100%?低地板現代有軌電車車體設計研究

王潤姣

摘 要：首先介紹 100% 低地板現代有軌電車車體的結構和材質，并對底架、側墻、車頂及端墻 4 大部件在設計、生產、制造過程中的設計方案改進和技術難點突破進行詳細闡述和說明;然后通過三維建模及有限元分析法在各工況下對車體強度進行分析計算;最后通過車體強度試驗進行驗證，結果證明此車體結構設計能夠滿足低地板現代有軌電車的運營需求。

關鍵詞：有軌電車;100%低地板;車體;設計研究

中圖分類號：U239.9

100%低地板現代有軌電車作為一種新型的車輛制式，在大城市用于完善軌道交通線網體系，在中小城市中滿足主城區交通需求，在經濟開發區及觀光旅游線路上得到了廣泛的應用和推廣。現代有軌電車系統與地鐵系統相比，主要有工程造價低、建設周期短、運營費用低及維修方便等優點;與公交系統相比，主要有運能大、速度快、無污染、乘坐舒適度高及使用壽命長等優點。現代有軌電車的車體作為整車系統的重要組成部分，對其結構設計的安全性、可靠性、可維修性尤為重要。

1 編組形式及主要技術參數

現代有軌電車車輛根據行車及運營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%低地板有軌電車車輛的編組為5模塊，其編組形式為：= Mc1 - F2 - Tp - F1 - Mc2 =，其中Mc1、Mc2表示帶司機室的動車;F1、F2表示懸浮車;Tp表示帶受電弓的拖車;=表示全自動可折疊車鉤;-表示鉸接裝置。

車輛的主要技術參數如表1所示。

2 車體結構

2.1 車體結構組成

100%低地板現代有軌電車車體由5模塊通過上下鉸接裝置進行聯掛組成，分別為M10 / M50、M20 / M40和M30模塊。其中M10 / M50為帶司機室的動車模塊，車體長度為7 900 mm，寬度為2 620 mm，高度≤3200mm;M20 / M40為懸浮模塊，車體長度為7000mm;M30為拖車模塊，車體長度為5 200 mm。整車總長度<36 m，轉向架中心距為11.5 m。車體模塊化組成如圖1所示。

車體結構設計采用模塊化設計理念，主要由底架、側墻、車頂及端墻4大部件組成。本文以M10模塊為例介紹車體的組成，如圖2所示。其中M10、M30、M50的底架和側墻均可互換;每個模塊之間的二位端墻也可互換;同時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、門框及窗框，各子模塊在各大部件之間亦可互換。模塊化的設計可有效提高生產速度及組裝精度，便于生產安排及有效提高生產效率。

車體強度設計應滿足EN 12663-1：2010《鐵路應用-鐵道車輛車體的結構要求 第1部分：機車和客運（及貨車的替換法）》的要求，車體主體結構使用壽命滿足30年的要求。

2.2 車體材質

考慮到100%低地板現代有軌電車沒有獨立的路權，在混行過程中極易與社會車輛發生碰撞，因此車體結構設計采用可修復性高的高強度耐候鋼作為主要車體材料。

從部件的加工工藝性和焊接工藝性考慮，且車體結構形式為骨架+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，車體結構設計采用Q355耐候鋼E等級（Q355NHE）材料作為車體的主要材料。

Q355NHE的化學成分及主要機械性能分別如表2和表3所示，且滿足GB/T 4171-2008《耐候結構鋼》 的標準。

3 車體結構設計

100%低地板現代有軌電車由于載客能力大，且車輛啟停頻繁，因此對車體設計的強度和剛度需求會更高。同時，為了滿足軸重<12t的要求，車體輕量化設計的要求也同樣重要。因此，在車體設計改進過程中，在滿足結構強度要求基礎上，對各大部件進行輕量化設計。

3.1 底架設計

底架結構作為整車的主要承載部件，主要由端梁、十字枕梁及車輪罩板等組成，其結構如圖3所示。由于底架與轉向架接口較多，且工藝尺寸要求嚴格，為保證底架焊接質量及部件尺寸要求，各部件的焊接需在翻轉工裝臺上完成，部分與轉向架配合尺寸要求嚴格的部件在組焊完成后還應進行整體機械加工。

底架設計中主要進行以下改進及技術難點解決。

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

（2）帶有6%坡度的主要原因是本方案的現代有軌電車采用有軸傳統輪對轉向架，而非獨立輪軸橋式轉向架。由于獨立輪轉向架存在設計難度高、運營維護成本高、無自動對中性等特點，其往往決定車輛設計的成敗，因此本方案選用成熟可靠的傳統軸轉向架。

（3）十字枕梁與車輪罩板組焊拐角處采用鍛件補強角進行補強，彌補此處應力集中及尺寸形狀突變帶來的剛度不匹配，以提高該區域的強度。

（4）端梁采用腔型結構，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械加工方式，既能保證鉸接裝置的安裝精度，又能保證此區域鉸接渡板高度與門區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，因此轉向架中間區域通道的橫向、縱向采用連接支撐板形式向端梁傳遞載荷，實現底架的整體承載。

（6）端梁與十字枕梁采用連接板、搭接結構組焊，實現底架縱向調節功能，避免由于焊接收縮變形對底架總長尺寸的影響，能有效地保證底架在組焊完成后的長度在公差允許的范圍內。

3.2 側墻設計

為適應有軌電車門窗布置密集、尺寸大的特點，側墻結構主要由門、窗立柱，車頂縱梁及側墻外墻板等組焊而成，結構形式較為簡單，如圖4所示。

側墻結構設計中主要克服和改進了以下幾方面。

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

（2）在門角、窗角位置采用鍛件大圓弧型材局部補強，使焊縫遠離高應力區域，提高門角、窗角的抗疲勞能力。

（3）考慮到門機構的安裝，在安裝門機構的局部位置背板補強。

3.3 車頂設計

為保證整車軸重<12 t的要求并實現車體的輕量化設計，車頂及地板均采用三明治復合板的結構，通過結構膠與車體進行連接，形成封閉筒型整體承載式結構。車頂結構如圖5所示。

車頂設計的主要難點及特點如下。

（1）100%低地板現代有軌電車的特點為所有電器設備均安裝于車頂，因此對車頂結構形式、強度及剛度要求較高。通過多方調研和計算后，車頂結構采用40mm厚度（1.5 mm鋁板+37 mm高強度泡沫+1.5 mm鋁板）三明治結構形式，既保證了車頂的結構強度，也在車頂輕量化設計中比鋼結構車體的質量減小60%左右。

（2）為保證粘接強度及粘接效果，車頂的粘接采用進口西卡結構膠（Sika265），并保證粘接車間恒溫恒濕（溫度為20～25 ℃，相對濕度為75%以上）。

（3）車頂電器設備安裝座、車內電器及內裝設備安裝座通過結構膠粘接于車頂板上，其優點為粘接強度高、粘接尺寸精度高及安裝座粘接位置易更換。

（4）車頂結構及安裝座粘接完成后增加車頂淋雨試驗，以保證粘接的密封性。

3.4 端墻設計

端墻主要由上鉸接裝置連接板、端墻板及車頂支撐板等組成，如圖6所示。端墻的結構需保證鉸接裝置和貫通道系統的安裝要求。

端墻設計中的改進方案主要有以下幾點。

（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行整體機械加工。

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

4 車體有限元分析

4.1 設計依據

車體結構設計及計算主要依據EN 12663-1：2010標準的要求。在保證結構強度的基礎上進行優化和減重設計，使車體的結構完全滿足設計要求。

4.2 計算模型及工況

利用Creo2.0軟件進行車體三維模型建模，基于Hypermesh軟件進行有限元網格劃分，全車車體結構共有1 980 631個單元，其中以薄壁殼單元為主的共1 352755個;車鉤的安裝及下鉸接裝置的安裝設置為剛性單元（Rbe2，共計6 282個單元）;轉向架二系鋼彈簧連接的設置為彈性單元（CBUSH，共計12個單元）;除去鋼結構自身質量外，整備狀態下的車輛其他部件質量采用質量單元分布于殼單元節點上。各模塊車體的有限元模型如圖7所示。

按照EN 12663-1：2010標準的要求，車體結構靜強度計算工況如表4所示，包括垂直載荷、抬車、復軌、縱向壓縮載荷、縱向拉伸載荷等工況。

4.3 計算結果

車體材質的屈服強度為355MPa（鋼板厚度3mm≤t≤16mm），安全系數按1.15考慮，因此可得車體材質的許用應力為308 MPa。根據有限元計算結果，各模塊的最大應力點位置如圖8所示。M10模塊的最大應力發生在側窗窗角補強板處（補強板板厚為4mm），數值為302MPa;M20模塊的最大應力發生在門框補強角處（補強角板厚為6 mm），數值為302.9MPa;M30模塊的最大應力發生在十字枕梁補強角處，數值為261 MPa。由此可知各工況下，各模塊的最大應力均小于材質的許用應力，車體強度滿足要求。

在最大垂向載荷工況下，車體的最大垂向位移為-15.1mm，發生在M40車門角處。由于轉向架中心距為11.5 m，最大垂向位移僅為轉向架中心距的1.31‰，因此滿足車輛剛度要求。此時，車體的最大垂向位移位置如圖9中紅圈所指。

5 車體試驗驗證

車體靜強度試驗委托國家鐵路產品質量監督檢驗中心機車車輛檢驗站對車體進行垂直載荷、抬車、復軌、縱向壓縮載荷、縱向拉伸載荷的靜強度試驗。在指定位置上布置應力測試裝置和位移測試裝置，用以測量施加試驗載荷時的應力和位移，試驗現場如圖10所示。車體共設134個應力測點，其中三向應變花4個，單向應變片130個，最大應力出現在M20模塊的門角補強角處，數值為295.9 MPa。

測量結果表明，車體的強度計算結果與試驗結果基本一致，且滿足EN 12663-1：2010標準的強度要求。

6 結語

在100%低地板現代有軌電車車體的設計中，充分考慮了車體在生產制造過程中的可操作性、便捷性，以及車輛運營過程中的安全性、可靠性和可維修維護性，在滿足車體強度要求的前提下采用輕量化、模塊化設計。為了適應城市軌道交通用戶需求的多樣性，模塊化設計既可縮短產品開發周期、便于組織小批量生產和降低車輛造價，也可提高車間生產和制造效率。車體結構設計通過車間生產、計算及試驗驗證，滿足EN 12663-1：2010標準的強度要求，同時滿足100%低地板現代有軌電車的運營需求，為后續現代有軌電車項目中車體的設計提供寶貴經驗和設計基礎。

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收稿日期 2019-05-07

責任編輯 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