3節編組100%低地板有軌電車車體設計

臧蘭蘭 鐘恩洋 王天宇

摘 要：首先介紹 3 節編組 100% 低地板有軌電車編組型式，并對車輛鉸接系統和車體結構組成及材質進行闡述，通過有限元分析法對各工況下車體結構強度進行計算，最后通過車體強度試驗進行驗證，結果表明，該 3 節編組 100% 低地板有軌電車車體結構強度滿足設計要求。

關鍵詞：有軌電車;100% 低地板;3 節編組;鉸接系統;車體結構

中圖分類號：U239.9

有軌電車自19世紀末發展到現在，經歷了70%低地板到現在的100%低地板。中車大連機車車輛有限公司有軌電車技術源于意大利喜瑞系列有軌電車，通過原型車技術引進，國產化技術研發，目前已掌握該有軌電車技術，并已成功生產有軌電車，運營于北京西郊線和珠海一號線。大連已運行多年的202路有軌電車采用架空接觸網供電方式，原有車型為3節編組70%低地板有軌電車。為了保證車輛編組和門間距與既有線路相同，在滿足既有線路運營條件的基礎上，此次增購車輛為100%低地板的3節編組車輛。

1 車輛編組形式及主要技術參數

70%低地板有軌電車基本為3節編組，其編組形式為：= Mc + Tp + Mc =;100%低地板有軌電車基本為5節編組或4節編組[1]，其編組形式為：= Mc + F + Tp + F + Mc = 或= Mc + M + Tp + Mc =;此次增購的3節編組100%低地板有軌電車，其編組形式為= Mpc + T + Mc =。其中 = 表示車鉤，+表示鉸接裝置，F表示不帶轉向架的浮車，Tp表示帶受電弓和轉向架的拖車，T表示不帶轉向架和受電弓的拖車， Mc表示帶司機室和轉向架的動車，Mpc表示帶司機室、轉向架和受電弓的動車。大連202有軌電車增購車輛編組形式如圖1所示。

車輛主要技術參數如表1所示。

2 車輛鉸接系統

2.1 系統配置

鉸接裝置位于車輛之間，它將相鄰車輛連接在一起，并同時起到支撐及傳遞力的作用，其系統配置如圖2所示。車輛與車輛之間的上部設轉動鉸，如圖3所示。轉動鉸只能水平轉動，不能俯仰和側滾。車輛與車輛之間的下部設固定鉸，如圖4所示。固定鉸可以繞3個方向轉動，但限制了3個方向的平動。固定鉸承受車輛的垂向力，傳遞車輛的縱向力和橫向力。3節編組車輛的鉸接系統受力情況不同于4節編組或5節編組車輛，根據計算，3節編組車輛選用的鉸接系統受力強度更高。

2.2 工作原理

固定鉸和轉動鉸共同作用，在實現車輛轉動的同時，承受車輛的垂向力，傳遞車輛的縱向力和橫向力。由于車輛需要經過坡道和曲線，且曲線線路外軌超高，因此，車輛需具有俯仰和側滾的能力。本次研發的3節編組車輛的俯仰和側滾能力，主要通過轉向架系統的二系鋼簧來實現。

2.3 主要技術參數

固定鉸安裝在車體底架端部，轉動鉸安裝在頂棚端部，隨著車輛運行30年，因此，鉸接裝置需具有一定的強度和耐久性。根據3節編組車輛的技術參數和車輛重量參數，對鉸接裝置進行計算，提出鉸接裝置的強度性能指標、疲勞性能指標和轉動性能指標等。

2.3.1 固定鉸主要技術參數

（1）固定鉸承受的縱向靜態力為500 kN，橫向靜態力為50 kN，垂向靜態力為83 kN。

（2）固定鉸承受的縱向動態力為20±15 kN，橫向動態力為±12 kN，垂向動態力為62±10 kN。

（3）固定鉸的水平轉動角度為±22°，俯仰角度為±5°，側滾角度為±3°。

2.3.2 轉動鉸主要技術參數

（1）轉動鉸承受的縱向靜態力為 175 kN，橫向靜態力為50 kN。

（2）轉動鉸承受的縱向動態力為20±15 kN，橫向動態力為±12 kN。

（3）轉動鉸只能水平轉動±30°，不能俯仰和側滾。

3 車體結構

為了適應既有線路的需求，車門位置必須與既有車輛保持一致。車門位置位于轉向架區之外，是車體強度和剛度的薄弱位置，在進行設計時，為保證車體的強度和剛度，對車體的頂棚側梁和底架邊梁都進行了格外加強，保證車體的強度和剛度。此處是車體設計的重點和難點。

3.1 車體強度

車體結構設計符合標準BS EN 12663-1：2010+A1：2014 《鐵路應用- 軌道車輛車體結構要求》，車輛類型歸屬于其中的P-Ⅴ類，滿足縱向200 kN壓縮及150 kN拉伸載荷，與既有車輛車體強度相同。車體結構焊接標準執行EN 15085《鐵路應用- 鐵路車輛和器件的焊接》。

3.2 車體結構組成及材質

車體結構在滿足強度剛度要求的前提下，盡量輕量化設計及等強度等剛度設計。車體主要采用底架無中梁的整體承載結構。底架部位連接轉向架，承受動態疲勞載荷，司機室前端結構保證碰撞強度，底架和頂棚安裝鉸接系統部分，承受動態疲勞載荷，采用高強度碳鋼S500MC，局部鉚接部位采用碳鋼Q345E，其余部位為了滿足輕量化設計指標和平整度指標，均采用鋁合金型材6005A-T6。按照相關標準，各材質的性能參數如表2所示。

車體鋁結構主要采用中空閉口擠壓鋁型材，各個鋁合金結構之間采用焊接方式連接。為了滿足車體的強度和剛度要求，鋁合金結構和碳鋼結構之間主要采用鉚接和粘接兩種方式進行連接。粘接滿足DIN 6701《軌道車輛及其構件粘接》要求。為了簡化工藝，應盡量選擇適于手工鉆孔的鉚釘，避免采用需要設備鉆孔的大型鉚釘。在施工時，先在鋁合金和碳鋼接觸部位涂抹結構膠，再采用鉚接方式進行連接。編組車體結構組成如圖5所示。

3.2.1 Mpc 車車體結構

Mpc車車體長度9432mm，車體寬度2650mm。Mpc車車體主要由司機室前端結構（S500MC）、轉向架安裝結構（S500MC）、固定鉸安裝梁（S500MC）、牽引箱安裝平臺（6005A-T6）、受電弓安裝平臺（6005A-T6）、轉動鉸安裝梁（S500MC）、側墻（6005A-T6）、端墻（6005A-T6）等部分組成。具體如圖6所示。

3.2.2 T車車體結構

T車車體長度3760mm，車體寬度2650mm。T車是拖車，底架下沒有轉向架。T車車體主要由底架（6005A-T6）、側墻（6005A-T6）、端墻（6005A-T6）、頂棚（6005A-T6）、固定鉸安裝梁（S500MC）、轉動鉸安裝梁（S500MC）等部分組成。具體如圖7所示。

3.2.3 Mc 車車體結構

Mc車車體結構與Mpc車類似，但沒有受電弓安裝平臺。

4 車體結構有限元分析

4.1 計算依據

計算按照標準BS EN 12663-1：2010+A1：2014 《鐵路應用- 軌道車輛車體結構要求》進行，在各種工況下，車體結構應力均不超過材料的許用應力。

4.2 車體有限元模型

采用通用有限元分析軟件ANSYS對車體結構進行有限元分析。為使車體計算模型與實際車體結構保持一致，從而保證計算結果的有效性，本次計算采用整車計算模型。建模時，按15 mm進行離散，其中采用實體單元離散模擬鉸接結構，3節車有限元模型共有單元總數為1550973個，節點總數為1472736個。

4.3 計算工況

根據車輛的實際運營工況，對單車和編組列車分別進行有限元計算分析，具體如表3所示。

4.4 計算結果

對所有工況下的車體結構進行受力分析，計算結果見表4。其中工況7 Mpc車體架車位附近結構應力最大，車體應力云圖如圖8所示。

計算結果表明：車體結構各部位出現的最大應力均低于材料的許用應力，強度滿足BS EN 12663-1：2010+A1：2014 《鐵路應用-軌道車輛車體結構要求》。

5 車體試驗驗證

2019年6月，在車體靜強度試驗臺對編組列車進行車體強度試驗。試驗按照BS EN 12663-1：2010+A1：2014 《鐵路應用-軌道車輛車體結構要求》進行，試驗工況與車體結構有限元分析工況完全相同。試驗時，車體之間通過鉸接裝置進行連接。車體試驗現場如圖9所示。

試驗結果表明：所有車體結構的實測應力值均小于材料的許用應力，車體的強度完全滿足設計及標準要求。

6 結束語

通過對車輛編組及鉸接系統介紹，確定車體結構組成及選材，通過試驗校核，證明了此3節編組車輛車體結構設計的合理性和可靠性。目前此種車型，在國際以及國內軌道交通市場比較少見，希望能為后續此種車型的設計提供參考。

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收稿日期 2019-11-15

責任編輯 宗仁莉