APM車輛車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

鄭鵬博

摘 要：本文針對(duì)APM車輛的鋁合金材料性質(zhì)進(jìn)行分析，分析車體的整體結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)以及技術(shù)參數(shù)，并利用有限元分析法對(duì)車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行更加深入的研究，經(jīng)研究后表示，APM車輛鋁合金車體結(jié)構(gòu)的鋼度、強(qiáng)度以及疲勞性能均可以達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)也滿足技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)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(dòng)旅客捷運(yùn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)為無(wú)可無(wú)人駕駛、轉(zhuǎn)彎半徑小、編組靈活、建設(shè)周期短以及運(yùn)行噪聲低等，一般情況下，APM車輛在各大城市中也越來(lái)越普及，比如商業(yè)園區(qū)、公園等，利用APM車輛可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)地鐵車輛的不足之處，但均為進(jìn)口車輛，而為了能夠進(jìn)一步節(jié)省成本，我已開(kāi)始對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行深入研發(fā)，并在上海市軌道交通中開(kāi)始使用，預(yù)計(jì)在未來(lái)的發(fā)展階段，我國(guó)國(guó)內(nèi)將會(huì)有更多的城市采用此類型車輛。

1.車體結(jié)構(gòu)

1.1車體參數(shù)分析

整個(gè)車輛中車體是非常關(guān)鍵和核心的構(gòu)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(qiáng)度必須要達(dá)EN12663規(guī)定的相關(guān)要求與規(guī)定;第三，APM車輛的高度為3400mm;（4）車體內(nèi)部需達(dá)到安裝外掛門和大窗戶要求;（5）車體底價(jià)應(yīng)與足三軸橡膠輪安裝轉(zhuǎn)向架需求保持一致[1]。

在生產(chǎn)制造APM車體過(guò)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(lái)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(jié)構(gòu)，這樣制作的車體美觀度較高，而且強(qiáng)度也符合要求，具體為：壓縮載荷：400kN，拉伸載荷：300kN。因?yàn)檐囕v能夠單節(jié)運(yùn)行，因此，車體兩端都需要設(shè)計(jì)駕駛室，這也就表示，整個(gè)車體的結(jié)構(gòu)由頂蓋、底架、側(cè)墻和司機(jī)室構(gòu)成，其參數(shù)為：（①長(zhǎng)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(cè)邊車門數(shù)量：2個(gè);⑧側(cè)邊窗戶數(shù)量：3個(gè)）。

車輛的空調(diào)裝置應(yīng)安裝在車頂?shù)奈恢?，每一輛車應(yīng)配備兩臺(tái)空調(diào)，而后安裝在車體的兩端，形成[2]。

1.2側(cè)墻

主題公園是APM車輛應(yīng)用最為廣泛的場(chǎng)所，而為了使乘客更好的觀看風(fēng)景，在進(jìn)行車輛設(shè)計(jì)時(shí)，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(cè)墻單元窗戶尺寸設(shè)置為750mm×870mm、中間大側(cè)墻單元窗戶尺寸設(shè)置為1980mm×870mm、門洞尺寸設(shè)置為2200mm×1963mm。從整體側(cè)墻結(jié)構(gòu)來(lái)看，其共由2個(gè)大側(cè)墻和4個(gè)小測(cè)量單元組成。其中側(cè)墻單元，需通過(guò)對(duì)側(cè)墻板與立柱等構(gòu)件的焊接來(lái)保證作用可靠性。對(duì)于門柱，則采用整體折彎方式[3]。而側(cè)墻板共由5塊鋁合金型材拼接起來(lái)。與此同時(shí)，還要在其鋁型材內(nèi)側(cè)開(kāi)口設(shè)置為長(zhǎng)條形，以使其超長(zhǎng)車內(nèi)C型槽，而后在槽內(nèi)安裝座椅、墻板和扶手等。因?yàn)檐囬T屬于外掛型車門，所以側(cè)墻板和車端立柱需要才采用插接方式連接。外掛門開(kāi)門的止檔為止檔面;玻璃鋼頭罩膠粘的粘結(jié)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(diào)機(jī)組等多個(gè)部件焊接形成。安裝空調(diào)時(shí)，應(yīng)安裝在車體的兩端，其與車體之間的高度相等，這樣一來(lái)就能夠美化車體外觀，同時(shí)也可以保溫、隔音。對(duì)于圓弧頂蓋的主結(jié)構(gòu)，需設(shè)計(jì)為爽殼矩形結(jié)構(gòu)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(tài)進(jìn)行，這樣才能在成型后能夠發(fā)揮減少門角應(yīng)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(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)將C型槽安裝在內(nèi)側(cè)，最后在車內(nèi)對(duì)其他設(shè)備進(jìn)行安裝。

1.4底架

APM車輛的底架結(jié)構(gòu)，需與安裝單軸橡膠輪作用于轉(zhuǎn)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(yīng)確保門體垂向剛度，設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分考慮外掛門的安裝和橡膠輪的運(yùn)動(dòng)空間與側(cè)墻板、門立柱和長(zhǎng)地板之間的連接關(guān)系，而后根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)成為異形結(jié)構(gòu)，這樣一來(lái)就能夠使邊梁成功避開(kāi)橡膠輪區(qū)域，而且也可以在外門下安裝導(dǎo)軌，這樣就能夠滿足外掛門的下導(dǎo)軌安裝。除此之外，為了能夠進(jìn)一步加強(qiáng)底架邊梁的剛度與強(qiáng)度，應(yīng)該設(shè)置加強(qiáng)筋，如果對(duì)橡膠輪區(qū)域進(jìn)行安裝，需通過(guò)局部加工方式，來(lái)避免加強(qiáng)筋與橡膠輪間存在干涉問(wèn)題。連接，也要采用插接方式來(lái)實(shí)現(xiàn)底架邊梁與側(cè)墻板的連接。而底架邊梁與長(zhǎng)地板則需要采用搭接的方式進(jìn)行連接，這樣一來(lái)就可以在后續(xù)調(diào)節(jié)車體寬度、尺寸和方向提供便利。轉(zhuǎn)向架應(yīng)使用單軸橡膠輪對(duì)，為了能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)地鐵車輛的弊端和缺陷，在創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，可以使用4根大斷面鋁合金擠壓型材焊接轉(zhuǎn)向架，對(duì)于直角連接處可以使用圓弧加強(qiáng)筋板過(guò)渡，從而減小應(yīng)力[4]。

1.5司機(jī)室結(jié)構(gòu)

對(duì)于司機(jī)室結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，為了提高安全性，設(shè)計(jì)應(yīng)選用頭罩造型。同時(shí)，還要考量安裝與連接頭燈的實(shí)際情況。具體過(guò)程，可將司機(jī)室立柱連接底架與頂蓋，這樣就能夠分流低價(jià)所產(chǎn)生的力，從而減少載荷力，提高抗壓強(qiáng)度[5]。

2.有限元分析

2.1計(jì)算靜強(qiáng)度

根據(jù)相關(guān)管理部門制定的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，需同時(shí)對(duì)正常與非正常兩種工況，作用于不同載荷下的環(huán)境進(jìn)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(diǎn)架車（帶轉(zhuǎn)向架，某一架車點(diǎn)垂向位移10mm）、吊車（帶轉(zhuǎn)向架）。

經(jīng)過(guò)計(jì)算后，所有工況下，車體的計(jì)算應(yīng)力均低于設(shè)計(jì)可允許應(yīng)力，這也就說(shuō)明，完全滿足設(shè)計(jì)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(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中要求的內(nèi)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(guò)兩點(diǎn)轉(zhuǎn)向架支撐點(diǎn)距離1%。

2.2模態(tài)分析

在進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，需要運(yùn)用Block Lanczos算法，并保證車體處于整備狀態(tài)下，完成六階模態(tài)的計(jì)算。具體結(jié)果如下。1階：整車側(cè)偏頻率8.43/Hz、2階：整車垂向頻率8.99/Hz、3階：整車扭轉(zhuǎn)頻率12.09/Hz、4階：頂蓋垂向頻率13.63/Hz、5階：整車側(cè)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(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN12663-1中的相關(guān)要求，使用疲勞極限法檢驗(yàn)車體的疲勞強(qiáng)度，經(jīng)過(guò)分析后，均滿足疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

結(jié)束語(yǔ)：綜上所述，APM作為一種建設(shè)周期短、運(yùn)用前景可觀、可編程性強(qiáng)、具有低噪音、無(wú)人駕駛的全自動(dòng)旅客捷運(yùn)系統(tǒng)，目前在北京、廣州珠海等地區(qū)得到運(yùn)用，其改變了我國(guó)的軌道交通局面，通過(guò)創(chuàng)新研發(fā)該項(xiàng)技術(shù)，可以為多個(gè)區(qū)域的旅游經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出貢獻(xiàn)，考慮到其建設(shè)成本和經(jīng)濟(jì)性的問(wèn)題，很多技術(shù)人員嘗試自主創(chuàng)新研發(fā)，降低其造價(jià)成本。在本次研究中，根據(jù)APM車輛總體參數(shù)和相關(guān)部件接口要求，著手開(kāi)展了鋁合金車體的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。通過(guò)分析側(cè)墻、司機(jī)室結(jié)構(gòu)、頂蓋以及底架設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)均可滿足車輛車體剛度、疲勞性能以及強(qiáng)度等設(shè)計(jì)需求。成功為我國(guó)APM車輛的日后發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，建議相關(guān)單位研究推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]王興元，王良良，王嘉鑫，朱冬進(jìn)，羅唐.地鐵與自動(dòng)旅客運(yùn)輸系統(tǒng)的車輛與站臺(tái)水平間隙標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比及應(yīng)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(dòng)旅客捷運(yùn)（APM）系統(tǒng)的軌道施工技術(shù)[J].建筑施工，2019，41（12）：2194-2197.

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