低地板有軌電車車體設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

李炳升

摘 要：低地板有軌電車作為重要的城市交通運(yùn)輸工具，以其乘客量大、環(huán)保節(jié)能、更小曲線通過(guò)能力和較高的性價(jià)比等優(yōu)勢(shì)被我國(guó)各大城市大量引進(jìn)[1]。本文從車體結(jié)構(gòu)材料選擇、車體間的連接方式及車體與轉(zhuǎn)向架空間關(guān)系等方面概述了低地板車輛車體設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，并以100%低地板有軌電車車體設(shè)計(jì)為例介紹了各個(gè)設(shè)計(jì)階段采用的仿真、試驗(yàn)方法，為低地板有軌電車車體設(shè)計(jì)提供支持。

關(guān)鍵詞：低地板 車體材料 連接形式 空間關(guān)系 試驗(yàn)方法

低地板有軌電車，通常指地板面距離軌面高度300-400mm之間的城市輕軌車輛。從上世紀(jì)80年代開始，低地板輕軌電車在歐美、澳大利亞和日本等國(guó)家和地區(qū)迅速發(fā)展[2]?，F(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)與地鐵系統(tǒng)相比，造價(jià)低、建設(shè)周期短、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用低及維修方便;與公交系統(tǒng)相比，運(yùn)能大、速度快、無(wú)污染、乘坐舒適度高及使用壽命長(zhǎng)[3]。

低地板有軌電車在都市核心區(qū)可作為附加線，發(fā)揮其靈活編組、地形適應(yīng)能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì);而在都市拓展區(qū)，可以與軌道交通相互協(xié)作，構(gòu)建多層次公交系統(tǒng);也可以作為旅游交通串聯(lián)景區(qū)，甚至成為高鐵站等城市特殊功能區(qū)的連接線路[4]。

目前國(guó)內(nèi)低地板輕軌交通迅速發(fā)展，在北京、上海、廣州、天津和成都等近20個(gè)城市已經(jīng)修建了有軌電車線路，超過(guò)40個(gè)城市規(guī)劃修建有軌電車線路。

作為有軌電車的重要承載部件，車體不僅要求具有足夠的強(qiáng)度和剛度，還要求輕量化和耐腐蝕，在城市里運(yùn)行，還要兼具美觀性[5]。因此需要從設(shè)計(jì)階段對(duì)車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理規(guī)劃。

1 車體設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.1 材料選擇

車體結(jié)構(gòu)是由底架、側(cè)墻、端墻和車頂構(gòu)成的整體承載結(jié)構(gòu)。低地板車體最初采用耐候鋼材料，后來(lái)多采用不銹鋼、中空閉口擠壓鋁型材的鋁合金材料以減輕自重并防腐。近些年來(lái)，復(fù)合材料加貼面結(jié)構(gòu)逐漸在低地板車體上運(yùn)用。

車體強(qiáng)度需滿足承受的動(dòng)載荷、靜載荷以及沖擊載荷要求，并在架車、起吊、救援、調(diào)車、聯(lián)掛作業(yè)工況下，車體應(yīng)力不允許超過(guò)設(shè)計(jì)許用應(yīng)力值，不得產(chǎn)生永久變形及損壞。為滿足低地板車輛制造低成本與運(yùn)行低耗能，實(shí)現(xiàn)車輛快速起停，在確保有足夠的強(qiáng)度和剛度的前提下實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，100%低地板鋼鋁混合鉚接車體應(yīng)運(yùn)而生。

100%低地板鋼鋁混合鉚接車體可充分發(fā)揮不同材料的機(jī)械性能，以實(shí)現(xiàn)輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：底架是鋼焊接結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)向架與車端主要承載區(qū)采用鋼制骨架;側(cè)墻、車頂及端墻則為鋁合金焊接結(jié)構(gòu)[6]。由于焊接工藝的局限性，鋁合金和碳鋼結(jié)構(gòu)連接主要采用鉚接和粘接兩種方式[7-8]。在底架與側(cè)墻、鉸接裝置與車頂、車頂與側(cè)墻以及車頂與端墻之間要通過(guò)鉚接或螺栓連接。車體各模塊采用螺栓和鉚釘搭配連接，有利于根據(jù)結(jié)構(gòu)和性能需求選取更合適的材質(zhì)[6]。

車體結(jié)構(gòu)合理性可采用車體靜強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)方式驗(yàn)證，多分為有限元模型仿真與現(xiàn)車試驗(yàn)方式兩種。實(shí)際生產(chǎn)中多在設(shè)計(jì)階段采用有限元仿真計(jì)算，分析對(duì)車輛實(shí)際運(yùn)營(yíng)工況，并采用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算車體靜強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度，得到復(fù)雜工況下（既考慮了車輛正常運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下整體受力情況，也包含了車輛的局部載荷[9]）車體的高應(yīng)力區(qū)域與高安全等級(jí)區(qū)域，指導(dǎo)車體進(jìn)行局部增強(qiáng)或削弱設(shè)計(jì)。某車型低地板車體有限元仿真模型如圖1所示。車體生產(chǎn)裝配完成后，對(duì)整車進(jìn)行靜強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)。

對(duì)有限元仿真結(jié)果與相同工況下車體靜強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)得到的同區(qū)域應(yīng)力對(duì)比，以確保車體結(jié)構(gòu)的合理性。

1.2 車體間連接形式

低地板車輛采用編組運(yùn)行。其中100%低地板車輛多為5節(jié)編組，其常見(jiàn)編組形式為：=MC1+F1+TP+F2+MC2=。

其中，=表示車鉤;

+表示鉸接裝置;

MC表示帶司機(jī)室和轉(zhuǎn)向架的動(dòng)車。

F表示不帶轉(zhuǎn)向架的浮車;

TP表示帶受電弓和轉(zhuǎn)向架的拖車[3];

圖3所示為100%低地板車體TP車、F車和MC車的車體模型示意。

頭車MC1車和MC2車車體結(jié)構(gòu)基本相同，安裝有動(dòng)車轉(zhuǎn)向架。中間TP車是一個(gè)較短的車輛模塊，安裝有拖車轉(zhuǎn)向架，并裝有受電弓。浮車F1車和F2車車體結(jié)構(gòu)基本相同，鉸接在MC1-TP和TP-MC2之間。

低地板列車車輛一般只在司機(jī)室端配置車鉤，車鉤主要用于救援及牽引調(diào)拉車，而車體間的連接形式多使用鉸接，使結(jié)構(gòu)更加緊湊并有利于模塊化設(shè)計(jì)。鉸接結(jié)構(gòu)需滿足以下要求：

1）曲線通過(guò)時(shí)平穩(wěn)順利;

2）傳遞相鄰車體鉸接處的牽引、制動(dòng)等動(dòng)態(tài)載荷;

3）能夠依靠中央懸掛來(lái)柔度適應(yīng)小曲線;

4）連接鉸能夠適當(dāng)?shù)刈柚管圀w晃動(dòng)[10]。

鉸接裝置須滿足在通過(guò)最不利工況組合時(shí)的線路（豎曲線、水平曲線和車輛不同運(yùn)行速度）時(shí)不能出現(xiàn)損壞、遏止活動(dòng)的現(xiàn)象，并與車輛在各種運(yùn)行條件下通過(guò)曲線的運(yùn)動(dòng)性能相適應(yīng)。為此車體間連接多分為上部鉸接和下部鉸接，配合使用以滿足車輛動(dòng)力學(xué)要求。

列車通過(guò)曲線時(shí)，車體的位置不僅取決于轉(zhuǎn)向架的中心位置及轉(zhuǎn)向架與車體的是否存在回轉(zhuǎn)約束，還取決于車體之間的鉸接布置形式。圖4所示為一種低地板車輛鉸接結(jié)構(gòu)布置形式。

車體設(shè)計(jì)階段，往往通過(guò)車輛均衡計(jì)算以合理搭配車體間的連接形式，合理分配車輛間鉸接力和不同車型的軸重配置。

1.3 車體與轉(zhuǎn)向架空間關(guān)系

由于低地板車輛特殊的結(jié)構(gòu)形式，車體與轉(zhuǎn)向架空間關(guān)系尤其緊張[11]，鋁合金車體結(jié)構(gòu)由多塊鋁合金型材組焊而成，相對(duì)傳統(tǒng)板梁結(jié)構(gòu)需要更多的空間。因此需要在設(shè)計(jì)階段分析車輛各種運(yùn)行工況，并考慮復(fù)合工況下車輛的運(yùn)行軌跡，分析車體與轉(zhuǎn)向架的裝配情況，降低設(shè)計(jì)和試制階段干涉的可能性。圖5所示為某型低地板車輛車體底架與轉(zhuǎn)向架三維裝配示意圖。

車體與轉(zhuǎn)向架的相對(duì)位置變化主要受線路條件，轉(zhuǎn)向架的參數(shù)選擇，車輛載荷的變化三個(gè)因素影響。為驗(yàn)證車體與轉(zhuǎn)向架的空間關(guān)系及干涉情況，可建立車體和轉(zhuǎn)向架三維模型并裝配。結(jié)合實(shí)際運(yùn)行線路、工況要求對(duì)車體和轉(zhuǎn)向架進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)等模擬，測(cè)量車體與轉(zhuǎn)向架之間間隙。在考慮車體與轉(zhuǎn)向架的制造誤差、二系彈簧的彈性間隙、安全間隙，保證車輛正常行駛的干涉余量情況下，驗(yàn)證復(fù)雜工況下的干涉風(fēng)險(xiǎn)，指導(dǎo)車體與轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)局部調(diào)整[11]。

另外，設(shè)計(jì)階段應(yīng)避免車體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)向架的振動(dòng)頻率接近，以免產(chǎn)生共振。

2 結(jié)論

本文主要從車體材料選擇、車體連接形式、車體與轉(zhuǎn)向架的空間關(guān)系三個(gè)方面概述了低地板車輛車體設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，并以100%低地板車體設(shè)計(jì)為例介紹了各個(gè)設(shè)計(jì)階段采用的仿真、試驗(yàn)方法，為之后車體設(shè)計(jì)方案建立，設(shè)計(jì)驗(yàn)證和進(jìn)行車體局部設(shè)計(jì)優(yōu)化提供幫助。

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