国产化CRH2型200km_h动车组铝合金车体及技术创新.pdf

1 和谐号专栏国产化 CRH2 型 200 km/h 动车组铝合金车体及技术创新 陈文宾，丁叁叁（南车四方机车车辆股份有限公司 技术中心，山东 青岛266111）收稿日期：2008-02-04摘要：介绍了国产化CRH2型200 km/h动车组铝合金车体结构，阐述了其主要技术特点以及相关的技术创新工作。关键词：CRH2型动车组；铝合金车体；国产化；技术创新中图分类号：U266.2;U260.32 文献标识码：A 文章编号：1000-128X(2008)02-0001-04机 车 电 传 动ELECTRIC DRIVE FOR LOCOMOTIVES2,2008Mar.10,2008 2008年第2期 2008年3月10日Aluminum Alloy Carbody of Localized CRH2 200 km/h EMUsand Its Technical InnovationsCHEN Wen-bin,DING San-san(Technical Center,CSR Sifang Locomotive and Rolling Stock Co.,Ltd.,Qingdao,Shandong 266111,China)Abstract:The aluminum alloy carbody of localized CRH2 200 km/h EMUs are introduced.Its main technical characteristics are putforward as well as relative localization content and technical innovations.Key words:CRH2 type EMUs;aluminum alloy carbody;localization;technical innovation0引言CRH2型200 km/h动车组铝合金车体结构是在引进技术的基础上实现国产化的。通过引进技术，南车四方机车车辆股份有限公司（以下简称四方股份）系统了解和掌握了高速动车组铝合金车体的相关知识,通过消化吸收再创新工作，对CRH2车体强度、空气动力学性能等进行了研究，并完成了300 km/h速度级动车组铝合金车体（以下简称300 km/h CRH2车体）的自主设计、制造，完成了200250 km/h 16辆编组动车组车体的自主设计。1车体结构简介1.1车体结构型式最早真正的铝合金车辆是山阳电铁2000系，以A5083合金和A6061合金作为外板和小型骨架材料，形成外壳框架型式，基本上与钢制车结构相同。各部件之间采用焊接相连，但车体结构的总装采用铆接。结构型式如图1所示。后来开发出了高强度的焊接结构用合金A7N01，用做底架及上部车体结构的骨架。车体结构的总装采用焊接。而且，随着挤压性能增加的合金的开发，部分外板和骨架的组装已经转变为一体的挤压型材，达到了轻量化和减少材料数量的目的。代表性的车体结构是200系新干线的车体，见图2。图1骨架外壳结构车体实例（山阳电铁2000系）作者简介：陈文宾（1972-），男，主任设计师，现从事高速动车 组车体 设计 及相关的研究开发工作。PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 2 1.2车体结构主要技术参数CRH2车体主要技术参数见表1。车体断面见图5。1.3车体结构主要材料CRH2车体采用符合JIS H 4000、JIS H 4100的铝合金材料，主要材料见表2。机 车 电 传 动2008年但当时的铝合金车体结构与钢制车体结构相比，制造加工的费用很高，加上材料价格昂贵等因素，原始费用也非常高。因此，简化车体结构，以减少材料数量和焊缝、提高焊接的自动化率成为当时追求的目标。在此背景下，具有出色挤压性能和焊接性能的A6N01合金被开发出来，使制造大型薄挤压型材及大型薄中空挤压型材成为可能。最初采用挤压型材是以使用薄挤压型材的单壳车体结构为主结构，在车顶和侧墙外板上采用补强。也有部分底架结构采用中空挤压型材的。但是，由于中空挤压型材比单壳的重，因此当时只是有限度地使用。此种类型的车体结构如图3所示。一般来说，双壳结构（以中空挤压型材为主构成的结构）相对于单壳结构要重一些，但是，由于中空挤压材料具有强度高、刚度大、降噪性好等特性，可以省略在单壳结构中必须使用的加强材料，从而在车体的实际结构中不仅能够减少材料数量，降低成本，而且还能极大提高产品的各种其他性能。近年来，由于强调车辆的舒适性，业内认为在不影响列车动力学性能的前提下，适当增加车体的重量可以增加车体刚度，提高车辆的舒适性指标，因此，高速车辆的车顶和侧墙结构开始使用合理设计的双壳结构，在重量和列车动力学性能之间找到平衡点。双壳结构出现以后，在高速列车上开始大量使用，被认为是目前最适合高速列车的车体结构。该种结构的车体见图4。图2骨架外壳结构车体实例（200系新干线）图3薄挤压型材（单壳）结构图4中空挤压型材（双壳）结构表1CRH2车体主要技术参数项 目长度/mm宽度/mm高度（距轨面）/mm转向架中心距/mm地板面距轨面高度/mm车钩距轨面高度/mm车体弯曲固有频率/Hz参数 值头车25 450中间车24 5003 3803 70017 5001 3001 00010图5CRH2车体横断面表2CRH2车体主要材料材 料A5083P-OA7N01P-T4A6N01S-T5A7N01S-T5主要使用部位司机室，端墙底 架侧墙，车顶，底架底 架符合标准JIS H 4000JIS H 4000JIS H 4100JIS H 4100PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 3 陈文宾，丁叁叁：国产化CRH2型200 km/h动车组铝合金车体及技术创新 第2期1.4车体结构强度及刚度设计标准CRH2车体强度及刚度以JIS E 7105铁路车辆车体结构静载荷试验方法 为基准，结合车辆运用状态的实际情况进行了部分改进，相关标准见表3。1.5车体结构组成1.5.1车体CRH2型200 km/h铁路动车组采用4动4拖共8辆车编组形式，车体结构主要分为头车车体（2辆）和中间车车体（6辆）2种。头车车体由底架、车顶、侧墙、端墙、司机室组成，如图6所示。中间车车体由底架、车顶、侧墙、端墙组成，如图7所示。1.5.2底架CRH2车体底架分头车底架及中间车底架2种形式，分别见图8、图9。底架包括牵引梁、枕梁、边梁、缓冲梁、横梁和型材地板等。牵引梁主要由铝合金挤压型材和铝合金板焊接而成，连接车体底架的缓冲梁和枕梁，并为车钩缓冲装置设置相应的附加结构。车钩缓冲装置传递的纵向载荷通过固定在牵引梁上的从板座作用到牵引梁上，从而再通过枕梁等结构传递到整个车体结构，实现整体承载。枕梁由铝合金挤压型材和铝板焊接而成，支撑车体载荷。枕梁设置相应结构，保证与转向架悬挂系统的正常联结。枕梁外侧设置千斤顶支承座，以保证在救援和维修时的顶车作业载荷作用下不损伤车体。边梁是位于底架左右两侧的纵向梁，采用通长铝合金挤压型材拼焊而成。边梁是底架与侧墙连接成筒体的关键部件。缓冲梁由铝合金挤压型材和铝合金板材焊接而成。横梁位于底架地板下方，为安装在地板下的设备提供安装结构，为地板提供支承，并连接左右两边梁。横梁采用铝合金挤压型材。型材地板是由通长的挤压铝型材通过MIG自动焊焊接而成。1.5.3车顶车顶是车体上部结构，是受电弓、高压电缆等车顶设备的安装基础。CRH2车体车顶由大型中空挤压型材构成。头车和中间车车顶结构相同但纵向长度不同。根据车型的不同，在车顶根据受电弓、车顶电缆等设备焊接车顶焊接件，适应其安装。根据设备件的安装位置焊接车内骨架。1.5.4侧墙CRH2车体侧墙采用大型中空挤压型材，不设车内侧立柱，头车与中间车侧墙结构相同但纵向长度不同。在行李架、侧顶板及侧墙板等安装位置，在挤压型材上设置了通长的T型槽，便于车内部件的安装。考虑侧拉门的运动空间，侧墙门口拉门行程范围内设门袋结构。在侧窗安装的部位设置相应的安装结构。1.5.5端墙头车车体一端设置端墙，中间车两端均设置有端墙。端墙根据车辆卫生间和洗脸间的布置主要分为分体式和整体式2种结构形式，见图10。在端部设有卫生间和洗脸间的车辆，其端墙是分体式结构，外板上设有用于搬运卫生间玻璃钢模块的开口，搬运完后，用螺栓安装由铝板和铝型材骨架组焊接而成的闭塞板，图6头车车体实例（T1车）图7中间车车体实例（M1车）图9中间车底架实例（M1车）图8头车底架实例（T1车）表3CRH2车体强度及刚度设计标准垂直载荷车端压缩载 荷三点支持气密载荷弯曲固有振动频率扭转固有振动频率垂直载荷垂直载荷车端压缩载 荷垂直载荷内压载荷（车体重量+最大乘客重量）1.1车体重量980 kN39 kNm8.0 kPa（相当于压力变动范围）应力值不超过材料的弹性极 限乘 客重量 按80kg/人工况种类载荷种类载荷大小评价标准值备 注无应力值不超过材料的弹性极限应力值不超过材料的弹性极限应力值不超过材料的疲劳强度应力值不超过材料的弹性极限4.0 kPa的应力值不超过材料的疲劳强度一次弯曲固有振动频率为10 Hz以 上扭转载荷扭转载荷车体重量PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 4 2车体技术创新情况2.1车体强度在引进技术消化吸收再创新中，四方股份联合相关高校对CRH2车体实施了计算分析、实车试验测试分析，联合相关研究所实施了车体静强度试验。通过对CRH2车体实施静强度、模态、气密强度计算分析及静强度试验，在车体的设计标准、各部位材料的选用原则、车体结构的细节设计等方面，加深了了解，为自主设计后续动车组打下了基础。对CRH2车体疲劳关键部位实施了动应力实测，并开展了动载荷识别工作。根据准静态传递关系，由有限元分析计算结果以及试验数据对车体进行载荷识别，计算分析了列车在各条运行线路上的垂向动荷系数、车钩载荷分布情况以及抗蛇行减振器载荷分布情况。通过分析可知，CRH2车体结构既可以满足在胶济线高等级线路上以最高运行速度250 km/h运行的要求，也可以满足在既有线上以200 km/h速度运行。2.2空气动力学高速列车是在地面高速运行的长径比很大的细长物体，形状比较复杂，而且是近地运动，绕列车的空气流动是完全三维的流动，在列车尾部会出现一对很强的尾涡。还有一系列诸如高速驶过道旁建筑物或与列车交会、地面效应、易受横风的干扰、通过隧道时则会产生隧道出入口效应等复杂的周围环境与航空航天不同的空气动力学问题，使列车空气动力学呈现与航空技术不同的独特性能。列车空气动力学研究一般方法有：数理分析、计算机数值计算、风洞试验等。在机车车辆中，一般需要研究的各种空气力学问题如表4所示。通过实施CRH2动车组空气动力学性能数值计算、实车试验、动模型试验、风洞试验，对该动车组在不同的线路上、不同的速度下、不同的隧道中、不同的交会情况等工况下进行分析，获得了大量数据，并进行了综合分析，对后续动车组的设计提供了很好的参考资料。通过实施300 km/h动车组气动外形多方案设计比选、空气动力学性能数值计算、动模型试验，实现了时速300 km/h动车组新头型的科学合理选型，目前已经依据选型结果实施了司机室的创新设计。并填充密封材料保持气密性。端部未设卫生间和洗脸间的车辆，其端墙是铝板和铝型材骨架构成的整体式焊接结构。分体式和整体式外端墙都在外端骨架上设置了适合风挡安装的结构，可以采用螺栓快速联接，使风挡的安装方便快捷，大大降低了施工时间及劳动强度。另外，端墙上还设有登车扶手。1.5.6司机室CRH2头车车体前端为司机室头部结构，它以骨架外壳结构为基础，如图11所示。头部结构按车头断面形状变化将纵骨架形成环状，与横向骨架叉接组焊，骨架外焊接铝制外板。对需要更高强度的部位，采取增加板厚、缩小骨架间距、增加加强材等措施。整个头部结构焊接严格要求气密性，结构上适应配线、配管及内装需要。图10端墙结构表4列车空气力学设计应考虑的因素机 车 电 传 动2008年列车相关空气力学现象空气阻力侧风的影响隧道、地下铁路内的压力、风速变动隧道内作用于车辆的非恒定力隧道内微气压波空力噪声应考虑因素速度提升,节能强风时的安全性，强风时的运行限制舒适度（耳朵的不适感、风）乘坐舒适度环境问题噪声环境问题（a）分体式（b）整体式图11司机室头部结构（下转第14页）PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 14 架侧梁加强筋板应力较大点，根据式（4）得到工况110下各点最大应力值max和最小应力值min，简化成二维平面应力状态，再按下式（8）、（9）计算各点等效平均应力及等效应力幅值：（8）（9）构架加强筋板采用高强度铝合金，材料屈服极限为0.2=345 MPa，强度极限为b=393 MPa，母材疲劳极限-1=231 MPa。根据工况110，选取加强筋板上应力较大的具有代表性的所有节点，计算出这些节点在10个工况下最大和最小应力值，计算出各点平均应力及应力幅值，并将各节点等效平均应力及等效应力幅值点入图8加强筋板焊缝疲劳强度评定Goodman图进行疲劳强度评估，加强筋板各节点疲劳强度评定结果如图8所示。图8表明加强筋板所有的评价点均在疲劳评价的许可范围内，也就是说满足疲劳评定要求。3结论应用热点应力评定方法，依据最有可能发生疲劳破坏部位处的应力幅值作为疲劳评定依据，提高了对加强筋板焊缝疲劳强度评定的精度，弥补了有限元建模时对焊缝的简化处理的缺陷。与传统构架疲劳评定方法相比，热点应力法更为安全可靠。在转向架构架受力分析中，侧梁的受力最为复杂，而最大应力位置往往发生在内部筋板连接处，筋板的破坏直接影响到整个构架的寿命。本文对采用高强度铝合金来制造的构架侧梁加强筋板进行疲劳强度评定。参考文献：1 张开林.基于热点应力法的转向架构架疲劳寿命工程评定方法J.机车电传动,2006（5）.2王 忠，张开林，魏朔.机车减振器座焊缝疲劳的热点应力分析J.内燃机车，2006（8）.3王甲畏，王德禹，基于热点应力的FPSO焊接结构疲劳问题研究J.船舶工程，2005，27（1）.4 王甲畏，王德禹.船体焊接结构疲劳问题的热点应力研究J.船海工程，2004（5）.5罗广恩，王自力，张延昌，王珂.基于JTP规范中热点应力的油船船体疲劳强度分析J.江苏科技大学学报，2007，21(1).机 车 电 传 动2008年3结论中空挤压型材的缺陷修复困难，应结合相关的计算与试验，对铝合金车体的修复方式和标准进行专题研究。CRH2车体结构焊接采用电弧焊，存在较大的焊接残余应力，车体结构在焊接后也存在一定的变形。为解决此问题，应尽快研究采用搅拌摩擦焊的可行性，并考虑设计相应的车体结构型式。目前，四方股份已经掌握了铝合金车体的设计技术，已经具有自主设计能力。但是，在铝型材方面，由于车顶、侧墙用薄壁大断面铝型材尚未实现国产化，现在生产的动车组所用该部分型材仍然依赖进口。这种情况一方面提高了生产成本，另一方面对四方股份自主设计新断面和更高速度等级、更高质量要求的新型动车组的车体也是一个很大的制约因素。为解决这个不利因素，四方股份已经联系相关试制、试验、研究等单位，对该部分铝型材开展国产化试制工作，目前已经取得了一定的进展。相信随着工作的深入，一定能够解决该部分铝型材的国产化工作，四方股份自主设计的新型动车组车体质量将会更优良，可以在更大程度上满足我国铁路高速化的需要，为国家做出更大的贡献。参考文献：1 南车四方机车车辆股份有限公司.时速200公里动车组总体技术规划书K.青岛：南车四方机车车辆股份有限公司，2005.2 川崎重工业株式会社.技术转让培训教材 Z.日本：川崎重工业株式会社，2005.3 北京交通大学.CRH2动车组车体载荷识别报告 R.北京：北京交通大学，2007.4 中南大学.300 km/h动车组气动性能计算研究报告 R.长沙：中南大学，2007.（上接第4页）PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建