大连地铁1、2号线车辆车体结构设计

郭蕾

【摘 要】本文主要介绍了大连地铁1、2号线车辆的车体结构设计，从车体材料选择、焊接工艺、结构连接、强度计算等多方面保证车体结构能够满足地铁车辆运行的各种需要。

【关键词】不锈钢车体；钢结构；材料性能；地铁车辆

0 前言

随着我国国民经济的持续快速发展，城市化进程的不断加快，市内交通需求持续增长，城市交通设施与城市化发展的矛盾逐渐显现。轨道交通以其运量大、速度快、安全可靠、准点舒适等优势成为我国城市公共交通的发展方向。

大连地铁1号线起自姚家，终至河口，线路全长28.339km；2号线起自东海公园，终至南关岭，线路全长36.562km。车辆要适应大连市的自然环境和地铁线路条件，能在地下、地面和高架线路上运行，车辆采用3动3拖六辆编组方式。为此，大连地铁1、2号线车辆研发设计成B2型不锈钢车辆，车体采用不锈钢材料的轻量化整体承载焊接结构，具有列车自动驾驶功能，采用模块化设计。以下介绍大连地铁1、2号线车辆车体结构、部件和轻量化等方面的具体设计。

1 车体结构设计

1.1 车体钢结构组成

大连地铁1、2号线车辆为6辆/列编组，车辆分为带司机室拖车（Tc车）、带受电弓动车（Mp车）和不带受电弓动车（M车）三种。

车体是车辆运输的载体，要承受各种静载荷、动载荷、冲击、振动，应该满足构造速度运行的要求，保证车辆运输安全。除此之外，还要满足密封、减振、隔热和防火性能要求，考虑在各种条件下的架车、起吊、高空作业安全、救援、调车、连挂、多车编组回送、事故状态下的应急措施。

大连地铁车辆车体结构采用不锈钢轻量化设计，是典型的薄壁筒型整体承载的点焊传力结构。车体的主体结构由底架、左右侧墙、端墙、顶棚、司机室等结构焊接组成。下图为Tc车体钢结构装配三维图。

图1 Tc车体钢结构装配

1.2 底架装配

车体底架为无中梁结构，主要由端底架、不锈钢横梁、波纹地板、不锈钢底架边梁等组成。Tc车底架I位端有防爬装置和吸能区，II位端与Mp车前后端基本相同。枕梁和牵引梁部位采用耐候钢材料，波纹地板选用标准的型材断面，在底架前后部，与枕梁和端梁塞焊焊接为一体。Tc车I位端底架由吸能结构、牵缓组成、枕梁等组成。

图2 Tc车底架装配

1.3 侧墙装配

侧墙钢结构由侧墙板、立柱、横梁、底部横梁和门框等焊接成为整体。侧墙结构采用分块模块化设计，由门口隔开。车体左右侧墙完全对称，每侧设有5个门和3个侧窗。

图3 Tc车侧墙装配

分块侧墙组成由门立柱装配、窗立柱装配、窗上梁装配、窗下梁装配、底部横梁等组成，部件之间均采用点焊连接。各分块侧墙组成框架结构在专用焊接胎具上，通过自动点焊与蒙皮支撑板、窗中板、窗下板装配、窗角焊接形成一个分块侧墙组成单元。车体侧墙两侧设有一定数量的安装座、安装梁及走线架，与侧墙钢结构刚性连接，用来安装门系统、客室座椅、内墙板、门立柱及走线等。

1.4 顶棚装配

顶棚钢结构由两个上弦梁、顶部弯梁、侧顶板及两个空调机组平台一起焊接组成，在顶棚骨架上面铺设波纹板。

图4 顶棚装配

空调机组平台模块化设计，组焊后的空调机组平台整体与顶棚弯梁、波纹顶板及车顶上弦梁组焊为一体。空调机组平台设计时充分考虑整个平台的强度和刚度。整个平台由横梁、纵梁等几部分组成，装配各梁之间使用点焊形成框架结构。弯梁上铺有波纹顶板组成。波纹顶板两端增加补强板以保证车顶的强度及刚度。

1.5 端墙装配

端墙钢结构由不锈钢外板，门口立柱、顶部弯梁、小横梁和贯通道安装梁、底部横梁组成。

1.6 司机室钢结构

司机室采用含钢结构骨架的整体玻璃钢结构，与车体的底架、侧壁和顶棚连接到一起。玻璃钢司机室主要由玻璃钢外罩组成（含钢结构骨架）、裙板、挡板、脚蹬等组成。玻璃钢外罩钢结构骨架与玻璃钢外罩之间的螺栓连接方式，可以进行上下和前后的调节。

2 车体材料的选择

轻量化是指采用现代设计方法和有效手段对产品进行优化设计，或使用新材料在确保产品性能指标的前提下，尽可能降低产品自身质量，以达到减重、降耗、环保、安全的综合指标。城轨车辆车体轻量化通过选用强度更高、质量更小的新材料及设计更合理的车体结构来实现，车体轻量化是大连地铁1、2号线车辆车体材料选择的重要衡量标准。

2.1 奥氏体不锈钢

车体材料的选择关系到车辆成本、重量、安全性、美观性等，因此车体选材是车体设计必须考虑的重要问题。目前城市地铁车辆车体材料有普通钢、不锈钢和铝合金三种。不锈钢和铝合金相比，耐热性不锈钢优于铝合金。根据国内外地铁车辆车体采用不锈钢和铝合金的实践经验，地铁车辆耐候钢车体自重约9～10t，不锈钢车体约7～8t，铝合金车体约5～6t，然而铝合金的抗拉强度不如不锈钢，而且铝合金刚度低，为保证车体具有足够的承载强度和刚度，铝合金车体必须采用大型中空型材及其组合件，并且加大板厚。耐腐蚀性方面，二者都具有较好的耐腐蚀性，但不锈钢车体比铝合金车体更优越，不锈钢车体在制造过程中不用进行防腐保护，完工后也不需涂漆。经济型方面分析，铝合金车的平均采购价格约是普通钢车的1.8倍，不锈钢车的采购价格约是普通钢车的1.2倍。维修费用方面，不锈钢车体最优。整个地铁车辆寿命周期来看，铝合金车体高于普通钢车体高于不锈钢车体。

综合考虑成本、维护等多方面因素，大连地铁1、2号线车辆车体材料采用车辆专用奥氏体不锈钢，不锈钢化学成分、机械性能、质量等级符合德国标准EN10088-2或日本标准JISG4305：1999（底架牵引梁及枕梁部位采用满足EN10155标准的耐候钢），其化学成分、力学和物理性能及焊接特征如下。

2.2 不锈钢化学成分和力学性能

车体不锈钢化学成分和力学性能如表1和表2。

SUS301L中的Ni和Cr含量低于SUS304，其屈服极限比（屈服强度/抗拉强度）亦不大于0.8，因而具有更加良好的冲压加工性能，且能通过冷冲压加工提高其抗拉强度。SUS301L通过冷加工可以得到不同的强度，然后根据应用部位不同采用屈服强度为200～700N/mm2不等的材料。

2.3 物理性能及焊接特征

由于奥氏体钢特殊的物理性能，在焊接过程中会引起较大的应力与变形。奥氏体不锈钢加热到450～850摄氏度时会发生敏化，钢材中的Cr的碳化物会沿晶界析出，使得晶界附近因含Cr量下降而出现晶界腐蚀，同时屈服强度和抗拉强度会急剧下降。另外，不锈钢材料的热膨胀系数为钢的1.5倍，因此相同热量的变形量会比普通钢材大的多。因此，不锈钢车体制造工艺中一般避免采用电弧满焊，多采用电阻点焊工艺。

3 车体强度与刚度计算

根据标准EN12663：2010“铁道车辆车体结构要求”，大连地铁1、2号线车辆类型归属于其中的P-III，即地下快速轨道交通车辆。车体能够承受垂直、纵向、扭转、自重、载重、牵引力、横向力、制动力等动、静载荷及作用力，在其使用期限（30年）内能承受正常载荷的作用而不产生永久变形和疲劳损伤，具有足够的刚度和强度，满足维修和纠正脱轨等要求，车体可承受的纵向压缩和拉伸静载荷分别不低于800kN和640kN。以下以Tc车为例，介绍车体强度刚度计算模型和结果分析。

本次静强度和刚度计算工况共17个，通过计算，大连地铁1、2号线不锈钢点焊地铁Tc车车体的静强度和刚度的分析结果表明：在垂直静载荷的作用下，车体中央断面底架边梁下翼缘的垂直挠度值小于挠跨比1/1000的设计要求；根据各工况下的应力云图显示，车体在垂直载荷工况、纵向压缩工况、纵向拉伸工况、救援工况、吊装工况及扭转载荷工况等作用下，所有部位应力均不超出该部位所选材料的许用应力。因此该车刚度和强度均满足设计要求。

4 车体静强度试验

2013年12月，由青岛四方车辆研究所按JISE7105-2006《铁道车辆车体的静载荷试验方法》和EN12663标准对大连地铁1、2号线车辆车体钢结构进行垂向载荷试验、车端压缩载荷试验、车端拉伸载荷试验、扭转试验和三点支承试验。试验结果表明，车体结构设计均满足要求，并且与计算结果基本相符。

5 结语

通过以上设计和试验验证的首批38列大连地铁车辆已经交付使用，运用良好。该车辆的设计过程中采用CREO软件三维技术，使用PLM系统进行数据的管理和使用，采用了自顶向下的设计方法，实现了设计整车参数化和各部门并行工作，不仅达到了设计要求，实现了预期目标，而且极大提高了工作效率和设计水平。

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[责任编辑：王楠]