低地板有軌電車車體設計要點分析

李炳升

摘 要：低地板有軌電車作為重要的城市交通運輸工具，以其乘客量大、環保節能、更小曲線通過能力和較高的性價比等優勢被我國各大城市大量引進[1]。本文從車體結構材料選擇、車體間的連接方式及車體與轉向架空間關系等方面概述了低地板車輛車體設計的要點，并以100%低地板有軌電車車體設計為例介紹了各個設計階段采用的仿真、試驗方法，為低地板有軌電車車體設計提供支持。

關鍵詞：低地板 車體材料 連接形式 空間關系 試驗方法

低地板有軌電車，通常指地板面距離軌面高度300-400mm之間的城市輕軌車輛。從上世紀80年代開始，低地板輕軌電車在歐美、澳大利亞和日本等國家和地區迅速發展[2]。現代有軌電車系統與地鐵系統相比，造價低、建設周期短、運營費用低及維修方便;與公交系統相比，運能大、速度快、無污染、乘坐舒適度高及使用壽命長[3]。

低地板有軌電車在都市核心區可作為附加線，發揮其靈活編組、地形適應能力強的優勢;而在都市拓展區，可以與軌道交通相互協作，構建多層次公交系統;也可以作為旅游交通串聯景區，甚至成為高鐵站等城市特殊功能區的連接線路[4]。

目前國內低地板輕軌交通迅速發展，在北京、上海、廣州、天津和成都等近20個城市已經修建了有軌電車線路，超過40個城市規劃修建有軌電車線路。

作為有軌電車的重要承載部件，車體不僅要求具有足夠的強度和剛度，還要求輕量化和耐腐蝕，在城市里運行，還要兼具美觀性[5]。因此需要從設計階段對車體結構進行合理規劃。

1 車體設計要點

1.1 材料選擇

車體結構是由底架、側墻、端墻和車頂構成的整體承載結構。低地板車體最初采用耐候鋼材料，后來多采用不銹鋼、中空閉口擠壓鋁型材的鋁合金材料以減輕自重并防腐。近些年來，復合材料加貼面結構逐漸在低地板車體上運用。

車體強度需滿足承受的動載荷、靜載荷以及沖擊載荷要求，并在架車、起吊、救援、調車、聯掛作業工況下，車體應力不允許超過設計許用應力值，不得產生永久變形及損壞。為滿足低地板車輛制造低成本與運行低耗能，實現車輛快速起停，在確保有足夠的強度和剛度的前提下實現輕量化設計，100%低地板鋼鋁混合鉚接車體應運而生。

100%低地板鋼鋁混合鉚接車體可充分發揮不同材料的機械性能，以實現輕量化結構設計。其主要結構特點：底架是鋼焊接結構，在轉向架與車端主要承載區采用鋼制骨架;側墻、車頂及端墻則為鋁合金焊接結構[6]。由于焊接工藝的局限性，鋁合金和碳鋼結構連接主要采用鉚接和粘接兩種方式[7-8]。在底架與側墻、鉸接裝置與車頂、車頂與側墻以及車頂與端墻之間要通過鉚接或螺栓連接。車體各模塊采用螺栓和鉚釘搭配連接，有利于根據結構和性能需求選取更合適的材質[6]。

車體結構合理性可采用車體靜強度與疲勞強度試驗方式驗證，多分為有限元模型仿真與現車試驗方式兩種。實際生產中多在設計階段采用有限元仿真計算，分析對車輛實際運營工況，并采用相關標準計算車體靜強度與疲勞強度，得到復雜工況下（既考慮了車輛正常運營狀態下整體受力情況，也包含了車輛的局部載荷[9]）車體的高應力區域與高安全等級區域，指導車體進行局部增強或削弱設計。某車型低地板車體有限元仿真模型如圖1所示。車體生產裝配完成后，對整車進行靜強度與疲勞強度試驗。

對有限元仿真結果與相同工況下車體靜強度與疲勞強度試驗得到的同區域應力對比，以確保車體結構的合理性。

1.2 車體間連接形式

低地板車輛采用編組運行。其中100%低地板車輛多為5節編組，其常見編組形式為：=MC1+F1+TP+F2+MC2=。

其中，=表示車鉤;

+表示鉸接裝置;

MC表示帶司機室和轉向架的動車。

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[3];

圖3所示為100%低地板車體TP車、F車和MC車的車體模型示意。

頭車MC1車和MC2車車體結構基本相同，安裝有動車轉向架。中間TP車是一個較短的車輛模塊，安裝有拖車轉向架，并裝有受電弓。浮車F1車和F2車車體結構基本相同，鉸接在MC1-TP和TP-MC2之間。

低地板列車車輛一般只在司機室端配置車鉤，車鉤主要用于救援及牽引調拉車，而車體間的連接形式多使用鉸接，使結構更加緊湊并有利于模塊化設計。鉸接結構需滿足以下要求：

1）曲線通過時平穩順利;

2）傳遞相鄰車體鉸接處的牽引、制動等動態載荷;

3）能夠依靠中央懸掛來柔度適應小曲線;

4）連接鉸能夠適當地阻止車體晃動[10]。

鉸接裝置須滿足在通過最不利工況組合時的線路（豎曲線、水平曲線和車輛不同運行速度）時不能出現損壞、遏止活動的現象，并與車輛在各種運行條件下通過曲線的運動性能相適應。為此車體間連接多分為上部鉸接和下部鉸接，配合使用以滿足車輛動力學要求。

列車通過曲線時，車體的位置不僅取決于轉向架的中心位置及轉向架與車體的是否存在回轉約束，還取決于車體之間的鉸接布置形式。圖4所示為一種低地板車輛鉸接結構布置形式。

車體設計階段，往往通過車輛均衡計算以合理搭配車體間的連接形式，合理分配車輛間鉸接力和不同車型的軸重配置。

1.3 車體與轉向架空間關系

由于低地板車輛特殊的結構形式，車體與轉向架空間關系尤其緊張[11]，鋁合金車體結構由多塊鋁合金型材組焊而成，相對傳統板梁結構需要更多的空間。因此需要在設計階段分析車輛各種運行工況，并考慮復合工況下車輛的運行軌跡，分析車體與轉向架的裝配情況，降低設計和試制階段干涉的可能性。圖5所示為某型低地板車輛車體底架與轉向架三維裝配示意圖。

車體與轉向架的相對位置變化主要受線路條件，轉向架的參數選擇，車輛載荷的變化三個因素影響。為驗證車體與轉向架的空間關系及干涉情況，可建立車體和轉向架三維模型并裝配。結合實際運行線路、工況要求對車體和轉向架進行旋轉、移動等模擬，測量車體與轉向架之間間隙。在考慮車體與轉向架的制造誤差、二系彈簧的彈性間隙、安全間隙，保證車輛正常行駛的干涉余量情況下，驗證復雜工況下的干涉風險，指導車體與轉向架結構局部調整[11]。

另外，設計階段應避免車體結構的振動頻率與轉向架的振動頻率接近，以免產生共振。

2 結論

本文主要從車體材料選擇、車體連接形式、車體與轉向架的空間關系三個方面概述了低地板車輛車體設計的要點，并以100%低地板車體設計為例介紹了各個設計階段采用的仿真、試驗方法，為之后車體設計方案建立，設計驗證和進行車體局部設計優化提供幫助。

參考文獻：

[1]張猛，張春玉，李本懷.100%低地板車體鉸接式有軌電車疲勞性能研究[J].大連交通大學學報.2019，40（2）：25-28.

[2]李芾，張麗平，黃運華.城市輕軌車輛發展及其應用前景[J].西南交通大學學報，2002，02：111-116.

[3]王潤姣.100%低地板現代有軌電車車體設計研究[J].技術裝備，2020（1）：16-20.

[4]李芾，張麗平，黃運華.城市輕軌車輛發展及其應用前景[J].西南交通大學學報，2002，02：111-116.

[5]李冬奎，李佳.重慶市現代有軌電車發展適應性 研究[J].低碳世界，2016，107（05）：186-187.

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[7]臧蘭蘭，鐘恩洋，王天宇.3節編組100%低地板有軌電車車體設計[J].技術裝備.2020（3）：25-29.

[8]劉宏也，李明明.低地板車體靜強度分析[J].技術應用，2019，26（12）：59-61.

[9]王忠杰.國內現代有軌電車技術特征分析[J].裝備機械.2014，（3）：7-11.

[10]黃龍.山地城市低地板有軌電車動力學性能及優化研究[D].重慶交通大學，2020.6.

[11]潘登，陳贊平，劉永強，邱淑娟.100%低地板車體與轉向架干涉分析[J].工業技術，2020.18（095）：95-96.