王潤(rùn)姣

摘 要：首先介紹 100% 低地板現(xiàn)代有軌電車(chē)車(chē)體的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)，并對(duì)底架、側(cè)墻、車(chē)頂及端墻 4 大部件在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、制造過(guò)程中的設(shè)計(jì)方案改進(jìn)和技術(shù)難點(diǎn)突破進(jìn)行詳細(xì)闡述和說(shuō)明;然后通過(guò)三維建模及有限元分析法在各工況下對(duì)車(chē)體強(qiáng)度進(jìn)行分析計(jì)算;最后通過(guò)車(chē)體強(qiáng)度試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果證明此車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠滿足低地板現(xiàn)代有軌電車(chē)的運(yùn)營(yíng)需求。

關(guān)鍵詞：有軌電車(chē);100%低地板;車(chē)體;設(shè)計(jì)研究

中圖分類號(hào)：U239.9

100%低地板現(xiàn)代有軌電車(chē)作為一種新型的車(chē)輛制式，在大城市用于完善軌道交通線網(wǎng)體系，在中小城市中滿足主城區(qū)交通需求，在經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)及觀光旅游線路上得到了廣泛的應(yīng)用和推廣?，F(xiàn)代有軌電車(chē)系統(tǒng)與地鐵系統(tǒng)相比，主要有工程造價(jià)低、建設(shè)周期短、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用低及維修方便等優(yōu)點(diǎn);與公交系統(tǒng)相比，主要有運(yùn)能大、速度快、無(wú)污染、乘坐舒適度高及使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)代有軌電車(chē)的車(chē)體作為整車(chē)系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性、可靠性、可維修性尤為重要。

1 編組形式及主要技術(shù)參數(shù)

現(xiàn)代有軌電車(chē)車(chē)輛根據(jù)行車(chē)及運(yùn)營(yíng)需求可靈活改變編組形式，主要編組有3模塊、5模塊和7模塊。本文介紹的100%低地板有軌電車(chē)車(chē)輛的編組為5模塊，其編組形式為：= Mc1 - F2 - Tp - F1 - Mc2 =，其中Mc1、Mc2表示帶司機(jī)室的動(dòng)車(chē);F1、F2表示懸浮車(chē);Tp表示帶受電弓的拖車(chē);=表示全自動(dòng)可折疊車(chē)鉤;-表示鉸接裝置。

車(chē)輛的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2 車(chē)體結(jié)構(gòu)

2.1 車(chē)體結(jié)構(gòu)組成

100%低地板現(xiàn)代有軌電車(chē)車(chē)體由5模塊通過(guò)上下鉸接裝置進(jìn)行聯(lián)掛組成，分別為M10 / M50、M20 / M40和M30模塊。其中M10 / M50為帶司機(jī)室的動(dòng)車(chē)模塊，車(chē)體長(zhǎng)度為7 900 mm，寬度為2 620 mm，高度≤3200mm;M20 / M40為懸浮模塊，車(chē)體長(zhǎng)度為7000mm;M30為拖車(chē)模塊，車(chē)體長(zhǎng)度為5 200 mm。整車(chē)總長(zhǎng)度<36 m，轉(zhuǎn)向架中心距為11.5 m。車(chē)體模塊化組成如圖1所示。

車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)理念，主要由底架、側(cè)墻、車(chē)頂及端墻4大部件組成。本文以M10模塊為例介紹車(chē)體的組成，如圖2所示。其中M10、M30、M50的底架和側(cè)墻均可互換;每個(gè)模塊之間的二位端墻也可互換;同時(shí)大部件下又分出各子模塊，包括底架下鉸接端梁、十字枕梁、牽引梁、門(mén)框及窗框，各子模塊在各大部件之間亦可互換。模塊化的設(shè)計(jì)可有效提高生產(chǎn)速度及組裝精度，便于生產(chǎn)安排及有效提高生產(chǎn)效率。

車(chē)體強(qiáng)度設(shè)計(jì)應(yīng)滿足EN 12663-1：2010《鐵路應(yīng)用-鐵道車(chē)輛車(chē)體的結(jié)構(gòu)要求 第1部分：機(jī)車(chē)和客運(yùn)（及貨車(chē)的替換法）》的要求，車(chē)體主體結(jié)構(gòu)使用壽命滿足30年的要求。

2.2 車(chē)體材質(zhì)

考慮到100%低地板現(xiàn)代有軌電車(chē)沒(méi)有獨(dú)立的路權(quán)，在混行過(guò)程中極易與社會(huì)車(chē)輛發(fā)生碰撞，因此車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用可修復(fù)性高的高強(qiáng)度耐候鋼作為主要車(chē)體材料。

從部件的加工工藝性和焊接工藝性考慮，且車(chē)體結(jié)構(gòu)形式為骨架+薄板外蒙皮的整體承載，因此需要采用大量電弧焊焊接。為保證焊接可靠性及部件加工工藝性，車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用Q355耐候鋼E等級(jí)（Q355NHE）材料作為車(chē)體的主要材料。

Q355NHE的化學(xué)成分及主要機(jī)械性能分別如表2和表3所示，且滿足GB/T 4171-2008《耐候結(jié)構(gòu)鋼》 的標(biāo)準(zhǔn)。

3 車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

100%低地板現(xiàn)代有軌電車(chē)由于載客能力大，且車(chē)輛啟停頻繁，因此對(duì)車(chē)體設(shè)計(jì)的強(qiáng)度和剛度需求會(huì)更高。同時(shí)，為了滿足軸重<12t的要求，車(chē)體輕量化設(shè)計(jì)的要求也同樣重要。因此，在車(chē)體設(shè)計(jì)改進(jìn)過(guò)程中，在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求基礎(chǔ)上，對(duì)各大部件進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

3.1 底架設(shè)計(jì)

底架結(jié)構(gòu)作為整車(chē)的主要承載部件，主要由端梁、十字枕梁及車(chē)輪罩板等組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。由于底架與轉(zhuǎn)向架接口較多，且工藝尺寸要求嚴(yán)格，為保證底架焊接質(zhì)量及部件尺寸要求，各部件的焊接需在翻轉(zhuǎn)工裝臺(tái)上完成，部分與轉(zhuǎn)向架配合尺寸要求嚴(yán)格的部件在組焊完成后還應(yīng)進(jìn)行整體機(jī)械加工。

底架設(shè)計(jì)中主要進(jìn)行以下改進(jìn)及技術(shù)難點(diǎn)解決。

（1）底架門(mén)區(qū)位置到轉(zhuǎn)向架中心位置的縱向連接板上存在6%的坡度，長(zhǎng)度為1 200 mm，高差為72 mm。該坡度一方面滿足門(mén)區(qū)地板面高度<350 mm的要求，另一方面滿足轉(zhuǎn)向架與車(chē)體的接口安裝。

（2）帶有6%坡度的主要原因是本方案的現(xiàn)代有軌電車(chē)采用有軸傳統(tǒng)輪對(duì)轉(zhuǎn)向架，而非獨(dú)立輪軸橋式轉(zhuǎn)向架。由于獨(dú)立輪轉(zhuǎn)向架存在設(shè)計(jì)難度高、運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本高、無(wú)自動(dòng)對(duì)中性等特點(diǎn)，其往往決定車(chē)輛設(shè)計(jì)的成敗，因此本方案選用成熟可靠的傳統(tǒng)軸轉(zhuǎn)向架。

（3）十字枕梁與車(chē)輪罩板組焊拐角處采用鍛件補(bǔ)強(qiáng)角進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，彌補(bǔ)此處應(yīng)力集中及尺寸形狀突變帶來(lái)的剛度不匹配，以提高該區(qū)域的強(qiáng)度。

（4）端梁采用腔型結(jié)構(gòu)，滿足下鉸接裝置和鉸接渡板安裝及受力要求。下鉸接裝置安裝孔采用整體機(jī)械加工方式，既能保證鉸接裝置的安裝精度，又能保證此區(qū)域鉸接渡板高度與門(mén)區(qū)地板面高度相平的要求。

（5）二系鋼彈簧安裝位置在承載后變形較大，因此轉(zhuǎn)向架中間區(qū)域通道的橫向、縱向采用連接支撐板形式向端梁傳遞載荷，實(shí)現(xiàn)底架的整體承載。

（6）端梁與十字枕梁采用連接板、搭接結(jié)構(gòu)組焊，實(shí)現(xiàn)底架縱向調(diào)節(jié)功能，避免由于焊接收縮變形對(duì)底架總長(zhǎng)尺寸的影響，能有效地保證底架在組焊完成后的長(zhǎng)度在公差允許的范圍內(nèi)。

3.2 側(cè)墻設(shè)計(jì)

為適應(yīng)有軌電車(chē)門(mén)窗布置密集、尺寸大的特點(diǎn)，側(cè)墻結(jié)構(gòu)主要由門(mén)、窗立柱，車(chē)頂縱梁及側(cè)墻外墻板等組焊而成，結(jié)構(gòu)形式較為簡(jiǎn)單，如圖4所示。

側(cè)墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主要克服和改進(jìn)了以下幾方面。

（1）由于側(cè)墻外墻板存在半徑R為10 000 mm的弧度，對(duì)外墻板焊接變形的控制存在一定的難度，通過(guò)多次調(diào)整工裝臺(tái)位的角度、控制焊接反變形尺寸及部件焊接順序的方法，保證外側(cè)板弧度、直線度及平整度控制在公差允許的范圍內(nèi)。

（2）在門(mén)角、窗角位置采用鍛件大圓弧型材局部補(bǔ)強(qiáng)，使焊縫遠(yuǎn)離高應(yīng)力區(qū)域，提高門(mén)角、窗角的抗疲勞能力。

（3）考慮到門(mén)機(jī)構(gòu)的安裝，在安裝門(mén)機(jī)構(gòu)的局部位置背板補(bǔ)強(qiáng)。

3.3 車(chē)頂設(shè)計(jì)

為保證整車(chē)軸重<12 t的要求并實(shí)現(xiàn)車(chē)體的輕量化設(shè)計(jì)，車(chē)頂及地板均采用三明治復(fù)合板的結(jié)構(gòu)，通過(guò)結(jié)構(gòu)膠與車(chē)體進(jìn)行連接，形成封閉筒型整體承載式結(jié)構(gòu)。車(chē)頂結(jié)構(gòu)如圖5所示。

車(chē)頂設(shè)計(jì)的主要難點(diǎn)及特點(diǎn)如下。

（1）100%低地板現(xiàn)代有軌電車(chē)的特點(diǎn)為所有電器設(shè)備均安裝于車(chē)頂，因此對(duì)車(chē)頂結(jié)構(gòu)形式、強(qiáng)度及剛度要求較高。通過(guò)多方調(diào)研和計(jì)算后，車(chē)頂結(jié)構(gòu)采用40mm厚度（1.5 mm鋁板+37 mm高強(qiáng)度泡沫+1.5 mm鋁板）三明治結(jié)構(gòu)形式，既保證了車(chē)頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度，也在車(chē)頂輕量化設(shè)計(jì)中比鋼結(jié)構(gòu)車(chē)體的質(zhì)量減小60%左右。

（2）為保證粘接強(qiáng)度及粘接效果，車(chē)頂?shù)恼辰硬捎眠M(jìn)口西卡結(jié)構(gòu)膠（Sika265），并保證粘接車(chē)間恒溫恒濕（溫度為20～25 ℃，相對(duì)濕度為75%以上）。

（3）車(chē)頂電器設(shè)備安裝座、車(chē)內(nèi)電器及內(nèi)裝設(shè)備安裝座通過(guò)結(jié)構(gòu)膠粘接于車(chē)頂板上，其優(yōu)點(diǎn)為粘接強(qiáng)度高、粘接尺寸精度高及安裝座粘接位置易更換。

（4）車(chē)頂結(jié)構(gòu)及安裝座粘接完成后增加車(chē)頂淋雨試驗(yàn)，以保證粘接的密封性。

3.4 端墻設(shè)計(jì)

端墻主要由上鉸接裝置連接板、端墻板及車(chē)頂支撐板等組成，如圖6所示。端墻的結(jié)構(gòu)需保證鉸接裝置和貫通道系統(tǒng)的安裝要求。

端墻設(shè)計(jì)中的改進(jìn)方案主要有以下幾點(diǎn)。

（1）為保證鉸接裝置安裝的要求，端墻上鉸接裝置安裝孔的加工更改為在端墻組焊完成后進(jìn)行整體機(jī)械加工。

（2）為保證貫通道系統(tǒng)的安裝要求，需滿足外墻板每平方米不超過(guò)2 mm的平面度要求。在內(nèi)外門(mén)洞之間增加圍板焊接，保證外墻板平面度和剛度的要求。

4 車(chē)體有限元分析

4.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算主要依據(jù)EN 12663-1：2010標(biāo)準(zhǔn)的要求。在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化和減重設(shè)計(jì)，使車(chē)體的結(jié)構(gòu)完全滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 計(jì)算模型及工況

利用Creo2.0軟件進(jìn)行車(chē)體三維模型建模，基于Hypermesh軟件進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，全車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)共有1 980 631個(gè)單元，其中以薄壁殼單元為主的共1 352755個(gè);車(chē)鉤的安裝及下鉸接裝置的安裝設(shè)置為剛性單元（Rbe2，共計(jì)6 282個(gè)單元）;轉(zhuǎn)向架二系鋼彈簧連接的設(shè)置為彈性單元（CBUSH，共計(jì)12個(gè)單元）;除去鋼結(jié)構(gòu)自身質(zhì)量外，整備狀態(tài)下的車(chē)輛其他部件質(zhì)量采用質(zhì)量單元分布于殼單元節(jié)點(diǎn)上。各模塊車(chē)體的有限元模型如圖7所示。

按照EN 12663-1：2010標(biāo)準(zhǔn)的要求，車(chē)體結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度計(jì)算工況如表4所示，包括垂直載荷、抬車(chē)、復(fù)軌、縱向壓縮載荷、縱向拉伸載荷等工況。

4.3 計(jì)算結(jié)果

車(chē)體材質(zhì)的屈服強(qiáng)度為355MPa（鋼板厚度3mm≤t≤16mm），安全系數(shù)按1.15考慮，因此可得車(chē)體材質(zhì)的許用應(yīng)力為308 MPa。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，各模塊的最大應(yīng)力點(diǎn)位置如圖8所示。M10模塊的最大應(yīng)力發(fā)生在側(cè)窗窗角補(bǔ)強(qiáng)板處（補(bǔ)強(qiáng)板板厚為4mm），數(shù)值為302MPa;M20模塊的最大應(yīng)力發(fā)生在門(mén)框補(bǔ)強(qiáng)角處（補(bǔ)強(qiáng)角板厚為6 mm），數(shù)值為302.9MPa;M30模塊的最大應(yīng)力發(fā)生在十字枕梁補(bǔ)強(qiáng)角處，數(shù)值為261 MPa。由此可知各工況下，各模塊的最大應(yīng)力均小于材質(zhì)的許用應(yīng)力，車(chē)體強(qiáng)度滿足要求。

在最大垂向載荷工況下，車(chē)體的最大垂向位移為-15.1mm，發(fā)生在M40車(chē)門(mén)角處。由于轉(zhuǎn)向架中心距為11.5 m，最大垂向位移僅為轉(zhuǎn)向架中心距的1.31‰，因此滿足車(chē)輛剛度要求。此時(shí)，車(chē)體的最大垂向位移位置如圖9中紅圈所指。

5 車(chē)體試驗(yàn)驗(yàn)證

車(chē)體靜強(qiáng)度試驗(yàn)委托國(guó)家鐵路產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心機(jī)車(chē)車(chē)輛檢驗(yàn)站對(duì)車(chē)體進(jìn)行垂直載荷、抬車(chē)、復(fù)軌、縱向壓縮載荷、縱向拉伸載荷的靜強(qiáng)度試驗(yàn)。在指定位置上布置應(yīng)力測(cè)試裝置和位移測(cè)試裝置，用以測(cè)量施加試驗(yàn)載荷時(shí)的應(yīng)力和位移，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖10所示。車(chē)體共設(shè)134個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，其中三向應(yīng)變花4個(gè)，單向應(yīng)變片130個(gè)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在M20模塊的門(mén)角補(bǔ)強(qiáng)角處，數(shù)值為295.9 MPa。

測(cè)量結(jié)果表明，車(chē)體的強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，且滿足EN 12663-1：2010標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)度要求。

6 結(jié)語(yǔ)

在100%低地板現(xiàn)代有軌電車(chē)車(chē)體的設(shè)計(jì)中，充分考慮了車(chē)體在生產(chǎn)制造過(guò)程中的可操作性、便捷性，以及車(chē)輛運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的安全性、可靠性和可維修維護(hù)性，在滿足車(chē)體強(qiáng)度要求的前提下采用輕量化、模塊化設(shè)計(jì)。為了適應(yīng)城市軌道交通用戶需求的多樣性，模塊化設(shè)計(jì)既可縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、便于組織小批量生產(chǎn)和降低車(chē)輛造價(jià)，也可提高車(chē)間生產(chǎn)和制造效率。車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過(guò)車(chē)間生產(chǎn)、計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證，滿足EN 12663-1：2010標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)度要求，同時(shí)滿足100%低地板現(xiàn)代有軌電車(chē)的運(yùn)營(yíng)需求，為后續(xù)現(xiàn)代有軌電車(chē)項(xiàng)目中車(chē)體的設(shè)計(jì)提供寶貴經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

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收稿日期 2019-05-07

責(zé)任編輯 黨選麗

Research on 100% low floor modern

tram car body design

Wang Runjiao

Abstract： Firstly， this paper introduces the car body structure and material of 100% low floor modern tram， and elaborates and explaines in detail the improvement of design scheme and breakthrough of technical difficulties in the process of design， production and manufacturing of four major parts of underframe， side wall， roof and end wall. Secondly it analyzes and calculates the strength of car body under various working conditions through three-dimensional modeling and finite element analysis. Thirdly it carries out validation with the car body strength tests， and the results show that the structure design of car body meets the operation requirements of low floor modern tram.

Keywords： tram， 100% low floor， car body， design research