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[摘 要]为满足高速动车组使用要求，解决现有水箱结构的不足；以提高水箱空间利用率为目的，重点考虑了低断面水箱注溢水问题，及有效容积问题，进行了研究，设计出了空间利用率很高的低断面整体承载水箱。通过有限元分析及优化、进行了试验，结果表明结构合理，在近百辆车成功应用，该结构水箱适合动车组使用。
[关键词]整体承载 应力分布 注溢水装置 断面 高速动车组
中图分类号：TM614.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）10-0029-01
引言
现有铁路车辆车上水箱一般采用水箱下部设托梁，将水箱用安装座、卡带等固定在托梁上，再将托梁安装在车体安装座上；一般水箱底面与托梁上平面平齐；占用空间的总高度就是水箱高度加托梁高度加车体安装座的高度；为满足注溢水要求，通常注水管顶部比水箱顶部低一定高度，溢水管比注水管低一定高度。水箱上部有较大的高度空间；这样水箱占用的总高度空间就较大。高速动车组为降低整车重心一般车体断面都较低，除去必须的防寒层、地板、顶板及乘客空间外，剩余高度空间很小；不足安装现有结构水箱高度空间。
如果能利用顶板以上有限的车内空间来设置大容量水箱，在满足用水要求的前提下未占用任何有效乘客空间。虽然有较大的难度，但如果有能满足使用要求的水箱，应该说是一劳永逸，让用户满意的方案；
一、设计难点解决方案
要在顶板以上设置大容量水箱主要有以下难点：高度空间小，无法设托梁水箱的安装强度问题；要保证容积高度小必然面积大，水箱自身强度和刚度问题；大面积供水可靠性问题；低断面注溢水问题及有效容积问题等。为解决上述问题进行了针对性的设计，并通过有限元分析及优化，试验等办法进行验证，设计出了符合要求的水箱。
（一）水箱及水箱安装强度问题设计方案
高度空间小水箱自身刚度和强度问题和安装问题；进行一起考虑，采用了取消现有结构水箱托梁以及水箱外部补强梁，提高水箱自身刚度的办法来保证安水箱自身强度和安装强度；考虑到水箱内为降低车辆运行水对水箱的冲击，大容积水箱一般都设有防波板，防波板的设置对于低断面水箱肯定是竖直方向，不占用高度空间；通过防波板把水箱底面顶面以及侧面都连接起来使水箱形成多个封闭环结构，相当于整个水箱是一个大型中空型材。有很大的强度和刚度。安装座设置在水箱周围侧面上不占用高度空间。
（二）大面积水箱供水可靠性问题设计方案
大面积低断面供水可靠性问题，考虑到在车辆倾斜以及弯道行驶时可能导致供水点无水现象，采用在部分非旅客界面对应位置水箱设下凸出的小供水箱，保证在出项上述工况可靠供水，正常工况会保持供水箱充满状态。
（三）低断面注溢水及有效容积问题设计方案
如前所述现有结构须留不小的高度空间来保证注溢水功能；对于动车组本身就很低的高度空间来说根本不可能在有太多高度空间浪费；采用电控方式是可以取消溢水管的，但是有注水管存水以及对电的依赖以及可靠性问题；还有就是车辆运行加减速及振动时会导致水箱内水波动，原有结构水会从溢水口溢出；导致有效容积大大降低；解决上述问题，采用了利用水顶部局部空间设置了特殊的注溢水装置，仅占用30mm厚度的局部保温材空间；将注水管和溢水管都开在水箱的顶盖上，并通过水箱顶盖的开孔及挡水板以及多孔注水盒的设计，当注水时，注水管的水进入注水盒再由顶部的多孔向四周流出，从水箱顶部的开孔流入水箱；降低了水流对罩板和水箱顶面的冲击，使注水时噪音更小，水箱结构强度要求更低；当水充满整个水箱水会从水箱顶部开孔进入溢水盒，当水位高于挡水板时水进入溢水槽通过溢水管排除车外，完成注水。
二、有限元分析及设计优化
为了解水箱设计结构应力分布、优化结构，进行了有限元分析，通过分析结果，改进了方案进行了再分析，最后得到了比较理想的结构。
（一）强度估算
考虑100kPa工况；
2.正常运行条件下：（纵向：0.25g，横向：0.15g，垂向：0.2g）等效压强：远小于100kPa保压工况；因此，只需要计算100kPa保压工况，就可满足其他工况。
（二）分析内容
1.100kPa载荷下，强度及刚度分析
2.5g，3g，3g载荷下安装座及水箱强度及刚度分析
3.分析优化过程
对原设计模型分析→应力超过材料屈服应力→修改模型增加防波板→
→应力小于材料屈服应力→根据应力分布调整防波板开口→应力分布均匀，最大应力大大降低→结构合理
4.分析结果
（1）安装座应力分布图安装座最大应力远小于许用应力安全
（2）原始设计方案（100kPa载荷）应力分布图（如图1）
结论：应力集中较为明显，防波板间距过大，结构不合理；须进行优化；
设计优化，增加防波板，减小间距。
（3）增加防波板减小间距方案（100kPa载荷）应力分布图（如图2）
结论：应力集中较为明显，出现在防波板远离连接处，而防波板连接交接处应力很小，结构不合理；须进行优化；
设计优化：分析结果表明防波板相交处应力极小，而远离相交处应力大；顾将底部水连通开口设在防波板相交处，使相邻四区域直接相通；增加防波板远离相交处的连接长度，降低应力；防波板与顶板连接设在防波板相交处，使相邻四区域直接相通；在施工时注意该区域连接强度。
（4）优化后方案（100kPa载荷）应力分布图（如图3）
结论：应力分布均匀，无应力集中结构合理。
三、施工工艺性
动车组运行速度快，停车时间短，而且按编组运行，任何一辆车出现故障都会影响整列车的运行；所以要求所有部件可靠性要高。所以要确保水箱的可靠性，良好的工艺性可以比较容积生产出品质高的产品。为此充分考虑到水箱施工工艺性。
（一）从结构上，水箱体板侧板、端板、底板采用整板折出来，仅顶板是单独焊接；这样水箱容水空间仅四条高度方向很短的焊缝，大大降低了焊缝漏水的概率。
（二）根据有限元分析结果防波板间应力极小，顾连接强度要求不高；内部防波板之间连接采用铆接避免焊接变形，保证尺寸精度。
（三）根据有限元分析结果防波板与底面侧面连接处应力极大，防波板与底面及侧面焊接采用双面满焊保证连接强度。
（四）根据有限元分析结果防波板与顶板连接处应力大，塞焊很难保证可靠性，连接强度弱，防波板与顶面焊接采用防波板伸出顶板双面满焊保证连接强度。
四、应用
在动车组上接近百辆车安装了这种水箱，运行了5年时间没有一个出现故障的，性能很可靠。目前类似结构正逐步广泛使用。
五、总结
根据高速动车组运行特点及空间特点，针对断面空间低水箱有效容积问题、注溢水问题、供水可靠性问题、水箱及水箱安装强度刚度问题；设计出能解决问题的设计方案；通过有限元分析验证设计结构，提前发现设计存在问题，对设计进行优化，使结构合理；通过试验验证整体设计的性能，到最后装车应用。说明低断面整体承载水箱很好的解决了上述问题，空间利用率极高，适合高速动车组运行要求，同样也适合用作其他移动设备水容器。
[关键词]整体承载 应力分布 注溢水装置 断面 高速动车组
中图分类号：TM614.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）10-0029-01
引言
现有铁路车辆车上水箱一般采用水箱下部设托梁，将水箱用安装座、卡带等固定在托梁上，再将托梁安装在车体安装座上；一般水箱底面与托梁上平面平齐；占用空间的总高度就是水箱高度加托梁高度加车体安装座的高度；为满足注溢水要求，通常注水管顶部比水箱顶部低一定高度，溢水管比注水管低一定高度。水箱上部有较大的高度空间；这样水箱占用的总高度空间就较大。高速动车组为降低整车重心一般车体断面都较低，除去必须的防寒层、地板、顶板及乘客空间外，剩余高度空间很小；不足安装现有结构水箱高度空间。
如果能利用顶板以上有限的车内空间来设置大容量水箱，在满足用水要求的前提下未占用任何有效乘客空间。虽然有较大的难度，但如果有能满足使用要求的水箱，应该说是一劳永逸，让用户满意的方案；
一、设计难点解决方案
要在顶板以上设置大容量水箱主要有以下难点：高度空间小，无法设托梁水箱的安装强度问题；要保证容积高度小必然面积大，水箱自身强度和刚度问题；大面积供水可靠性问题；低断面注溢水问题及有效容积问题等。为解决上述问题进行了针对性的设计，并通过有限元分析及优化，试验等办法进行验证，设计出了符合要求的水箱。
（一）水箱及水箱安装强度问题设计方案
高度空间小水箱自身刚度和强度问题和安装问题；进行一起考虑，采用了取消现有结构水箱托梁以及水箱外部补强梁，提高水箱自身刚度的办法来保证安水箱自身强度和安装强度；考虑到水箱内为降低车辆运行水对水箱的冲击，大容积水箱一般都设有防波板，防波板的设置对于低断面水箱肯定是竖直方向，不占用高度空间；通过防波板把水箱底面顶面以及侧面都连接起来使水箱形成多个封闭环结构，相当于整个水箱是一个大型中空型材。有很大的强度和刚度。安装座设置在水箱周围侧面上不占用高度空间。
（二）大面积水箱供水可靠性问题设计方案
大面积低断面供水可靠性问题，考虑到在车辆倾斜以及弯道行驶时可能导致供水点无水现象，采用在部分非旅客界面对应位置水箱设下凸出的小供水箱，保证在出项上述工况可靠供水，正常工况会保持供水箱充满状态。
（三）低断面注溢水及有效容积问题设计方案
如前所述现有结构须留不小的高度空间来保证注溢水功能；对于动车组本身就很低的高度空间来说根本不可能在有太多高度空间浪费；采用电控方式是可以取消溢水管的，但是有注水管存水以及对电的依赖以及可靠性问题；还有就是车辆运行加减速及振动时会导致水箱内水波动，原有结构水会从溢水口溢出；导致有效容积大大降低；解决上述问题，采用了利用水顶部局部空间设置了特殊的注溢水装置，仅占用30mm厚度的局部保温材空间；将注水管和溢水管都开在水箱的顶盖上，并通过水箱顶盖的开孔及挡水板以及多孔注水盒的设计，当注水时，注水管的水进入注水盒再由顶部的多孔向四周流出，从水箱顶部的开孔流入水箱；降低了水流对罩板和水箱顶面的冲击，使注水时噪音更小，水箱结构强度要求更低；当水充满整个水箱水会从水箱顶部开孔进入溢水盒，当水位高于挡水板时水进入溢水槽通过溢水管排除车外，完成注水。
二、有限元分析及设计优化
为了解水箱设计结构应力分布、优化结构，进行了有限元分析，通过分析结果，改进了方案进行了再分析，最后得到了比较理想的结构。
（一）强度估算
考虑100kPa工况；
2.正常运行条件下：（纵向：0.25g，横向：0.15g，垂向：0.2g）等效压强：远小于100kPa保压工况；因此，只需要计算100kPa保压工况，就可满足其他工况。
（二）分析内容
1.100kPa载荷下，强度及刚度分析
2.5g，3g，3g载荷下安装座及水箱强度及刚度分析
3.分析优化过程
对原设计模型分析→应力超过材料屈服应力→修改模型增加防波板→
→应力小于材料屈服应力→根据应力分布调整防波板开口→应力分布均匀，最大应力大大降低→结构合理
4.分析结果
（1）安装座应力分布图安装座最大应力远小于许用应力安全
（2）原始设计方案（100kPa载荷）应力分布图（如图1）
结论：应力集中较为明显，防波板间距过大，结构不合理；须进行优化；
设计优化，增加防波板，减小间距。
（3）增加防波板减小间距方案（100kPa载荷）应力分布图（如图2）
结论：应力集中较为明显，出现在防波板远离连接处，而防波板连接交接处应力很小，结构不合理；须进行优化；
设计优化：分析结果表明防波板相交处应力极小，而远离相交处应力大；顾将底部水连通开口设在防波板相交处，使相邻四区域直接相通；增加防波板远离相交处的连接长度，降低应力；防波板与顶板连接设在防波板相交处，使相邻四区域直接相通；在施工时注意该区域连接强度。
（4）优化后方案（100kPa载荷）应力分布图（如图3）
结论：应力分布均匀，无应力集中结构合理。
三、施工工艺性
动车组运行速度快，停车时间短，而且按编组运行，任何一辆车出现故障都会影响整列车的运行；所以要求所有部件可靠性要高。所以要确保水箱的可靠性，良好的工艺性可以比较容积生产出品质高的产品。为此充分考虑到水箱施工工艺性。
（一）从结构上，水箱体板侧板、端板、底板采用整板折出来，仅顶板是单独焊接；这样水箱容水空间仅四条高度方向很短的焊缝，大大降低了焊缝漏水的概率。
（二）根据有限元分析结果防波板间应力极小，顾连接强度要求不高；内部防波板之间连接采用铆接避免焊接变形，保证尺寸精度。
（三）根据有限元分析结果防波板与底面侧面连接处应力极大，防波板与底面及侧面焊接采用双面满焊保证连接强度。
（四）根据有限元分析结果防波板与顶板连接处应力大，塞焊很难保证可靠性，连接强度弱，防波板与顶面焊接采用防波板伸出顶板双面满焊保证连接强度。
四、应用
在动车组上接近百辆车安装了这种水箱，运行了5年时间没有一个出现故障的，性能很可靠。目前类似结构正逐步广泛使用。
五、总结
根据高速动车组运行特点及空间特点，针对断面空间低水箱有效容积问题、注溢水问题、供水可靠性问题、水箱及水箱安装强度刚度问题；设计出能解决问题的设计方案；通过有限元分析验证设计结构，提前发现设计存在问题，对设计进行优化，使结构合理；通过试验验证整体设计的性能，到最后装车应用。说明低断面整体承载水箱很好的解决了上述问题，空间利用率极高，适合高速动车组运行要求，同样也适合用作其他移动设备水容器。