虛擬軌道列車車體技術研究

周偉旭，李永寬

(中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研究中心，吉林 長春 130013)*

隨著城市居住人口數量的逐年增加和汽車保有量的提高，市域內交通壓力隨之增大.以北京市2019年3月路網運行監測結果為例，工作日日均擁堵持續時間為3h38min［1］，交通壓力顯著影響了城市居民的生活效率，城市對方便快捷、節能低耗、環境友好的交通方式需求日益迫切.目前城市公共交通方式主要有道路公共交通系統、城市軌道交通系統.道路公共交通系統具有適應性強、造價低、線路規劃靈活等特點，但因路況擁堵而造成效率降低.城市軌道交通如有軌電車、輕軌車、地鐵等，雖然在載客量、速度等各方面有獨特優勢，但與道路公共交通相比投資大、運營成本高、建設周期較長，同時軌道具有專用性.表1針對道路公共交通系統、BRT、地鐵、輕軌和新型軌道電車等運輸方式的載客能力、路線資源、運輸能力、能源環境等方面進行了總結與比較.從表中不難得出，兼顧載客能力、路線資源、運輸能力、能源環境等幾個方面考量，現代有軌電車和BRT系統，均在載客量(相對于普通道路公交系統)、速度(相對于其它公共交通)、成本等各方面有獨特優勢，已在國內一些大中城市實踐［3］.但現有BRT等汽車列車多采用多鉸接式，車輛曲線道路的適應性受到轉向功能和鉸接方式的限制，固定編組且容量有限，主要由兩鉸接三車廂組成，無法滿足中運量客運需求.另外，車輛結構固定，無法對車廂數量進行編組，降低了道路資源使用率和乘客輸送效率，而這也正是BRT形似“公交”的主要原因.

為滿足路線建設成本低、地面資源占用少、市內交通壓力低、綠色環保等需求，新一代虛擬軌道列車應運而生.其具有中低運量系統，且兼具有軌電車和公共汽車兩者的優點，無須鋪設鋼軌，不破壞路面，全列由多節車廂鉸接組成，具有軌跡跟隨能力，可實現自動導向，采用全電驅動新型膠輪列車系統，沿用部分軌道車輛應用技術，具有項目建設周期短，基礎設施投資小，調度靈活的特點，是兼顧運能與成本全新的中運量交通系統解決方案［4］.

車體是虛擬軌道列車的主要承載部件，在運行過程中，要承受各種設備載荷以及運行中縱向、橫向和垂向沖擊載荷的作用力，因此必須具有足夠的強度和剛度，保證列車運行的安全性和平穩性.由于虛擬軌道列車以膠輪替代傳統軌道車輛的轉向架在普通公路上行駛，車體承載結構所受載荷條件、運行工況等與運行在鋼軌上的軌道車輛車體有著明顯不同，而這一類車體承載結構的可靠性校核目前尚無標準做出明確規定，研究基于輕量化前提下適應虛擬軌道列車的車體結構型式和可靠性評估方法具有重要意義.

表1 道路公共交通系統、軌道交通系統技術指標特點［2］

1 公交客車車身的發展

虛擬軌道列車為介于軌道車輛和公交客車兩個行業之間的跨界產品，從走形系和運行工況來說更接近公交客車.因此，要研究虛擬軌道列車車體須首先了解公交客車的車體.

按車身承載形式，客車車身結構可分為非承載式、半承載式和承載式三大類［5］.

非承載式車身(如圖1)的底盤有較強的車架，承受著安裝在其上的各種載荷.車身骨架通過橡膠墊或彈簧安裝在車架上，只在很小程度上承受由車架彎曲和扭轉所引起的載荷.由于連接車身和車架的橡膠墊或彈簧起到一定的緩沖、隔振和降低噪聲的作用，車廂內噪音低，緩沖隔振性能和乘坐舒適性較好.由于底盤單獨承載，設計時必須保證車架的強度足夠大，不利于車身輕量化，且車架限制了車身地板高度的降低，不適合城市客車低地板化的趨勢;客車質心高，高速行駛時穩定性較差.

圖1 非承載式客車的底盤及車身

半承載式車身(如圖2)是車身與車架剛性連接，車身部分承載的結構形式.一般是在現有的客車專用底盤(其車架由兩根前后直通的縱梁與若干橫梁等組成)上將車架用若干懸臂梁加寬并與車身側壁立柱剛性連接，使車身骨架也承擔車架的一部分載荷.其優點是結構簡單，可以適當地降低地板的高度，同時車身部分參與了承載，可在一定程度上減弱底架的強度和剛度，減輕客車的自身重量.但由于保留有底架，半承載式車身還是一種過渡結構，車身地板的高度受底架的限制而難以很大的降低，整車的輕量化仍受到一定的限制.

圖2 客車半承載式車身

承載式客車車身(如圖3)技術是德國凱斯鮑爾公司于上個世紀50年代首創，將飛機制造的整體化框架結構技術應用于客車生產，引發了客車制造業的一場技術變革.承載式車身是無獨立車架，底盤由矩形鋼管構成格柵式結構，底架、前圍、后圍、左右側圍、車頂六大片組成全封閉環結構，載荷由整個車身承受.由于沒有車架，故可降低地板和整車高度，降低車身重量，提高結構強度與剛度，整車重心低，高速行駛穩定性較好.但取消了車架，導致來自道路的負載會通過懸架裝置直接傳給車身本體，惡化乘坐舒適性，因此對隔振降噪的設計要求較高.

圖3 客車承載式車身

2 虛擬軌道列車車體設計

虛擬軌道列車由多節車廂組成，每節車廂之間通過鉸接結構連接起來.為了更有利于普通乘客、老弱病殘乘客乘坐，有利于減少換乘時間，提高運營效率［6］，采用100%低地板設計.從型式上看與我們通常的低地板有軌電車相似，但由于用橡膠輪替代了軌道車輛的轉向架在路面行駛，因而更接近于路面運行的無軌電車，是介于軌道車輛和公交客車兩個行業之間的跨界產品，車體設計須結合軌道車輛和公交客車進行.

虛擬軌道列車車體受力情況復雜，除了承受軌道客車的垂向載荷、縱向沖擊載荷、架車、扭轉載荷外，還須考慮公共路面下撞車、側翻情況下車體的可靠性，同時應具有合理的動態性能以達到控制振動和噪聲的目的［7-8］.

虛擬軌道列車車體設計應遵循以下原則:

第一，可靠性設計.車體必須具有足夠的強度、剛度、穩定性、碰撞安全性和側翻安全性，滿足公共路權下胎輪運行工況的承載及安全要求，保證司機及旅客的出行安全.

第二，輕量化設計.為了降低能耗、增加載客量、減小路面負擔，虛擬軌道列車對減重有著更高的要求.車體約占整車重量的35%，因此實現車體輕量化尤為重要.

第三，模塊化設計.列車編組中頭車和中間車不同車型的車體結構形式盡可能模塊化設計，相同區域采用相同結構，從而簡化設計、工藝，節約成本.

第四，低成本設計.盡量選用成本較低的原材料，同時設計應考慮簡化工藝、降低制造成本.

第五，人性化設計.須保證列車具有良好的運行穩定性和乘坐舒適性.

基于以上原則，虛擬軌道列車車體結構選型建議如下:

首先，要實現輕量化、高強度，須從結構和材料兩方面入手.車體靠底架四個支撐點支撐在四個輪胎接口上，結構上要求各部位有較好的垂向抗彎剛度.因此，主體結構宜參考公交客車車身結構中能適應低地板需求、重量輕、剛度好的承載式車身，由底架、側墻、車頂、端墻幾大部位剛性連接組成全封閉整體承載結構，所有的車身殼體構件都參與承載，互相牽連和協調，充分發揮材料的潛力，使車體質量最小而強度和剛度最大.各部位由矩形鋼管或異型薄壁件構成桁架式骨架，主要受力部位的底架橫梁、側墻立柱、車頂彎梁應形成封閉環，對于因結構等原因不能形成封閉環的立柱，應在側墻窗下橫梁和底架邊梁之間增加斜撐加強.在力學中，三角形最具穩定性，因此桁架式車身結構設計時應盡量使用三角形結構［9-10］.主要抗彎部位以采用矩形型鋼為主，適當配合槽鋼或異型薄壁件以降低重量.桁架式結構還具有被動安全性好的特點，能使整車在受力時將力迅速分解到全車各處，在車輛翻滾及相撞時保證乘客的安全空間.

僅結構優化還不能滿足輕量化需求，還須從選材方面進一步實現.全鋼結構雖然強度、剛度有保障，但重量方面劣勢明顯.可以結合有軌電車結構設計經驗，使用鋁型材和輕質復合材料，在承載設備載荷的車頂采用重量較輕、剛度較好的鋁型材，用輕質復合材料板粘接到承載骨架上替換側墻、端墻的鋼墻板.

其次，基于模塊化設計原則，統籌規劃車體布局，將列車編組中頭車和中間車兩種車型的客室部分統一，以中間車為基礎結構，頭車僅在中間車的車體結構基礎上增加車頭部分即可.

第三，從降低成本、優化工藝考慮，鋼骨架盡量選用碳鋼，除了成本較不銹鋼低外，其焊接變形小，焊接工藝性、成型工藝性均優于不銹鋼;

第四，為了保證乘客有舒適的乘坐空間，可以在底架骨架上方焊接薄鋼板，以便與內裝地板間鋪設隔音、隔熱材，從而提高車輛隔音、隔熱水平.另外，提高車體模態，避免車體與走形系發生共振也是提高列車運行品質，提高乘坐舒適性的必要措施.

3 虛擬軌道列車車體強度校核

由于虛擬軌道列車的運行條件和運行工況與公交客車更為接近，所以車體結構強度分析應主要依據公交客車的相關規定，同時不違背傳統有軌電車的校核原則.

車體強度要能承受實際工況中出現的最大靜載荷及動載荷，以保證其疲勞壽命.車體強度校核至少應包括車體靜強度、剛度、疲勞強度、穩定性、自振頻率校核，同時，基于公共路面下的胎輪行駛條件，還應校核車輛碰撞和側翻安全性.下面對工況確定難度較大的靜強度校核做出分析和建議.

車體靜強度校核工況包括垂向載荷工況、縱向載荷工況、架車工況、車體與走行系連接載荷工況、車頂載荷工況、碰撞工況、側翻工況等，除了碰撞工況和側翻工況在傳統軌道車輛中不出現外，其它工況無論是軌道車輛還是路面膠輪車輛均須考察，只是考察的具體方式依據結構和運行特點的不同而有所不同.以縱向載荷工況為例，傳統的有軌電車在車頭前端設置車鉤，縱向力從車鉤中心觸發并傳遞，形成對車體包括鉸接連接位置的拉伸和壓縮載荷.而虛擬軌道列車與鉸接公交客車相同，車頭前端不設置車鉤，縱向力通過緊急制動力施加，重點考察鉸接連接位置的強度，同時，虛擬軌道列車要求能通過半徑為11 m的小曲線，因此鉸接連接座強度還須進行曲線通過仿真分析來校核.此外，架車工況除了考察車間架車維修的正常工況外，還需考察在特殊情況下，如車輛單輪懸空、對角輪騎障等引起的車身扭轉變形.總之，車體強度校核應以列車實際運行和檢修維護中有可能發生的狀況為依據，確保車體能在極限工況下不破壞，保證司機和乘客的安全.

4 結論

虛擬軌道列車以多節編組、大運量的公共路權運行環境下非輪軌接觸導向運輸系統解決了城市日常出行的交通擁堵問題，構筑了多元化、立體化、現代化城市公共交通體系，將引領世界城市公共交通技術的發展，而保證車體承載結構的合理設計和可靠性校核是保證虛擬軌道列車良性發展的基石.本文基于輕量化前提，提出的虛擬軌道列車車體結構的設計原則、結構選型及強度校核建議還需在實踐中不斷摸索完善，可供類似工程參考.