李 韜

（上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司，上海200233）

軌道交通車輛作為大運(yùn)量公共交通系統(tǒng)運(yùn)輸工具，必須確保所運(yùn)送人員和貨物的安全，這就要求車輛具有足夠的安全性、可靠性和舒適性。如今，隨著節(jié)能環(huán)保要求和經(jīng)濟(jì)性要求的不斷提高，盡可能降低車輛牽引能耗和原材料消耗的要求也日益突出，對(duì)車輛結(jié)構(gòu)的輕量化要求也越來越苛刻；因此，在車輛研制時(shí)就需要尋求到一個(gè)平衡點(diǎn)，即要在滿足車輛強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等性能以及工藝性要求的同時(shí)，其結(jié)構(gòu)盡可能輕。判斷車輛結(jié)構(gòu)是否滿足要求，首先就要確定車輛的承載結(jié)構(gòu)性能是否合格。車體是車輛的主要承載結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)對(duì)其強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、模態(tài)、疲勞和耐碰撞性進(jìn)行大量的有限元分析，以確定其性能是否達(dá)標(biāo)，并具有足夠的安全余量。但是，車體的有限元分析往往會(huì)因?yàn)橛?jì)算機(jī)模擬的程度和設(shè)計(jì)分析人員的經(jīng)驗(yàn)等因素影響而產(chǎn)生偏差，車體結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)工藝也會(huì)對(duì)其性能產(chǎn)生不同程度且不可預(yù)測(cè)的影響。車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)就是為了檢驗(yàn)車體的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性有限元分析是否準(zhǔn)確可信，生產(chǎn)工藝是否安全可靠，并為車體的優(yōu)化設(shè)計(jì)積累足夠可信的理論依據(jù)。

上海國(guó)產(chǎn)化A型地鐵列車是上海市重大產(chǎn)業(yè)科技攻關(guān)項(xiàng)目之一，項(xiàng)目研制采用了產(chǎn)學(xué)研用的模式，在國(guó)內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)了A型地鐵列車整車系統(tǒng)自主集成，以及車體、轉(zhuǎn)向架、牽引與控制系統(tǒng)等核心技術(shù)的自主研發(fā)。為了檢驗(yàn)上海國(guó)產(chǎn)化A型地鐵列車車體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度性能是否滿足設(shè)計(jì)要求，車輛研制過程中按照BS EN12663—2000《鐵路應(yīng)用——鐵路車輛車體結(jié)構(gòu)要求》、JIS E7105—1989《鐵道車輛車體的靜載荷試驗(yàn)方法》、TB／T1335—1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》和項(xiàng)目技術(shù)規(guī)格書的有關(guān)要求[1－3]，對(duì)其車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜強(qiáng)度試驗(yàn)，并于2007年6月完成車體型式試驗(yàn)鑒定。

1 試驗(yàn)對(duì)象和要求

國(guó)產(chǎn)化A型地鐵列車采用6輛編組型式，構(gòu)造速度90 km／h，最大載客量2 460人，列車長(zhǎng)度139.98 m，車輛寬度3 m，車輛定距15.7 m。其車體結(jié)構(gòu)分為3種型式：帶司機(jī)室的拖車（A車）、帶受電弓的動(dòng)車（B車）和不帶受電弓的動(dòng)車（C車）。車輛研制過程中分別對(duì)其中兩種典型車體結(jié)構(gòu)A車與B車進(jìn)行了有限元分析、靜強(qiáng)度與模態(tài)型式試驗(yàn)，以校核車體結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計(jì)要求。本文僅講述帶受電弓的動(dòng)車，即B車車體結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)車體為首臺(tái)車的車體。

帶受電弓的動(dòng)車車體采用梯形斷面焊接整體承載結(jié)構(gòu)，由底架、側(cè)墻、端墻和車頂部件組成。車體結(jié)構(gòu)材料選用牌號(hào)為EN AW－6005A T6和EN AW－7005 T6的鋁合金型材和鋁合金板材，要求車體結(jié)構(gòu)能夠承受極端條件下的動(dòng)載荷、靜載荷以及沖擊載荷。在架車、起吊、救援、調(diào)車、連掛和多車編組回送作業(yè)時(shí)的各種載荷作用下，車體應(yīng)力不超過設(shè)計(jì)許用應(yīng)力（見表1），車體不產(chǎn)生永久變形及損壞。車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，模擬上述各工況對(duì)車體強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核。B車車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)質(zhì)量參數(shù)如表2所示。

表1 B車車體結(jié)構(gòu)材料機(jī)械性能

表2 B車車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)質(zhì)量參數(shù)

2 試驗(yàn)內(nèi)容和方法

靜強(qiáng)度試驗(yàn)過程中根據(jù)B車車體結(jié)構(gòu)承載情況和有限元計(jì)算報(bào)告，對(duì)B車車體結(jié)構(gòu)施加垂向載荷、縱向載荷及其他附加工況載荷，測(cè)取應(yīng)力和位移數(shù)據(jù)。靜強(qiáng)度試驗(yàn)工況在表3中列出，各工況的垂向載荷在施加時(shí)應(yīng)減去車體及車載試驗(yàn)設(shè)備自重，其數(shù)值在表4中列出。各工況試驗(yàn)過程中，首先確認(rèn)傳感器信號(hào)清零，逐步施加垂向載荷，采集數(shù)據(jù)后再逐步施加縱向載荷或扭轉(zhuǎn)載荷及其他附加載荷，數(shù)據(jù)采集完整后，卸載并檢查傳感器信號(hào)是否歸零。試驗(yàn)數(shù)據(jù)由靜態(tài)數(shù)據(jù)采集裝置、稱重傳感器、力傳感器和應(yīng)變式位移傳感器等進(jìn)行采集。

表3 B車車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)工況

（續(xù)上表）

表4 B車垂向施加載荷k N

應(yīng)力和位移測(cè)點(diǎn)的數(shù)量和位置在考慮測(cè)試車體結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)儀器設(shè)備的特點(diǎn)同時(shí)，根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果、測(cè)試載荷工況、測(cè)試規(guī)模和試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)確定。B車車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)應(yīng)力和位移測(cè)點(diǎn)的布置和編號(hào)如圖1所示。

正式試驗(yàn)前，各工況分別進(jìn)行2次預(yù)加載，載荷分階段增加，直至加到最大載荷，以消除結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力，然后進(jìn)行1次正式試驗(yàn)。圖2所示為B車車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)照片。

圖1 B車車體應(yīng)力和位移測(cè)點(diǎn)的布置和編號(hào)

圖2 B車車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)照片

3 試驗(yàn)分析

B車車體結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示所有測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力均小于所選用材料的許用應(yīng)力。測(cè)得車體最大應(yīng)力143.7 MPa，發(fā)生在最大載荷狀態(tài)下車鉤區(qū)域壓縮載荷工況牽引梁下蓋板折彎處，安全系數(shù)1.6。車體最小安全系數(shù)1.4，應(yīng)力100.6 MPa和97.9 MPa分別發(fā)生在1.3（m1＋m2）垂向載荷工況下窗角處和最大載荷狀態(tài)下車鉤區(qū)域壓縮載荷工況枕內(nèi)地板下表面與枕梁上蓋板中心連接處。在1.3（m1＋m2）垂向載荷（作用長(zhǎng)度3 090 mm＋15 700 mm＋3 090 mm）作用下底架邊梁中央下?lián)?0.285 mm，車體的相當(dāng)垂向彎曲剛度以底架邊梁撓度計(jì)算為1.75×109N·m2。二位端一位側(cè)支承點(diǎn)下降時(shí)，車體的相當(dāng)扭轉(zhuǎn)剛度為3.08×108N·m2／rad，二位端二位側(cè)支承點(diǎn)下降時(shí)，車體的相當(dāng)扭轉(zhuǎn)剛度為3.38×108N·m2／rad。B車車體有限元分析得出的數(shù)據(jù)如下：在1.0（m1＋m2）垂向靜載荷作用下底架邊梁中央下?lián)隙?.6 mm，車體的相當(dāng)彎曲剛度為1.36×109N·m2，相當(dāng)扭轉(zhuǎn)剛度為5.14×108N·m2／rad。

靜強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)與有限元分析結(jié)果對(duì)照表明，試驗(yàn)測(cè)試值接近有限元計(jì)算結(jié)果，誤差在20%以內(nèi)，有限元計(jì)算結(jié)果普遍偏高，偏于保守。B車車體最大載荷狀態(tài)下拉伸載荷工況牽引梁下蓋板測(cè)點(diǎn)距枕梁中心距離L的測(cè)試與計(jì)算應(yīng)力變化曲線對(duì)比（見圖3）為相對(duì)典型的對(duì)比結(jié)果。

圖3 測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化曲線對(duì)比

4 結(jié) 語

上海國(guó)產(chǎn)化A型地鐵列車帶受電弓的動(dòng)車，即B車車體結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明：該車體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度性能均滿足設(shè)計(jì)要求，車體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，試驗(yàn)方法正確合理，試驗(yàn)測(cè)試和有限元計(jì)算的結(jié)果基本吻合。試驗(yàn)結(jié)果同時(shí)表明：該車體的強(qiáng)度和剛度具有一定余量，其結(jié)構(gòu)優(yōu)化存在一定空間；因此在車輛的產(chǎn)業(yè)化設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮對(duì)其進(jìn)行有針對(duì)性的優(yōu)化，在控制車體生產(chǎn)工藝難度的同時(shí)，進(jìn)一步提高車體結(jié)構(gòu)性能。

[1] 歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì).BS EN 12663—2000鐵路應(yīng)用——鐵道車輛車體結(jié)構(gòu)要求[S].布魯塞爾：歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)，2000.

[2] 日本標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì).JIS E 7105—1989鐵道車輛車體的靜載荷試驗(yàn)方法[S].東京：日本標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)，1989.

[3] 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB／T1335—1996鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范[S].北京：中華人民共和國(guó)鐵道部，1996.