APM車輛車體結構設計探討

鄭鵬博

摘 要：本文針對APM車輛的鋁合金材料性質進行分析，分析車體的整體結構、特點以及技術參數，并利用有限元分析法對車體結構進行更加深入的研究，經研究后表示，APM車輛鋁合金車體結構的鋼度、強度以及疲勞性能均可以達到國家標準要求，同時也滿足技術規范標準。

關鍵詞：城軌車輛;有限元法;鋁合金車體;疲勞

前言：APM被稱作為全自動旅客捷運系統，該系統的優點為無可無人駕駛、轉彎半徑小、編組靈活、建設周期短以及運行噪聲低等，一般情況下，APM車輛在各大城市中也越來越普及，比如商業園區、公園等，利用APM車輛可以有效彌補傳統地鐵車輛的不足之處，但均為進口車輛，而為了能夠進一步節省成本，我已開始對該項目進行深入研發，并在上海市軌道交通中開始使用，預計在未來的發展階段，我國國內將會有更多的城市采用此類型車輛。

1.車體結構

1.1車體參數分析

整個車輛中車體是非常關鍵和核心的構件，具體而言，其 必須要滿足以下要求：第一是鋁合金車體必須要由全焊接整體承載;第二，車體的具體強度必須要達EN12663規定的相關要求與規定;第三，APM車輛的高度為3400mm;（4）車體內部需達到安裝外掛門和大窗戶要求;（5）車體底價應與足三軸橡膠輪安裝轉向架需求保持一致[1]。

在生產制造APM車體過程中，采用的材料為鋁合金與鋼炭。安裝，需采用鉚接方式。這樣一來就影響到了外觀的美觀性，而新型車體則由中空鋁合金擠壓型材和鋼材組焊接而成，焊接后是整體性的承載結構，這樣制作的車體美觀度較高，而且強度也符合要求，具體為：壓縮載荷：400kN，拉伸載荷：300kN。因為車輛能夠單節運行，因此，車體兩端都需要設計駕駛室，這也就表示，整個車體的結構由頂蓋、底架、側墻和司機室構成，其參數為：（①長度：12075mm;②寬度：2850mm;③高度：3400mm;④定距：6970mm;⑤車鉤中心線距軌面高度：710mm;⑥車門間距：6875mm;⑦側邊車門數量：2個;⑧側邊窗戶數量：3個）。

車輛的空調裝置應安裝在車頂的位置，每一輛車應配備兩臺空調，而后安裝在車體的兩端，形成[2]。

1.2側墻

主題公園是APM車輛應用最為廣泛的場所，而為了使乘客更好的觀看風景，在進行車輛設計時，需要加大車窗和車門的尺寸，一般情況下，尺寸如下：兩端小側墻單元窗戶尺寸設置為750mm×870mm、中間大側墻單元窗戶尺寸設置為1980mm×870mm、門洞尺寸設置為2200mm×1963mm。從整體側墻結構來看，其共由2個大側墻和4個小測量單元組成。其中側墻單元，需通過對側墻板與立柱等構件的焊接來保證作用可靠性。對于門柱，則采用整體折彎方式[3]。而側墻板共由5塊鋁合金型材拼接起來。與此同時，還要在其鋁型材內側開口設置為長條形，以使其超長車內C型槽，而后在槽內安裝座椅、墻板和扶手等。因為車門屬于外掛型車門，所以側墻板和車端立柱需要才采用插接方式連接。外掛門開門的止檔為止檔面;玻璃鋼頭罩膠粘的粘結面，能夠作用于連接面。

1.3頂蓋

APM車輛頂蓋由圓弧頂蓋、車頂邊梁、空調機組等多個部件焊接形成。安裝空調時，應安裝在車體的兩端，其與車體之間的高度相等，這樣一來就能夠美化車體外觀，同時也可以保溫、隔音。對于圓弧頂蓋的主結構，需設計為爽殼矩形結構以為車輛整體的隔音與保溫效果提供條件。頂蓋邊梁門角的加工，要以整體狀態進行，這樣才能在成型后能夠發揮減少門角應力的目的。為了可以提高安裝車門的便利性，使局部鋼筋的厚度可以達到標準，應將C型槽安裝在內側，最后在車內對其他設備進行安裝。

1.4底架

APM車輛的底架結構，需與安裝單軸橡膠輪作用于轉向架和外掛門的需求保持一致。，由于底架邊梁，也是傳遞門體，所以應確保門體垂向剛度，設計時，需要充分考慮外掛門的安裝和橡膠輪的運動空間與側墻板、門立柱和長地板之間的連接關系，而后根據實際情況設計成為異形結構，這樣一來就能夠使邊梁成功避開橡膠輪區域，而且也可以在外門下安裝導軌，這樣就能夠滿足外掛門的下導軌安裝。除此之外，為了能夠進一步加強底架邊梁的剛度與強度，應該設置加強筋，如果對橡膠輪區域進行安裝，需通過局部加工方式，來避免加強筋與橡膠輪間存在干涉問題。連接，也要采用插接方式來實現底架邊梁與側墻板的連接。而底架邊梁與長地板則需要采用搭接的方式進行連接，這樣一來就可以在后續調節車體寬度、尺寸和方向提供便利。轉向架應使用單軸橡膠輪對，為了能夠彌補傳統地鐵車輛的弊端和缺陷，在創新設計中，可以使用4根大斷面鋁合金擠壓型材焊接轉向架，對于直角連接處可以使用圓弧加強筋板過渡，從而減小應力[4]。

1.5司機室結構

對于司機室結構來說，為了提高安全性，設計應選用頭罩造型。同時，還要考量安裝與連接頭燈的實際情況。具體過程，可將司機室立柱連接底架與頂蓋，這樣就能夠分流低價所產生的力，從而減少載荷力，提高抗壓強度[5]。

2.有限元分析

2.1計算靜強度

根據相關管理部門制定的規范標準，需同時對正常與非正常兩種工況，作用于不同載荷下的環境進行分析。具體如下：AW0+400KN壓縮力、AW3+400KN壓縮力、AW0+300KN拉伸力、AW3+300KN拉伸力、頂蓋400cm2共承載2000N靜壓力、四點架車（帶轉向架，某一架車點垂向位移10mm）、吊車（帶轉向架）。

經過計算后，所有工況下，車體的計算應力均低于設計可允許應力，這也就說明，完全滿足設計需求。

另外，值得注意的是，載超載AW3工況下，車體底架邊梁的垂向變形量為5.9mm，能夠與規范標準中要求的內容相符。這里的要求是指，最大垂直荷載作用下，車體靜撓度未超過兩點轉向架支撐點距離1%。

2.2模態分析

在進行模態分析時，需要運用Block Lanczos算法，并保證車體處于整備狀態下，完成六階模態的計算。具體結果如下。1階：整車側偏頻率8.43/Hz、2階：整車垂向頻率8.99/Hz、3階：整車扭轉頻率12.09/Hz、4階：頂蓋垂向頻率13.63/Hz、5階：整車側偏頻率15.38/Hz、6階：整車垂向頻率16.32/Hz。

2.3疲勞分析

根據標準EN12663-1中的相關要求，使用疲勞極限法檢驗車體的疲勞強度，經過分析后，均滿足疲勞強度設計要求。

結束語：綜上所述，APM作為一種建設周期短、運用前景可觀、可編程性強、具有低噪音、無人駕駛的全自動旅客捷運系統，目前在北京、廣州珠海等地區得到運用，其改變了我國的軌道交通局面，通過創新研發該項技術，可以為多個區域的旅游經濟建設做出貢獻，考慮到其建設成本和經濟性的問題，很多技術人員嘗試自主創新研發，降低其造價成本。在本次研究中，根據APM車輛總體參數和相關部件接口要求，著手開展了鋁合金車體的創新設計。通過分析側墻、司機室結構、頂蓋以及底架設計，發現均可滿足車輛車體剛度、疲勞性能以及強度等設計需求。成功為我國APM車輛的日后發展奠定了基礎，建議相關單位研究推廣。

參考文獻：

[1]王興元，王良良，王嘉鑫，朱冬進，羅唐.地鐵與自動旅客運輸系統的車輛與站臺水平間隙標準的對比及應用[J].城市軌道交通研究，2020，23（05）：72-75.

[2]劉聰靈，徐亞萍.膠輪路軌自動旅客捷運（APM）系統的軌道施工技術[J].建筑施工，2019，41（12）：2194-2197.

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