智軌電車(chē)總體與輕量化設(shè)計(jì)

楊 勇，李曉光，銀應(yīng)時(shí)，張陳林

（中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

現(xiàn)代城市公共交通主要包括城市道路公共交通、城市軌道交通、城市水上公共交通及城市其他公共交通[1]，典型交通工具包括地鐵、有軌電車(chē)及公交車(chē)等。地鐵雖然運(yùn)輸能力強(qiáng)大，但建設(shè)成本高，使其在中小城市不能被廣泛應(yīng)用[2]。其他中運(yùn)量軌道交通的應(yīng)用需要專(zhuān)用電力系統(tǒng)和軌道的配合，無(wú)論是設(shè)計(jì)和建設(shè)成本還是維護(hù)成本都相對(duì)較高，且存在易受環(huán)境因素影響而不能較好、較快地調(diào)配線(xiàn)路的問(wèn)題[3-4]。傳統(tǒng)公交車(chē)在城市早晚高峰出行階段常因運(yùn)輸能力的限制而無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際需求，雖然具有兩節(jié)或兩節(jié)以上車(chē)廂的列車(chē)型汽車(chē)的出現(xiàn)能夠較好地緩解這一問(wèn)題[5]，但車(chē)身加長(zhǎng)會(huì)帶來(lái)道路通過(guò)性的變化，表現(xiàn)為轉(zhuǎn)彎半徑增加、轉(zhuǎn)彎所占車(chē)道面積增大，易出現(xiàn)與周邊道路交通發(fā)生干涉而不能順利通過(guò)、甚至惡化交通運(yùn)行環(huán)境的現(xiàn)象，從而無(wú)法快速、高效地實(shí)現(xiàn)公交運(yùn)輸[6]。

智軌電車(chē)被定位為中小運(yùn)量的軌道交通車(chē)輛，其結(jié)合有軌電車(chē)與列車(chē)型汽車(chē)的優(yōu)點(diǎn)，不僅縮短了轉(zhuǎn)彎半徑，而且車(chē)輛行駛軌跡可控，極大改善了公交車(chē)輛的不利局面；此外，其還結(jié)合軌道交通和道路交通的優(yōu)勢(shì)，去除物理鋼軌，通過(guò)自動(dòng)循跡、軌跡跟隨等技術(shù)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向和約束功能，從而實(shí)現(xiàn)虛擬軌道下的類(lèi)軌道行駛。

1 智軌電車(chē)總體技術(shù)

根據(jù)智軌系統(tǒng)的應(yīng)用特征，作為運(yùn)載工具，智軌電車(chē)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮對(duì)城市主干道路、橋梁、隧道的設(shè)計(jì)指標(biāo)[7-8]的適應(yīng)性，盡量降低對(duì)城市原有道路基礎(chǔ)設(shè)施的改造量。表1示出城市道路的基本指標(biāo)。表2示出不同軌道交通車(chē)輛指標(biāo)對(duì)比。

表1 城市道路指標(biāo)Tab. 1 Urban road indicators

表2 不同軌道交通車(chē)輛對(duì)比分析Tab. 2 Comparative analysis of different vehicles

此外，作為新型的中小運(yùn)量交通工具，智軌電車(chē)的運(yùn)行也必須兼顧到客運(yùn)能力、安全高效性、折返便捷性、乘坐舒適性、環(huán)境友好性及運(yùn)維成本等方面的需求。結(jié)合城市道路指標(biāo)和低地板有軌電車(chē)技術(shù)要求[7]，通過(guò)對(duì)比現(xiàn)有市場(chǎng)運(yùn)行的軌道交通車(chē)輛參數(shù)（表2），基本確定載客人數(shù)、最大載荷、最高車(chē)速、爬坡度、轉(zhuǎn)彎半徑、部分結(jié)構(gòu)尺寸等指標(biāo)和動(dòng)態(tài)參數(shù)。同時(shí)通過(guò)最大載客數(shù)和最大載荷，確定車(chē)輛的整備質(zhì)量；參考有軌電車(chē)技術(shù)要求[7]，設(shè)計(jì)車(chē)輛的外形尺寸，確定車(chē)輛總體布局圖；按載客人數(shù)計(jì)算得出車(chē)內(nèi)的站立面積；結(jié)合道路平面曲線(xiàn)半徑，通過(guò)仿真計(jì)算可確定車(chē)輛編組、軸距及前懸。以3編組為例，車(chē)輛的基本布局如圖1所示。

圖1 智軌電車(chē)編組型式Fig. 1 Diagram of autonomous-rail rapid tram marshaling

受道路條件的限制，車(chē)輛若要滿(mǎn)足道路平面轉(zhuǎn)彎曲線(xiàn)要求，則需采用全輪轉(zhuǎn)向，而軌道轉(zhuǎn)向架不能適應(yīng)道路條件要求，為此針對(duì)性地開(kāi)發(fā)了智軌電車(chē)專(zhuān)用的膠輪轉(zhuǎn)向架，其單軸軸荷符合道路條件要求；同時(shí)因轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)限制，車(chē)輛采用首尾動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模式。由于智軌電車(chē)為低地板結(jié)構(gòu)，其膠輪轉(zhuǎn)向架分為動(dòng)力轉(zhuǎn)向架和非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架兩種結(jié)構(gòu)。為確?？褪覟?00%低地板，車(chē)輛采用膠輪承載，因此承載能力有限；同時(shí)為避免車(chē)輛對(duì)地面的永久損害，對(duì)車(chē)輛的輕量化設(shè)計(jì)提出了進(jìn)一步的要求。表3、表4及表5示出三編組智軌電車(chē)具體的設(shè)計(jì)參數(shù)。

表3 智軌電車(chē)總體參數(shù)Tab. 3 Main performance index of autonomous-rail rapid tram

表4 智軌電車(chē)主要結(jié)構(gòu)尺寸Tab. 4 Main instruction parameters of autonomousrail rapid tram

表5 智軌電車(chē)供電參數(shù)及動(dòng)力性能Tab. 5 Power supply requirement and power performance of autonomous-rail rapid tram

2 車(chē)體結(jié)構(gòu)

智軌電車(chē)的車(chē)體結(jié)構(gòu)參照軌道車(chē)輛車(chē)體結(jié)構(gòu)要求[8]和防撞性要求[9]進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮到智軌電車(chē)是運(yùn)行在城市道路上，結(jié)合道路運(yùn)行工況及整車(chē)輕量化要求，我們提出了3種車(chē)體結(jié)構(gòu)方案并進(jìn)行對(duì)比及分析：

方案一采用道路車(chē)輛全承載結(jié)構(gòu)，其整體為QSE700型高強(qiáng)鋼材（圖2）。該結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是整車(chē)輕量化效果明顯；缺點(diǎn)是車(chē)頂承重能力差，整體剛度無(wú)法滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，且整車(chē)焊接尺寸難以控制，同時(shí)，因鋼材的防腐要求較高而難以滿(mǎn)足全壽命周期使用的需求。

圖2 車(chē)體結(jié)構(gòu)方案一Fig. 2 Scheme 1 for car body structure

方案二結(jié)合道路車(chē)輛及軌道車(chē)輛特征，采用鋼鋁混合結(jié)構(gòu)（圖3），即QSE700型鋼材和EN-AW 6005A-T6型鋁合金相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。參照CAE分析結(jié)果，與全承載結(jié)構(gòu)相比，該方案的車(chē)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度顯著提升，車(chē)頂能夠承載大部件安裝；但是車(chē)體防撞性、整體壽命無(wú)法達(dá)到使用要求，而且車(chē)體質(zhì)量和成本會(huì)增加。

圖3 車(chē)體結(jié)構(gòu)方案二Fig. 3 Scheme 2 for car body structure

方案三結(jié)合道路車(chē)輛及軌道車(chē)輛特征，同樣采用鋼鋁混合結(jié)構(gòu)（圖4），即主體結(jié)構(gòu)采用EN-AW 6005A型鋁合金型材及EN-AW 6082/EN-AW 5083型鋁合金板材，構(gòu)架部分采用Q355GNHE型高耐候鋼。該方案的優(yōu)點(diǎn)是車(chē)體強(qiáng)度及防碰撞性能（按CAE分析結(jié)果）完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求，車(chē)體的承載也符合載客、大部件安裝需求；缺點(diǎn)是成本較高，輕量化實(shí)現(xiàn)難度大。

圖4 車(chē)體結(jié)構(gòu)方案三Fig. 4 Scheme 3 for car body structure

通過(guò)綜合對(duì)比分析，最終確定選用方案三的車(chē)體結(jié)構(gòu)。

3 車(chē)端連接器

車(chē)輛若要能夠直接運(yùn)行于現(xiàn)有的城市道路，那么車(chē)端連接器需具備大轉(zhuǎn)向角，且橫向、縱向具備一定的擺角；同時(shí)為了最大限度地提升載客量并增加座位數(shù)量，車(chē)端連接器需小型化。為此，通過(guò)對(duì)比軌道交通與道路交通連接器并結(jié)合車(chē)輛的運(yùn)行模式，給出智軌電車(chē)車(chē)端連接器結(jié)構(gòu)方案及關(guān)鍵參數(shù)。

3.1 基礎(chǔ)方案

確定智軌電車(chē)采用拉式連接器，同時(shí)提出兩種基礎(chǔ)對(duì)比方案：

方案一車(chē)端連接器本體長(zhǎng)度1.40 m，仿真分析得出極限轉(zhuǎn)彎半徑可以控制在15.00 m以?xún)?nèi)；端墻位于轉(zhuǎn)向架空懸位置，鉸接采用整體式球金屬關(guān)節(jié)；通道寬度0.85 m，通道長(zhǎng)度2.00 m。圖5示出方案一結(jié)構(gòu)的車(chē)端連接器。

圖5 車(chē)端連接器方案一Fig. 5 Scheme 1 for vehicle end connector

方案二車(chē)端連接器本體長(zhǎng)度0.80 m，極限轉(zhuǎn)彎半徑會(huì)在15.00 m內(nèi)；端墻位于車(chē)體端部，鉸接采用整體式球金屬關(guān)節(jié)；通道寬度0.85 m，通道長(zhǎng)度0.92 m。圖6示出方案二結(jié)構(gòu)的車(chē)端連接器。

圖6 車(chē)端連接器方案二Fig. 6 Scheme 2 of vehicle end connector

這兩種方案車(chē)端連接器的轉(zhuǎn)彎半徑都符合道路車(chē)輛的要求[9]，且端墻位置的車(chē)體結(jié)構(gòu)都較為復(fù)雜。方案一結(jié)構(gòu)的車(chē)端連接器本體雖較方案二的長(zhǎng)，但是對(duì)客室空間影響有限，同時(shí)能確保車(chē)輛即便在大轉(zhuǎn)角工況下折棚也能正常使用。方案二結(jié)構(gòu)的車(chē)端連接器本體長(zhǎng)度雖較短，但折棚制造困難，在車(chē)輛大轉(zhuǎn)向角工況下易造成折棚損傷。因此，智軌電車(chē)采用方案一結(jié)構(gòu)的車(chē)端連接器。

3.2 關(guān)鍵參數(shù)

在方案一基礎(chǔ)上，結(jié)合動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果（圖7），確定車(chē)端連接器轉(zhuǎn)向角為±54°；結(jié)合道路車(chē)輛車(chē)端連接器實(shí)際應(yīng)用情況，確定橫向擺動(dòng)角為±3°，俯仰角為±10°。為了確保車(chē)輛在高速工況下的穩(wěn)定性，同時(shí)簡(jiǎn)化車(chē)體結(jié)構(gòu)，在車(chē)端連接器上集成抗蛇行減振器。

圖7 車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真Fig. 7 Vehicle dynamics simulation

3.3 車(chē)端連接器結(jié)構(gòu)

車(chē)端連接器由鉸接盤(pán)總成和折棚總成兩個(gè)部分組成。鉸接盤(pán)總成包括前架總成、后架總成、球鉸總成、踏步平臺(tái)總成、抗蛇行減振器及角度傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。出于車(chē)輛密封與隔音需求，折棚總成由外折棚和內(nèi)折棚構(gòu)成（圖9）。

圖8 車(chē)端連接器Fig. 8 Vehicle end connector

圖9 折棚總成Fig. 9 Folding shed assembly

4 膠輪轉(zhuǎn)向架

參照標(biāo)準(zhǔn)CJ/T 417《低地板有軌電車(chē)車(chē)輛通用技術(shù)條件》，智軌電車(chē)采用多編組的設(shè)計(jì)，可運(yùn)行于一般城市道路。目前國(guó)內(nèi)外暫無(wú)專(zhuān)用的城市路面軌道轉(zhuǎn)向架產(chǎn)品。結(jié)合智軌電車(chē)的整車(chē)動(dòng)力分布型式、靈活性、輕量化要求，針對(duì)性地開(kāi)發(fā)了動(dòng)力型和非動(dòng)力型兩種轉(zhuǎn)向架，其中動(dòng)力轉(zhuǎn)向架用于車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)、導(dǎo)向、承載及約束，非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架用于車(chē)輛的導(dǎo)向、承載和約束。

4.1 動(dòng)力轉(zhuǎn)向架

動(dòng)力轉(zhuǎn)向架由走行架體（含減速器）、膠輪總成（含制動(dòng)部件/系統(tǒng)、輪胎和輪輞等）及懸掛系統(tǒng)（含減振器、氣囊和推力桿等）組成，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖10。根據(jù)總體參數(shù)軸重及輕量化要求，車(chē)軸承載不小于9 t，自重小于1.1 t。為適應(yīng)于一般城市道路路面，智軌電車(chē)轉(zhuǎn)彎半徑滿(mǎn)足機(jī)動(dòng)車(chē)運(yùn)行安全技術(shù)條件[10]中對(duì)轉(zhuǎn)向的要求；參照阿克曼幾何學(xué)[11]原理進(jìn)行列車(chē)曲線(xiàn)通過(guò)性校核，得出膠輪的最小轉(zhuǎn)向角為17°。根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩并結(jié)合動(dòng)力性能要求，計(jì)算得出齒輪傳動(dòng)比i=7.8，輸出轉(zhuǎn)矩不小于24 000 N·m。針對(duì)雙向行駛特性，同時(shí)考慮緊急狀態(tài)下人為接管駕駛工況，對(duì)膠輪定位參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以確保雙向行駛情況下的車(chē)輛直線(xiàn)行駛及方向自動(dòng)回正功能正常。

圖10 動(dòng)力轉(zhuǎn)向架Fig. 10 Power bogie

4.2 非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架

非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架由走行架體、膠輪總成及懸掛系統(tǒng)組成，與動(dòng)力轉(zhuǎn)向架的區(qū)別在于無(wú)動(dòng)力輸出，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖11?？紤]到整車(chē)的軸荷分配及車(chē)輛轉(zhuǎn)向時(shí)車(chē)輪轉(zhuǎn)向角需滿(mǎn)足阿克曼定律的要求，非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架的承載、轉(zhuǎn)向角和膠輪定位參數(shù)依據(jù)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架進(jìn)行分析確定。為實(shí)現(xiàn)車(chē)輛駐車(chē)制動(dòng)模式，在非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架上加裝中央彈簧儲(chǔ)能式駐車(chē)制動(dòng)器；因無(wú)動(dòng)力齒輪箱，非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架自重僅900 kg。

圖11 非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架Fig. 11 Non-powered bogie

5 輕量化設(shè)計(jì)

無(wú)論是軌道車(chē)輛還是公路車(chē)輛，其運(yùn)行時(shí)的能耗和車(chē)輛本身質(zhì)量成正比關(guān)系。減輕車(chē)輛自重，不僅可以降低能耗、節(jié)約運(yùn)行成本，而且還能提高車(chē)輛的操控性能[1]與載客能力。車(chē)輛輕量化設(shè)計(jì)必須在確保車(chē)輛強(qiáng)度和安全性的前提下進(jìn)行。常用的輕量化設(shè)計(jì)方法包括采用高強(qiáng)度或輕型材料替代常規(guī)材料、優(yōu)化結(jié)構(gòu)及改進(jìn)工藝[12]。

5.1 結(jié)構(gòu)輕量化

結(jié)構(gòu)優(yōu)化包括尺寸優(yōu)化、外形優(yōu)化及拓?fù)鋬?yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化是設(shè)計(jì)中常用來(lái)提高零件性能和減輕零件質(zhì)量的優(yōu)化方式。其利用有限元分析軟件，對(duì)結(jié)構(gòu)的各種受力工況進(jìn)行模擬分析，并根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在確保滿(mǎn)足強(qiáng)度和剛度要求的前提下具有較小的質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化[13]。

智軌電車(chē)上幾種常用的結(jié)構(gòu)輕量化方案如圖12所示。其中，圖12(a)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化方案，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)在復(fù)雜程度和質(zhì)量上都優(yōu)于優(yōu)化前的；圖12(b)是采用標(biāo)準(zhǔn)化支架代替?zhèn)鹘y(tǒng)線(xiàn)槽，大大減輕了線(xiàn)槽的質(zhì)量；圖12(c)是在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的情況，通過(guò)增加減重孔方式來(lái)減輕質(zhì)量；圖12(d)為調(diào)整鋁型材截面形狀的方式來(lái)進(jìn)行減重。3編組智軌電車(chē)通過(guò)結(jié)構(gòu)化減重，減輕質(zhì)量近1 t。

圖12 結(jié)構(gòu)輕量化方案Fig. 12 Structural lightweighting scheme

5.2 材料替換

智軌電車(chē)設(shè)計(jì)時(shí)，一是用力學(xué)性能相近的低密度材料零件來(lái)替代高密度材料零件，常見(jiàn)的有用鋁合金代替鋼材、用復(fù)合材料代替金屬材料；二是用性能優(yōu)良的高強(qiáng)度材料代替普通材料，以降低零件的厚度，實(shí)現(xiàn)減重和性能提升，常見(jiàn)的是用高強(qiáng)度鋼代替普通鋼[14]。表6示出智軌電車(chē)常用金屬材料性能對(duì)比。通過(guò)材料替換，綜合考慮成本因素，整車(chē)最終因此減重300 kg。

表6 金屬材料性能對(duì)比Tab. 6 Metal material performance comparison

5.3 新材料的應(yīng)用

內(nèi)、外裝作為車(chē)輛的主要組成部件，設(shè)計(jì)時(shí)選擇強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的材料非常重要[15]。為此，智軌電車(chē)的內(nèi)、外裝主要以新型復(fù)合材料為主，其主要選用碳纖維材料、芳綸蜂窩復(fù)合材料及樹(shù)脂發(fā)泡增強(qiáng)材料，結(jié)合材料特性與成本，被分別應(yīng)用于不同的位置。智軌電車(chē)作為公共交通工具，其非金屬材料需滿(mǎn)足EN 45545-2《軌道車(chē)輛防火保護(hù)-第2部分：材料和元件的防火要求》[16]。

5.3.1 碳纖維材料

碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，其質(zhì)量密度不足鋼的1/4。碳纖維樹(shù)脂復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在3 500 MPa以上，是鋼的7~9倍；抗拉彈性模量為230~430 GPa，亦高于鋼。碳纖維材料的比強(qiáng)度（即材料的強(qiáng)度與其密度之比）可達(dá)到2 000 MPa/(g.cm-3)以上，而A3鋼的比強(qiáng)度僅為59 MPa/(g.cm-3)左右，且其比模量也比鋼的高。針對(duì)這一特性，碳纖維材料主要被用于智軌電車(chē)頭罩的制造上，其單件產(chǎn)品質(zhì)量?jī)H為140 kg，機(jī)械性能符合軌道車(chē)輛的防撞要求[8]；而采用鋼材沖壓成型產(chǎn)品，其單件質(zhì)量將超過(guò)600 kg。

5.3.2 芳綸蜂窩復(fù)合材料

芳綸蜂窩復(fù)合材料是一種采用紙質(zhì)蜂窩芯材與玻纖材料運(yùn)用預(yù)浸料工藝形成的“三明治”夾心材料。由于是蜂窩結(jié)構(gòu)，承受點(diǎn)的沖擊力不如玻璃鋼材質(zhì)的，且不易于成型，所以在智軌電車(chē)上芳綸蜂窩復(fù)合材料多被用作中頂板、側(cè)墻、裙板及其他區(qū)域平面裝飾板材料。由于采用預(yù)浸料工藝，其表面裝飾顏色可直接由基材自帶顏色確保。

圖13 芳綸蜂窩結(jié)構(gòu)Fig. 13 Aramid honeycomb structure

5.3.3 樹(shù)脂發(fā)泡增強(qiáng)材料

樹(shù)脂發(fā)泡增強(qiáng)材料是以樹(shù)脂作為基體，加入增強(qiáng)材料后進(jìn)行發(fā)泡、固化而制得的一種復(fù)合材料，其具備輕質(zhì)高強(qiáng)、防火阻燃、易于成型、隔熱降噪、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)良性能，主要用于風(fēng)道、地板等應(yīng)用場(chǎng)合。

6 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)智軌電車(chē)的應(yīng)用定位，對(duì)其總體技術(shù)及結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，使得智軌電車(chē)具備良好的靈活性、適應(yīng)性，同時(shí)具備傳統(tǒng)軌道車(chē)輛的安全性。智能軌道快運(yùn)系統(tǒng)于2017年6月在湖南省株洲市正式對(duì)外發(fā)布，其具有建設(shè)周期短、基礎(chǔ)設(shè)施投資小、城市適應(yīng)性高、綜合運(yùn)力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，是兼顧運(yùn)能與投資的中運(yùn)量軌道交通系統(tǒng)解決方案。后續(xù)將圍繞新架構(gòu)、新系統(tǒng)、新結(jié)構(gòu)3個(gè)維度對(duì)智軌電車(chē)進(jìn)行研究，在現(xiàn)有智軌電車(chē)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，提升車(chē)輛的先進(jìn)性、安全性、可靠性和舒適性，并在整車(chē)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、可維護(hù)性等方面持續(xù)提升，打造具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品平臺(tái)。