高強(qiáng)度輕軌車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

董曾文 水文菲 李孟梁

（1.中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司，湖南 株洲 412001；2.大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)系統(tǒng)集成國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 株洲 412001）

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，城市聚集的人口越來(lái)越多，軌道交通在日常出行中的占比也越來(lái)越大，而運(yùn)量適中，造價(jià)及運(yùn)營(yíng)成本較低的輕軌系統(tǒng)也成為許多大中城市軌道交通的選擇[1]?；诎踩目紤]，用戶(hù)在選擇輕軌車(chē)輛時(shí)，往往要求車(chē)體強(qiáng)度和耐碰撞性能對(duì)標(biāo)地鐵車(chē)輛。

該文通過(guò)對(duì)高強(qiáng)度輕軌車(chē)體結(jié)構(gòu)的研究，探討了在高強(qiáng)度輕軌車(chē)體設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的問(wèn)題及解決措施，滿(mǎn)足了用戶(hù)對(duì)高強(qiáng)度和高碰撞安全性的個(gè)性化需求。

1 車(chē)體主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

車(chē)體采用整體承載全焊接結(jié)構(gòu)，在滿(mǎn)足線(xiàn)路運(yùn)行條件及強(qiáng)度要求的前提下，綜合考慮車(chē)體外部造型、內(nèi)外裝飾、設(shè)備安裝、乘客視野、隔音和隔熱等因素，保障車(chē)輛的安全、可靠、舒適。除此之外該車(chē)體還具有如下特點(diǎn)：1）車(chē)體長(zhǎng)寬高為17800mm×2564mm×2967mm，整體尺寸較小。2）車(chē)體結(jié)構(gòu)在AW0-AW4 載荷條件下，滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)EN 12663[2]中P-III 類(lèi)別的要求，其中AW4 載荷為9 人/m2且乘客70kg/人。3）車(chē)體結(jié)構(gòu)的防碰撞性能滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)EN 15227[3]中C-II 類(lèi)別的要求。4）為增大客室面積，提高載客量，采用50mm 厚的門(mén)立柱，極大降低了車(chē)體的剛度與強(qiáng)度。

2 車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 車(chē)體斷面

根據(jù)車(chē)輛總體參數(shù)的要求，確定車(chē)體斷面為V 型，車(chē)體地板上安裝鋁蜂窩內(nèi)裝地板，底架下部設(shè)備采用C 型槽懸掛方式。綜合考慮轉(zhuǎn)向架、車(chē)門(mén)、內(nèi)裝、車(chē)鉤、貫通道、空調(diào)等設(shè)備的安裝需求，最終車(chē)體斷面如圖1 所示。

圖1 車(chē)體斷面圖

2.2 車(chē)體結(jié)構(gòu)

采用鋁合金型材為車(chē)體承載結(jié)構(gòu)材料，可以使車(chē)體滿(mǎn)足輕量化的要求，有效提高車(chē)輛節(jié)能減排效果[4]。車(chē)體采用整體承載全焊接結(jié)構(gòu)，在承受垂向、扭轉(zhuǎn)載荷的同時(shí)，能夠傳遞牽引、制動(dòng)力，并具有隔音、減振及保暖等功能。車(chē)體主要由底架、側(cè)墻、車(chē)頂?shù)冉M成，如圖2 所示。

圖2 車(chē)體組裝

底架結(jié)構(gòu)由底架邊梁、端梁、地板、端部結(jié)構(gòu)等組成，其中端部結(jié)構(gòu)又由枕梁、緩沖梁、底架端梁等組成。底架整體采用大斷面鋁合金擠壓型材焊接而成的無(wú)中梁結(jié)構(gòu)。作為主要的承載結(jié)構(gòu)，乘客質(zhì)量直接作用于底架地板上，蓄電池、牽引箱、制動(dòng)系統(tǒng)等設(shè)備均通過(guò)地板下部的C 型槽安裝在底架上。

由于高強(qiáng)度輕軌車(chē)體在拉壓載荷及耐碰撞性能指標(biāo)上均有較高要求，整車(chē)長(zhǎng)度又限制了車(chē)鉤安裝面到轉(zhuǎn)向架中心的距離，最終導(dǎo)致底架車(chē)端區(qū)域空間局促。該文在綜合分析各種工況下轉(zhuǎn)向架與車(chē)體的相互位置關(guān)系后發(fā)現(xiàn)，為了避免轉(zhuǎn)向架與車(chē)體緩沖梁相互干涉，需要將緩沖梁折彎區(qū)域大幅前移，這就導(dǎo)致緩沖梁折彎角度較常規(guī)輕軌項(xiàng)目大幅增加，圓弧區(qū)域的應(yīng)力也隨之增大。為了降低緩沖梁折彎區(qū)域的應(yīng)力，提高緩沖梁蓋板折彎件的成品率，降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本，在綜合考慮緩沖梁蓋板材料的延伸率及鋁合金材料折彎工藝性后，最終確定緩沖梁蓋板采用兩段折彎方案，如圖3 所示。

圖3 緩沖梁折彎示意

由于與轉(zhuǎn)向架中心連接的枕梁正好位于車(chē)門(mén)靠門(mén)立柱區(qū)域，因此乘客載荷比常規(guī)的輕軌車(chē)輛重20%，且底架主要設(shè)備均通過(guò)C 型槽安裝在地板下方靠車(chē)體中心線(xiàn)的位置，這就使原方案中底架邊梁及地板垂向變形較大，尤其是枕梁附近區(qū)域。為了提高該處的車(chē)體剛度，減少在枕梁附近的垂向變形，該文使邊梁在枕梁區(qū)域局部增加了高度（如圖4 所示），地板型材的C 型槽區(qū)域也局部增厚。經(jīng)過(guò)上述優(yōu)化后，車(chē)體垂向變形及一階垂向頻率有了顯著提高，見(jiàn)表1。

圖4 底架邊梁形狀優(yōu)化

表1 優(yōu)化前后的變形及頻率對(duì)比

為了滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)EN 15227[3]中C-II 類(lèi)別中的兩列車(chē)25km/h 的碰撞要求，保障乘客的人身安全，該文在每節(jié)的兩端均設(shè)置有鋁蜂窩防爬器（如圖5 所示）。單個(gè)頭車(chē)防爬器的觸發(fā)力平均值約為400kN，最大吸能行程約為475mm。當(dāng)列車(chē)發(fā)生意外撞車(chē)時(shí)，在頭車(chē)車(chē)鉤完成吸能工作并剪切脫落后，位于兩車(chē)車(chē)端的防爬器通過(guò)防爬齒相互嚙合，能夠有效防止車(chē)輛的相對(duì)攀爬。防爬器在嚙合后通過(guò)壓潰變形可以吸收一部分撞擊能量，進(jìn)而減少意外撞車(chē)對(duì)車(chē)輛客室區(qū)域的破壞，降低車(chē)輛在碰撞過(guò)程中的減速度。

圖5 防爬器

每輛車(chē)的側(cè)墻結(jié)構(gòu)均由4 個(gè)大側(cè)墻單元和4 個(gè)小側(cè)墻單元組成，每個(gè)側(cè)墻單元由側(cè)墻板和門(mén)立柱等焊接而成。側(cè)墻板使用大斷面鋁合金型材，經(jīng)攪拌摩擦焊拼焊而成，側(cè)墻板中間開(kāi)設(shè)有根據(jù)整車(chē)造型和形狀優(yōu)化而成的樹(shù)葉型窗戶(hù)安裝孔（如圖6 所示）。所有側(cè)墻板均在組焊完成后進(jìn)行機(jī)加工，該加工方式能夠有效保證側(cè)墻板的整體平面度及床角的圓弧度。在側(cè)墻板鋁型材的車(chē)內(nèi)側(cè)設(shè)有通長(zhǎng)的C 型槽，用于安裝內(nèi)裝墻板、座椅等。

圖6 大側(cè)墻

輕軌車(chē)輛較窄，為了增大客室面積，提高載客量，側(cè)墻門(mén)立柱厚度由常規(guī)的80mm 更改為50mm，該改動(dòng)將會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中的上下門(mén)角區(qū)域結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)一步降低。該文在門(mén)角區(qū)域采用獨(dú)立門(mén)角結(jié)構(gòu)（如圖7 所示），合理地設(shè)計(jì)底架、側(cè)墻、頂蓋、門(mén)角之間的連接焊縫位置，使其避開(kāi)高應(yīng)力區(qū)，能夠有效改善該處的靜強(qiáng)度應(yīng)力狀態(tài)和疲勞性能。獨(dú)立門(mén)角由鋁合金型材整體機(jī)加工而成，通過(guò)對(duì)圓弧半徑的形狀優(yōu)化、零件壁厚的尺寸優(yōu)化，確定出一個(gè)最優(yōu)的組合以有效減少門(mén)角應(yīng)力集中的情況，同時(shí)提高材料的利用率，并減輕質(zhì)量。

圖7 獨(dú)立門(mén)角

司機(jī)室結(jié)構(gòu)由角立柱、橫梁、彎梁等部件構(gòu)成（如圖8所示），滿(mǎn)足司機(jī)室內(nèi)裝、司機(jī)臺(tái)及頭罩等的安裝。司機(jī)室兩側(cè)的角立柱采用壁厚10mm 的目字形型材，并且該型材在拐角處做了斜角過(guò)渡處理，以便給頭罩留出足夠的安裝空間。司機(jī)室角立柱兩側(cè)分別設(shè)置了兩根弧形彎梁，用來(lái)將司機(jī)室角立柱上的力分流到兩側(cè)的側(cè)墻主結(jié)構(gòu)上。采用這種框架式的司機(jī)室結(jié)構(gòu)能夠滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)EN 12663[2]中P-III類(lèi)別的載荷要求。

圖8 司機(jī)室結(jié)構(gòu)

3 有限元分析

通過(guò)有限元手段，對(duì)車(chē)輛的多種工況進(jìn)行分析，不但可以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)是否合理，還可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

3.1 靜強(qiáng)度分析

根據(jù)EN 12663[2]標(biāo)準(zhǔn)以及技術(shù)規(guī)格書(shū)的要求設(shè)置靜強(qiáng)度計(jì)算工況34 種。乘客及內(nèi)裝載荷均布在車(chē)體地板面，主要的大型設(shè)備采用集中載荷的方式施加在車(chē)體結(jié)構(gòu)相應(yīng)的部位上，車(chē)體的有限元模型如圖9 所示。

圖9 車(chē)體模型

在典型工況AW4+800kN 及AW4+600kN 中，車(chē)體最大應(yīng)力為138MPa，出現(xiàn)在側(cè)墻門(mén)角母材區(qū)域（如圖10 所示0），邊梁最大垂向變形為7.1mm。計(jì)算結(jié)果表明，車(chē)體結(jié)構(gòu)在所有靜強(qiáng)度載荷工況下的應(yīng)力均不大于材料的屈服強(qiáng)度許用應(yīng)力值。車(chē)體結(jié)構(gòu)的最小安全系數(shù)均大于1.15，滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)EN 12663 的要求。

圖10 AW4壓縮載荷800kN

3.2 模態(tài)分析

模態(tài)計(jì)算模型采用的是強(qiáng)度計(jì)算模型，AW0 狀態(tài)下車(chē)體前六階模態(tài)見(jiàn)表2。

表2 AW0 狀態(tài)下車(chē)體前六階模態(tài)

3.3 疲勞分析

根據(jù)EN 12663以及VDV 152[5]標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)置疲勞計(jì)算工況32 種，其中包括1/250 的軌道扭曲載荷。根據(jù)DVS 1608[6]標(biāo)準(zhǔn)的疲勞分析方法，并結(jié)合MKJ 圖計(jì)算出車(chē)體材料利用度，如圖11 所示。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，車(chē)體結(jié)構(gòu)最大材料利用度均小于1（最大值為0.86，位于枕梁母材區(qū)域），滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖11 疲勞計(jì)算結(jié)果

4 試驗(yàn)

為驗(yàn)證車(chē)體的強(qiáng)度和剛度是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，根據(jù)EN 12663[2]及設(shè)計(jì)驗(yàn)證的要求，進(jìn)行了下列靜強(qiáng)度試驗(yàn)，見(jiàn)表3。試驗(yàn)采用74 個(gè)BE120-5AA（單向）和4 個(gè)BE120-4CA（三向）的電阻應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變，采用28 個(gè)位移傳感器測(cè)量車(chē)體變形。車(chē)體頂蓋上空調(diào)質(zhì)量采用空調(diào)工藝塊進(jìn)行模擬安裝配重。對(duì)安裝在底架上的較重設(shè)備，根據(jù)設(shè)備位置在底架地板上采用配重塊配重。其余車(chē)上設(shè)備質(zhì)量以及旅客質(zhì)量采用配重方式均勻分布加載在底架地板上。

表3 靜強(qiáng)度試驗(yàn)項(xiàng)目和內(nèi)容

在試驗(yàn)過(guò)程中，為保障試驗(yàn)安全和試驗(yàn)準(zhǔn)確，試驗(yàn)項(xiàng)目均采用三級(jí)加載的方式施加載荷。每個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目均需重復(fù)三次，在試驗(yàn)加載開(kāi)始前對(duì)測(cè)試系統(tǒng)清零，加載完成后采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，卸載后采集殘余數(shù)據(jù)。

在典型工況AW4+800kN 及AW4+600kN 中，車(chē)體最大應(yīng)力為129.3MPa，出現(xiàn)在門(mén)角區(qū)域，邊梁最大垂向變形為6.95mm。在各試驗(yàn)工況中，所有測(cè)量點(diǎn)的應(yīng)力均在許用應(yīng)力之內(nèi)，卸載后被試車(chē)體無(wú)屈曲、損壞或永久變形，車(chē)體結(jié)構(gòu)的測(cè)量撓度值恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

該文探討了在高強(qiáng)度輕軌車(chē)體設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的強(qiáng)度、剛度和空間不足等問(wèn)題及其解決措施。該文對(duì)車(chē)體型材斷面、緩沖梁形狀、獨(dú)立門(mén)角、司機(jī)室骨架等結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，在滿(mǎn)足車(chē)體強(qiáng)度要求的前提下采用了輕量化方案，并充分考慮了車(chē)體在生產(chǎn)制造過(guò)程中的可操作性，成功地設(shè)計(jì)出了一種強(qiáng)度符合EN 12663：P-Ⅲ等級(jí)，碰撞性能符合EN 15227：C-Ⅱ等級(jí)的高強(qiáng)度輕軌車(chē)體。并經(jīng)過(guò)理論分析、車(chē)間生產(chǎn)及試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果證明該輕軌車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)格書(shū)的要求，為后續(xù)對(duì)安全需求更高的輕軌車(chē)體設(shè)計(jì)提供了一定經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。