本发明属于轨道车辆车体结构研发设计领域，具体涉及一种满足美国标准要求的地铁车底架结构。
背景技术：
随着轨道交通的迅速发展，市场对轨道车辆的需求量大幅增加，同时也对车辆的耐撞性和车体强度提出了更高的要求。从轨道交通被动安全防护领域相关标准来讲，美国标准自成体系，几乎很少引用其他标准体系的要求，对轨道车辆的被动安全防护要求也极为严苛。目前美国市场城轨车辆产品主要以美国机械工程师协会(asme)发布的asmert-2《重型轨道交通运输车辆结构设计的安全标准》为设计依据。其中rt指railtransit,包括常规地铁、轻型有轨电车、不包括货运列车、高速列车等其他fra(联邦铁路管理署)管辖的轨道车辆。该标准的最新版本于2014年发布，其内容与2008年发布的版本有较大不同，主要体现在列车的碰撞要求方面。相比2008年版本，2014年版本内容取消了端部结构能量和压溃行程的要求，增加了列车与列车碰撞工况的相关要求。以往国内的地铁车辆及美国的地铁车辆更注重于端部吸能元件或者吸能结构的开发，而忽略了列车级碰撞对客室区域结构的影响。该标准内容的升级意味着车辆设计师不仅仅要重点开发端部吸能结构，更要重点开发底架客室区域结构以保证列车碰撞时乘客的生存空间及生命安全。
asmert-22014标准中碰撞要求为：1)两列处于整备状态下的车辆，一列以24km/h(15mph)的速度，向静止列车行进，两列车均施加最大常用制动，保证乘客和司机的生存空间；2)两列处于整备状态下的车辆，一列以40km/h(25mph)的速度，向静止列车行进，两列车均施加最大常用制动，保证客室的生存空间。
纽约地铁资质审查项目技术规范要求为：1)在车体强度和车辆内部布置范围内车辆端部以可控的方式最大限度的吸收能量；同时分析应基于一辆车撞击刚性墙的假设条件；2)基于定员载荷aw2运行条件，任何情况下车体结构压溃行程的能量吸收不应小于1.22mj，端部压溃引起的动态平均载荷值不应超过4450kn。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种满足美国标准要求的地铁车底架结构，涉及列车为10辆编组列车，该底架结构在列车发生碰撞时底架客室区域结构能够起到充分保护乘客安全的作用，该底架结构既满足纽约地铁资质审查项目技术规范的要求，又符合美国标准asmert-22014的要求。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种满足美国标准要求的地铁车底架结构，其包括两个端部底架组成、两个边梁组成、位于两个边梁组成之间的四个斜梁组成、一个中梁组成、两个主横梁组成和两个下盖板；所述端部底架组成包括吸能结构组成、枕梁组成、四个牵引梁组成、两个碳钢边梁组成、两个纵梁组成、第一主横梁、多个补强立板、端部底架下盖板、两个连接角铁和多个不同结构的补强板，所述吸能结构组成采用防爬吸能装置；
所述枕梁组成是由枕梁上盖板、枕梁下盖板、多个不同结构的补强筋板、多个不同结构的支撑板、补板、中心销垫板、空气簧垫板焊接构成的一个箱体结构；多个不同结构的补强筋板分别焊接在枕梁上盖板和枕梁下盖板的连接处，多个不同结构的支撑板和补板焊接在上述箱体结构的内部，多个支撑板的上方与枕梁上盖板焊接，多个支撑板的下方与枕梁下盖板焊接；中心销垫板和空气簧垫板焊接在枕梁下盖板上；所述四个牵引梁组成位于吸能结构组成的后侧、枕梁组成的外侧，牵引梁组成是由第一槽形纵梁与牵引梁立板焊接形成的箱体结构，此箱体结构的前端焊接在吸能结构组成的端梁上，后端焊接在枕梁组成的外侧；所述两个碳钢边梁组成的前端焊接在吸能结构组成端梁的两侧，两个碳钢边梁组成的中部焊接在枕梁组成的两侧，两个碳钢边梁组成的后端焊接在第一主横梁的两侧；碳钢边梁组成是由两个不同厚度的槽型碳钢边梁焊接而成，并在其内侧分别焊接有多个补强槽铁和碳钢边梁立板；所述两个纵梁组成位于枕梁组成的内侧、第一主横梁的外侧，两个纵梁组成的前端均焊接在枕梁组成上，后端均焊接在第一主横梁上，纵梁组成是由第二槽形纵梁与纵梁立板焊接形成的箱体结构；所述多个补强立板焊接在位于枕梁组成和第一主横梁之间的碳钢边梁组成的内侧；所述端部底架下盖板的前端与枕梁下盖板焊接，后端与第一主横梁焊接，端部底架下盖板的上端面与纵梁组成的下端面焊接；所述两个连接角铁均为l型边梁，两个连接角铁均焊接在吸能结构组成与碳钢边梁组成连接位置处的外侧端面上；所述多个不同结构的补强板分别焊接在枕梁组成与碳钢边梁组成的连接位置处、枕梁组成与牵引梁组成的连接位置处、枕梁组成与纵梁组成的连接位置处、第一主横梁与纵梁组成的连接位置处；
两个边梁组成分别与同一侧的两个碳钢边梁组成焊接，两个主横梁组成分别与两个第一主横梁平行设置，且两个主横梁组成分别与两个边梁组成的内侧垂直焊接；四个斜梁组成两个为一组，呈v字形焊接在第一主横梁与主横梁组成之间，且v字形的交点位于主横梁组成的中点处；中梁组成的两端垂直焊接在两个主横梁组成的中点处，两个下盖板的四周分别与斜梁组成、主横梁组成、第一主横梁焊接。
上述边梁组成主要是由槽形的外边梁和内边梁焊接形成的封闭腔体结构，外边梁的厚度为4mm，内边梁的厚度为3mm。
上述中梁组成是由两个w形纵向梁、中梁上盖板、中梁下盖板和两个中梁补强板构成的封闭箱体结构，两个w形纵向梁对称设置，二者的上端均与中梁上盖板的内端面焊接，二者的下端均与中梁下盖板的内端面焊接；两个中梁补强板对应垂直焊接在两个w形纵向梁的侧向开口端，两个中梁补强板的长度小于两个w形纵向梁的长度；两个w形纵向梁的长度与中梁上盖板的长度以及中梁下盖板的长度均相等。
上述斜梁组成是由第三槽形纵梁与斜梁立板构成的箱体结构，斜梁立板焊接在第三槽形纵梁的侧向开口端，斜梁立板的长度与第三槽形纵梁的立板长度相等。
上述主横梁组成包括第二主横梁和横梁补强板，第二主横梁为槽形梁，横梁补强板焊接在第二主横梁的中间部位，中梁组成的两端垂直焊接在横梁补强板上。
本发明的有益效果是：该底架结构的端部吸能结构组成能够按照可控的方式顺序变形，能够吸收1.22mj的能量和承受1424kn的纵向压缩力；枕梁组成为转向架提供安装接口，在优化减重的同时能够承受施加在转向架牵引作用点位置667kn的作用力，而车体与转向架的连接位置不发生损坏；枕梁上盖板仅为4mm厚a710碳钢材料，枕梁下盖板为6mm厚a710材料。两个端部底架组成、两个边梁组成、位于两个边梁组成之间的四个斜梁组成、中梁组成、两个主横梁组成以及两个下盖板等结构构成内部横纵有序的底架框架结构，同时在纵向方向上形成了两个边梁组成和中梁组成共三条主要的传递动态载荷的骨架结构，有效的承载和传递碰撞过程中产生的载荷，保证10辆编组的列车与10辆编组的列车发生碰撞时客室区域乘客的生存空间及安全。
附图说明
图1是本发明满足美国标准要求的地铁车底架结构的立体结构示意图；
图2是图1的后视结构示意图；
图3是本发明端部底架组成的立体结构示意图；
图4是图3的后视结构示意图；
图5是本发明枕梁组成的立体结构示意图；
图6是本发明除上盖板之外的枕梁组成结构示意图；
图7是图5的后视结构示意图；
图8是本发明牵引梁组成的结构示意图；
图9是本发明碳钢边梁组成的结构示意图；
图10是本发明碳钢边梁组成的结构示意图；
图11是本发明两个纵梁组成的结构示意图；
图12是本发明第一主横梁的结构示意图；
图13是本发明两个边梁组成的断面结构示意图；
图14是本发明中梁组成的断面结构示意图；
图15是本发明两个斜梁组成的结构示意图；
图16是本发明主横梁组成的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图1和图2所示，本发明一种满足美国标准要求的地铁车底架结构是由两个端部底架组成1、两个边梁组成2、位于两个边梁组成2之间的四个斜梁组成4、一个中梁组成3、两个主横梁组成6和两个下盖板5等结构构成内部横纵有序的底架框架结构，两个边梁组成2和一个中梁组成3能够有效承载和传递碰撞动态载荷，保证列车发生碰撞时客室区域乘客的生存空间及安全。
如图3和图4所示，端部底架组成1包括吸能结构组成1-1、枕梁组成1-2、四个牵引梁组成1-3、两个碳钢边梁组成1-4、两个纵梁组成1-5、第一主横梁1-6、多个补强立板1-7、端部底架下盖板1-8、两个连接角铁1-9和多个不同结构的补强板1-10。地铁车一位端部底架组成1与二位端部底架组成1的差别在于一位端碳钢边梁组成1-4两侧增加了碰撞立柱通过孔；端部底架组成1的关键承载结构均为箱形结构，且吸能结构组成1-1的长方形压溃箱、内侧的牵引梁组成1-3、枕梁组成1-2的内部支撑板及纵梁组成1-5均位于一条直线上，使得载荷能够合理分布和传递。所述吸能结构组成1-1采用中国专利cn106696982a于2017年5月24日公开的防爬吸能装置，该结构满足任何情况下车体结构压溃行程的能量吸收不应小于1.22mj，端部压溃引起的动态平均载荷值不超过4450kn。
如图5至图7所示，枕梁组成1-2是由枕梁上盖板1-2-1、枕梁下盖板1-2-2、多个不同结构的补强筋板1-2-3、多个不同结构的支撑板1-2-4、补板1-2-5、中心销垫板1-2-6、空气簧垫板1-2-7焊接构成的一个箱体结构。多个不同结构的补强筋板1-2-3分别焊接在枕梁上盖板1-2-1和枕梁下盖板1-2-2的连接处，以保证枕梁下盖板1-2-2局部区域的刚度。多个不同结构的支撑板1-2-4和补板1-2-5焊接在上述箱体结构的内部，多个支撑板1-2-4的上方与枕梁上盖板1-2-1焊接，多个支撑板1-2-4的下方与枕梁下盖板1-2-2焊接，以保证枕梁组成1-2与转向架的接口强度及刚度要求；焊接时，多个支撑板1-2-4先与枕梁上盖板1-2-1进行焊接，然后有连接关系的各支撑板1-2-4之间进行焊接，最后枕梁下盖板1-2-2通过圆内环角焊的方式与各支撑板1-2-4进行连接，与枕梁上盖板1-2-1通过坡口焊的方式进行连接。枕梁组成1-2的箱体焊接完成后，将中心销垫板1-2-6和空气簧垫板1-2-7通过圆内环角焊及周围段焊的方式焊接在枕梁下盖板1-2-2上。
如图3和图8所示，四个牵引梁组成1-3位于吸能结构组成1-1的后侧、枕梁组成1-2的外侧，牵引梁组成1-3是由第一槽形纵梁1-3-1与牵引梁立板1-3-2焊接形成的箱体结构，此箱体结构的前端焊接在吸能结构组成1-1的端梁上，后端焊接在枕梁组成1-2的外侧。
如图3、图9和图12所示，两个碳钢边梁组成1-4的前端焊接在吸能结构组成1-1端梁的两侧，两个碳钢边梁组成1-4的中部焊接在枕梁组成1-2的两侧，两个碳钢边梁组成1-4的后端焊接在第一主横梁1-6的两侧；碳钢边梁组成1-4是由厚度分别为6mm和4mm的两个槽型碳钢边梁1-4-1焊接而成，并在其内侧分别焊接有多个补强槽铁1-4-2和碳钢边梁立板1-4-3，增加多个补强槽铁1-4-2以保证碳钢边梁刚度及架车点的接口要求，增加碳钢边梁立板1-4-3以保证碰撞时该处能够承受较大的动态载荷。如图10所示，两个碳钢边梁组成1-4的结构对称。
如图3和图11所示，两个纵梁组成1-5位于枕梁组成1-2的内侧、第一主横梁1-6的外侧，两个纵梁组成1-5的前端均焊接在枕梁组成1-2上，后端均焊接在第一主横梁1-6上，纵梁组成1-5是由第二槽形纵梁1-5-1与纵梁立板1-5-2焊接形成的箱体结构。
如图3和图4所示，多个补强立板1-7焊接在位于枕梁组成1-2和第一主横梁1-6之间的碳钢边梁组成1-4的内侧。端部底架下盖板1-8的前端与枕梁下盖板1-2-2焊接，后端与第一主横梁1-6焊接，端部底架下盖板1-8的上端面与纵梁组成1-5的下端面焊接。两个连接角铁1-9均为l型边梁，两个连接角铁1-9均焊接在吸能结构组成1-1与碳钢边梁组成1-4连接位置处的外侧端面上，以保证连接结构的强度要求。多个不同结构的补强板1-10分别焊接在枕梁组成1-2与碳钢边梁组成1-4的连接位置处、枕梁组成1-2与牵引梁组成1-3的连接位置处、枕梁组成1-2与纵梁组成1-5的连接位置处、第一主横梁1-6与纵梁组成1-5的连接位置处，这些不同结构的补强板1-10主要用于结构连接直角位置处，防止产生局部应力集中的问题。
如图1至图4所示，两个边梁组成2分别与同一侧的两个碳钢边梁组成1-4弧焊焊接，两个主横梁组成6分别与两个第一主横梁1-6平行设置，且两个主横梁组成6分别与两个边梁组成2的内侧垂直焊接。四个斜梁组成4两个为一组，呈v字形焊接在第一主横梁1-6与主横梁组成6之间，且v字形的交点位于主横梁组成6的中点处。中梁组成3的两端垂直焊接在两个主横梁组成6的中点处，两个下盖板5的四周分别与斜梁组成4、主横梁组成6、第一主横梁1-6焊接。
如图2和图13所示，两个边梁组成2主要是由槽形的外边梁3-1和内边梁3-2焊接形成的封闭腔体结构，两个边梁组成2对称设置，外边梁3-1的厚度为4mm，内边梁3-2的厚度为3mm。上述组合情况下的边梁组成2不但垂向具有较大的刚度，同时能够承受和传递10辆编组列车碰撞时产生的动态载荷。
如图2和图14所示，中梁组成3是由两个w形纵向梁3-1、中梁上盖板3-2、中梁下盖板3-3和两个中梁补强板3-4构成的封闭箱体结构，两个w形纵向梁3-1对称设置，二者的上端均与中梁上盖板3-2的内端面焊接，二者的下端均与中梁下盖板3-3的内端面焊接；两个中梁补强板3-4对应垂直焊接在两个w形纵向梁3-1的侧向开口端，两个中梁补强板3-4的长度小于两个w形纵向梁3-1的长度；两个w形纵向梁3-1的长度与中梁上盖板3-2的长度以及中梁下盖板3-3的长度均相等。如图2所示，两个中梁补强板3-4并不是通长的，该中梁补强板3-4使中梁组成3的端部满足碰撞时局部受到的动态载荷冲击要求。
如图15所示，斜梁组成4是由第三槽形纵梁4-1与斜梁立板4-2构成的箱体结构，斜梁立板4-2焊接在第三槽形纵梁4-1的侧向开口端，斜梁立板4-2的长度与第三槽形纵梁4-1的立板长度相等。
如图16所示，主横梁组成6包括第二主横梁6-1和横梁补强板6-2，第二主横梁6-1为槽形梁，横梁补强板6-2焊接在第二主横梁6-1的中间部位，中梁组成3的两端垂直焊接在横梁补强板6-2上。主横梁组成6将四个斜梁组成4的两排承载结构集中成一排承载结构并与中梁组成3位于一条直线上，使得载荷能够有效传递给中梁组成3，结构美观且利于车下设备安装。
本发明满足美国标准要求的地铁车底架结构试用时，当10辆编组的列车发生碰撞时，吸能结构组成1-1以可控制的方式顺次传递和造成塑性形变破坏。两个端部底架组成1、两个边梁组成2、位于两个边梁组成2之间的四个斜梁组成4、一个中梁组成3、两个主横梁组成6以及两个下盖板5等结构构成内部横纵有序的底架框架结构，同时在纵向方向上形成了两个边梁组成2和一个中梁组成3三条主要的传递动态载荷的骨架结构，有效的承载和传递碰撞过程中产生的载荷，保证10辆编组的列车与10辆编组的列车发生碰撞时客室区域乘客的生存空间及安全，最大限度的提高了列车的被动安全保护性能。