有軌電車鋁合金車體設(shè)計(jì)

王樹才 林紅

摘 要： 首先，介紹了有軌電車鋁合金車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路、強(qiáng)度要求以及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。然后，依據(jù)EN12663標(biāo)準(zhǔn)要求，利用有限元法對(duì)車體強(qiáng)度、剛度及模態(tài)進(jìn)行了仿真計(jì)算。結(jié)果顯示車體結(jié)構(gòu)能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：有軌電車；鋁合金車體；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；強(qiáng)度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.07.034

有軌電車是中車四方車輛有限公司自主研發(fā)的膠輪承載、鋼輪導(dǎo)向式現(xiàn)代有軌電車，車體采用輕質(zhì)鋁合金材。借助ANSYS仿真軟件，計(jì)算分析了垂向、拉伸、壓縮等8種工況[1]，結(jié)果滿足車體強(qiáng)度要求。

1 車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 概述

車體采用整體承載式全焊接結(jié)構(gòu)。以大截面中空擠壓型材為主，個(gè)別部件采用板梁結(jié)構(gòu)。車體強(qiáng)度滿足EN 12663-2010標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于輕載有軌電車的結(jié)構(gòu)要求：縱向壓縮載荷為200kN，縱向拉伸載荷150kN。

1.2 車體結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)

車體由車頂、底架、側(cè)墻和端墻組成，主要技術(shù)參數(shù)如下：

車體采用模塊化設(shè)計(jì)。模塊之間，如底架與側(cè)墻、側(cè)墻與車頂、端墻與車頂、端墻與側(cè)墻，拼接接頭采用搭接結(jié)構(gòu)，確保車體具有較高的組裝工藝性；同一模塊內(nèi)部型材與型材之間，則以插接接頭為主，確保獲得良好的焊接接頭性能。

1.3 底架設(shè)計(jì)

底架由邊梁、中部地板和端部地板組成，是整個(gè)車體的主要受力單元，不僅要承受垂向載荷，還要承受及傳遞車體的牽引力和制動(dòng)力。采用大斷面中空擠壓型材組焊成型，共6種斷面，11塊型材。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下所述：

（1）中部地板包括3塊型材，插接接頭設(shè)計(jì)，上下面板采用不同厚度，充分滿足底架強(qiáng)度及剛度的同時(shí)亦最大程度地做到減輕自重。（2）中部底部與邊梁及端部地板均采用搭接接頭，便于底架結(jié)構(gòu)尺寸公差的控制。（3）門口設(shè)加強(qiáng)梁，彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)突變?cè)斐傻膭偠炔黄ヅ洹?/p>

1.4 車頂設(shè)計(jì)

車頂由中頂板、側(cè)頂板和邊梁組成，是車輛主要設(shè)備件的承載基礎(chǔ)，并可承受安裝設(shè)備人員的質(zhì)量。采用大斷面中空擠壓型材組焊成型，共4種斷面，7塊型材。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下所述：

（1）由3塊型材插接而成中頂板不承受車頂設(shè)備重量，采取了減重設(shè)計(jì)并采用弧斷面，利于車頂排水并有益于車頂縱向剛度的提高。（2）中頂板與側(cè)頂板、側(cè)頂板與邊梁分別插接后再搭接而成，既利于車頂設(shè)備對(duì)側(cè)頂板和邊梁承載強(qiáng)度的要求，又便于調(diào)整車頂總成的寬度。

1.5 側(cè)墻設(shè)計(jì)

側(cè)墻由一二位側(cè)墻組成，兩側(cè)側(cè)墻完全對(duì)稱，且為適應(yīng)現(xiàn)代有軌電車門窗布置密集、尺寸大的特點(diǎn)，側(cè)墻采用門、窗立柱形式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工量小。門角、窗角等高應(yīng)力區(qū)設(shè)大圓弧過渡的補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，避免應(yīng)力集中。

1.6 端墻設(shè)計(jì)

端墻由端立柱、風(fēng)擋立柱、端頂橫梁及端墻板組成，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

（1）端墻立柱及風(fēng)擋立柱采用矩形截面梁，為型材一次擠壓成型，力學(xué)性能穩(wěn)定。（2）端門上角采用大圓角過渡，避免應(yīng)力集中。（3）端墻與車頂在頂部齊平，車頂兩側(cè)的積水可在車端順暢排出。

2 車體靜強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)EN 12663-2010，利用ANSYS仿真分析軟件，對(duì)車體進(jìn)行了8個(gè)工況的計(jì)算。結(jié)果表明，所有工況下計(jì)算應(yīng)力均小于材料的屈服強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 車體剛度計(jì)算

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[2]要求，在最大垂向載荷作用下車體靜撓度不超過兩轉(zhuǎn)向架支撐點(diǎn)之間距離的1‰。車體兩支撐點(diǎn)之間的距離為7000mm，在表1計(jì)算工況1下，車體邊梁最大垂向位移小于7mm，車體剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

4 模態(tài)分析

車體模態(tài)是評(píng)價(jià)列車運(yùn)行安全性及舒適性的一個(gè)重要指標(biāo)。在列車運(yùn)行過程中，若車體模態(tài)與轉(zhuǎn)向架的固有頻率相差不多，則有可能引起車體的共振，振動(dòng)的加劇將引起輪軌間作用力的加劇，輕則影響車輛的舒適性，嚴(yán)重時(shí)會(huì)危及車輛的行車安全。

表2為整備狀態(tài)下鋁合金車體的一階垂彎和一階扭轉(zhuǎn)。結(jié)果顯示，滿足車輛設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語

有軌電車車體采用輕質(zhì)鋁合金材質(zhì)，是基于車體輕量化設(shè)計(jì)的思路。車體結(jié)構(gòu)除了要具有良好的組裝工藝性外，還應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度。經(jīng)仿真分析計(jì)算，車體結(jié)構(gòu)能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)（GB-BSI）.鐵道應(yīng)用-軌道交通車輛車體結(jié)構(gòu)要求：EN 12663-1：2010[S].

[2]中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).地鐵車輛通用技術(shù)條件：GB/T 7928-2003[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004：4.