100%低地板輕軌車(chē)輛車(chē)體設(shè)計(jì)分析

馬青春

(中國(guó)北車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司，130062，長(zhǎng)春∥工程師)

自從20 世紀(jì)90年代100%低地板車(chē)輛問(wèn)世以來(lái)，其發(fā)展已經(jīng)歷了三代，現(xiàn)在在世界20 個(gè)國(guó)家近60 個(gè)城市運(yùn)行。

100%低地板車(chē)輛具有如下特點(diǎn):① 環(huán)境影響小，采用彈性車(chē)輪電力牽引，可減小對(duì)城市空氣的污染，可減少噪聲污染;② 造價(jià)低，節(jié)約投資;③ 人性化設(shè)計(jì)，舒適度高，站臺(tái)簡(jiǎn)易，成本低，同時(shí)方便乘車(chē);④ 擁有成熟的運(yùn)營(yíng)管理先進(jìn)技術(shù);⑤ 能耗低，低地板輕軌車(chē)能耗約為地鐵系統(tǒng)的十分之一，綜合電耗小于地鐵系統(tǒng)的一半;⑥ 模塊化設(shè)計(jì)，編組靈活，滿足各種不同的載客能力需求。

1 100%低地板車(chē)輛車(chē)體結(jié)構(gòu)

100%低地板車(chē)輛距軌面的距離非常低，所以對(duì)轉(zhuǎn)向架的要求變得很高。車(chē)下的所有設(shè)備幾乎全部集中在了車(chē)上，整體的設(shè)備布置完全不同與常規(guī)的地鐵車(chē)輛，所以對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了新的要求。

1.1 車(chē)輛

100%低地板車(chē)輛也是由底架、側(cè)墻、端墻、車(chē)頂這4 大部件構(gòu)成，采用整體承載的高強(qiáng)度不銹鋼組焊而成。如圖1所示。

圖1 100%低地板車(chē)輛的主要部件

1.2 模塊

100%低地板車(chē)輛根據(jù)用戶需求的不同，可采用3 模塊、5 模塊或7 模塊設(shè)計(jì)，也可以根據(jù)后續(xù)需求的變化進(jìn)行調(diào)整和擴(kuò)充模塊，如圖2所示。

圖2 車(chē)輛編組模塊圖

2 車(chē)體設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

100%低地板車(chē)輛是在借鑒歐洲先進(jìn)的100%低地板輕軌車(chē)輛設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，揚(yáng)長(zhǎng)避短，設(shè)計(jì)的新一代產(chǎn)品。其外觀是按照仿生學(xué)設(shè)計(jì)而成，采用海豚的造型，大氣、靈動(dòng)。與其他地鐵或者輕軌車(chē)輛不同，該車(chē)輛徹底打破了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，回避了不銹鋼車(chē)體的繁瑣，也回避了鋁合金車(chē)輛的折彎不靈活的缺陷，集不銹鋼和鋁合金的優(yōu)點(diǎn)于一身，采用不銹鋼材料，但是用了鋁合金的設(shè)計(jì)理念，創(chuàng)造出了一個(gè)全新的車(chē)體。

由于車(chē)下完全沒(méi)有設(shè)備空間，所以所有的設(shè)備幾乎全部在車(chē)頂上，這就要求車(chē)頂既要輕，強(qiáng)度又要好。

同時(shí)，底架、端墻、側(cè)墻采用高強(qiáng)度的進(jìn)口不銹鋼拼焊而成，盡可能多地增開(kāi)減重孔，如圖3所示。由于之前國(guó)內(nèi)地鐵車(chē)輛不銹鋼焊接基本上都是采用點(diǎn)焊，而大規(guī)模的不銹鋼開(kāi)孔弧焊在國(guó)內(nèi)尚屬首次。

圖3 車(chē)體組成

2.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)成

2.2.1 底架

底架主要由6 mm 和10 mm 厚的鋼板拼焊而成，并大面積增開(kāi)減重孔，主要分為客室座椅區(qū)和前端司機(jī)室區(qū)，該底架的主要難點(diǎn)在于焊接變形大，難以控制，成型困難，并且其流線造型也是難點(diǎn)之一。三維模型如圖4所示。

圖4 底架三維模型

2.2.2 車(chē)頂

車(chē)頂是車(chē)體中一個(gè)核心組件之一，100%低地板車(chē)輛的車(chē)頂與其他地鐵車(chē)輛的車(chē)頂有所不同，它主要是承載著眾多電氣設(shè)備和線纜。其結(jié)構(gòu)主要是以3mm 厚的不銹鋼板折彎組焊成封閉的帶有空腔的梁柱為承載主要部件，并以三明治板鋪在各個(gè)橫梁上面，設(shè)備布設(shè)在三明治板上，線纜從密封的空腔縱梁內(nèi)穿過(guò)，如圖5所示。

圖5 車(chē)頂三維模型

2.2.3 端墻

端墻是3 mm 厚的高強(qiáng)度不銹鋼，組焊成近似封閉的空腔體，最后與底架、側(cè)墻、車(chē)頂周?chē)M(jìn)行焊接。如圖6所示。

圖6 端梁斷面圖

2.2.4 側(cè)墻

整個(gè)側(cè)墻采用大窗設(shè)計(jì)，但是出于強(qiáng)度和剛度的考慮，側(cè)墻是采用4 mm 厚的高強(qiáng)度不銹鋼折彎焊接后組成的立柱與墻板進(jìn)行的焊接組合。使側(cè)墻既美觀，強(qiáng)度、剛度又好。如圖7所示。

圖7 側(cè)墻三維圖

2.3 接口關(guān)系

各個(gè)主要部件的接口均為焊接，底架與端墻底部和側(cè)墻下部分別進(jìn)行焊接，車(chē)頂與側(cè)墻和端墻上部分別進(jìn)行焊接，如圖8所示。

圖8 接口剖面圖

2.4 車(chē)體強(qiáng)度分析

100%低地板車(chē)體在設(shè)計(jì)完成后，對(duì)其進(jìn)行了有限元強(qiáng)度分析，從靜態(tài)強(qiáng)度、疲勞、模態(tài)等幾個(gè)方面進(jìn)行了分析。

2.4.1 車(chē)體靜強(qiáng)度分析

圖9 為車(chē)體網(wǎng)格及強(qiáng)度加載模型。圖10 為靜態(tài)強(qiáng)度應(yīng)力云圖。

圖9 車(chē)體網(wǎng)格及強(qiáng)度加載模型

圖10 靜態(tài)強(qiáng)度應(yīng)力云圖

車(chē)體最大應(yīng)力為300 MPa，遠(yuǎn)低于其屈服強(qiáng)度480 MPa，完全滿足車(chē)體運(yùn)營(yíng)需求。

2.4.2 車(chē)體疲勞分析

圖11 為車(chē)體疲勞計(jì)算模型。圖12 為車(chē)體疲勞分析云圖。

圖11 車(chē)體疲勞計(jì)算

圖12 車(chē)體疲勞分析云圖

從以上分析可以看出，車(chē)體的疲勞在安全范圍以內(nèi)，符合運(yùn)營(yíng)和設(shè)計(jì)要求，安全可靠。

2.4.3 車(chē)體模態(tài)分析

圖13 為車(chē)體模態(tài)分析云圖。通過(guò)圖13a)-h)的模態(tài)分析可知，車(chē)體性能良好，符合設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于100%低地板車(chē)輛，由于綠色、安全、環(huán)保，且出行方便舒適，越來(lái)越被現(xiàn)在都市所接受，本文以車(chē)體最新的設(shè)計(jì)要求和理念，對(duì)車(chē)體構(gòu)成、設(shè)計(jì)，強(qiáng)度分析，接口關(guān)系等幾方面進(jìn)行了全面的闡述和分析，希望對(duì)今后100%低地板的設(shè)計(jì)和發(fā)展有所幫助。

圖13 車(chē)體模態(tài)分析云圖

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