封胶进行密封。

1.2.2 底架结构特点

底架钢结构为无中梁结构，主要由边梁、牵缓组成（Tc车I位端）、牵引梁组成（Tc车II位端，Mp/M车两端）、枕梁、大小横梁及波纹地板组成。Tc车底架I位端有吸能结构（防爬装置和吸能区组成），II位端与Mp车前后端基本相同。底架横梁、底架端梁均为槽钢；波纹地板选用冷弯的型材，材料为05CuPCrNi，板厚为1.5mm；底架两侧边梁采用槽钢，与牵引梁、枕梁、大小横梁、端梁焊接为一体。

吸能结构具有：一列AW0列车以25km/h的速度与另一列AW0停止状态的列车相撞时，吸收列车的撞击能量，确保客室无损坏，保证乘客的安全。防爬组成防止列车相撞时，由于惯性过大，一辆列车攀爬另一辆列车之上。

1.2.3 侧墙结构特点

侧墙钢结构由侧墙（右）、（左）两部分，单片侧墙由窗区模块、客室门框、司机室门框模块（Tc车）、门上梁模块及上弦梁等部分组成。

侧墙结构采用模块化设计，由门口隔开。Tc左右侧墙完全对称，每侧设有5个门和3个侧窗，Mp/M车左右侧墙完全对称，每侧设计有4个门和5个侧窗。窗口上横梁、侧墙所用材料均为09CuPCrNi-A。侧墙立柱由矩形钢管、盆型钢和槽钢组成。蒙皮厚度为2.5mm，在车体总组焊时进行焊接。

1.2.4 顶棚结构特点

Tc车顶棚钢结构由两个底部纵梁和顶部弯梁及两个空调机组平台一起焊接组成；Mp车顶棚由两个底部纵梁和顶部弯梁及两个空调机组平台、受电弓平台一起焊接组成；M车顶棚由两个底部纵梁和顶部弯梁及两个空调机组平台一起焊接组成。在顶棚骨架上面、端部铺设蒙皮。顶棚除空调平台、受电弓平台表面蒙皮为不锈钢外，其余结构材料均为09CuPCrNi-A。

空调机组平台设计时充分考虑整个平台的强度和刚度。整个平台由蒙皮、横梁、纵梁、出风口、回风口、空调安装座等几部分组成，装配各梁之间焊接成框架结构。

1.2.5 端墙结构特点

端墙钢结构由门口立柱、侧部弯梁、小横梁及蒙皮等部分组成。所用横梁、立柱、蒙皮材料为09CuPCrNi-A。

1.3 技术要点

1.3.1 车体材料

碳钢车辆车体钢结构用材料主要采用09CuPCrNi-A高耐侯钢材，其中波纹地板为确保其成型工艺采用05CuPCrNi耐候钢，所有耐候钢化学成分和机械性能满足EN 10155-1993或GB/T4171-2000高耐候结构钢标准。空调及受电弓平台的蒙皮、车门排水周边、雨檐等位置为确保其耐腐蚀性能使用06Cr19Ni10（旧牌号0Cr18Ni9）不锈钢，材料的化学成分符合 GB/T 1220-2007标准。

1.3.2 轻量化碳钢车体结构

碳钢车体主体结构主要由柱、梁等纵向贯通构件来承受纵向作用力，由外板、蒙皮、底架上波纹板等薄板来承受剪切力作用。因载荷不能直接传递到薄板上，设计时将底架、侧墙、顶棚等构件焊接为一体以整体承载方式来承受载荷，并将其分散到薄板上。在将底架、侧墙、顶棚、端墙设计为薄壁筒形整体承载结构体时，着重考虑骨架型材配置的合理性，使侧柱、车顶弯梁、底架横梁连结位置尽量一致，接近于环状结构，从而提高车体整体刚性，从而实现轻量化设计目的。经称重试验，设拉子地铁MP车车体钢结构重量8.8吨，对比以往线路车体（大连3号线碳钢车体10.3吨），减重效果明显。

1.3.3 针对焊接变形的控制设计

车体的焊接主要采用CO2气体保护焊，焊接变形较大，如何从结构设计上减小焊接变形，是一个很重要的问题。

1）蒙皮等薄板件与骨架的焊接采用塞焊。

2）钢骨架延车辆通长焊缝采用断续焊，外露部位通过蒙皮进行遮掩。

3）采用封闭腔结构，增加断面刚性以控制变形。

4）控制结构空隙以减小焊趾厚度，减少焊接次数。

1.4 车体钢结构的静强度计算

根据合同要求，车体结构设计、计算按照EN12663、EN15227等相关标准执行，为检验车体设计结构的合理性，校核车体的强度、刚度是否满足设计要求，并为车体结构优化设计和车体静强度试验提供可靠依据，在车体钢结构设计完成后对车体结构进行静强度计算、模态分析、碰撞计算、疲劳的相关计算，在保证结构强度的基础上进行优化和减重设计，使车体的结构完全满足设计要求。

2 试验情况

伊朗设拉子地铁车辆的车体结构强度设计按照EN12663《铁路车辆车体结构要求》中P-III类执行。首节Tc车和Mp车车体钢结构总组焊完成后，以EN 12663：2010《铁路应用 铁路车辆车体的结构要求》以及《车体静强度试验大纲》为参照，对伊朗设拉子Tc、Mp车体结构进行了静强度试验。试验结果表明：伊朗设拉子地铁车辆车体的设计完全满足EN 12663：2010《铁路应用 铁路车辆车体的结构要求》中对车体静强度的要求。

3 结束语

通过该车辆的设计实践，积累伊朗地铁方面的设计经验，丰富了我公司地铁车辆技术平台；该车辆成功地进入伊朗地铁市场，开拓了我公司地铁领域的版图，是一项有战略意义的工作。

【参考文献】

[1]菊地，隆宽.整体承载结构车体技术[J].R&M，2006.