100%低地板轻轨车辆车体设计分析

马青春

(中国北车长春轨道客车股份有限公司，130062，长春∥工程师)

自从20 世纪90年代100%低地板车辆问世以来，其发展已经历了三代，现在在世界20 个国家近60 个城市运行。

100%低地板车辆具有如下特点:① 环境影响小，采用弹性车轮电力牵引，可减小对城市空气的污染，可减少噪声污染;② 造价低，节约投资;③ 人性化设计，舒适度高，站台简易，成本低，同时方便乘车;④ 拥有成熟的运营管理先进技术;⑤ 能耗低，低地板轻轨车能耗约为地铁系统的十分之一，综合电耗小于地铁系统的一半;⑥ 模块化设计，编组灵活，满足各种不同的载客能力需求。

1 100%低地板车辆车体结构

100%低地板车辆距轨面的距离非常低，所以对转向架的要求变得很高。车下的所有设备几乎全部集中在了车上，整体的设备布置完全不同与常规的地铁车辆，所以对钢结构的设计提出了新的要求。

1.1 车辆

100%低地板车辆也是由底架、侧墙、端墙、车顶这4 大部件构成，采用整体承载的高强度不锈钢组焊而成。如图1所示。

图1 100%低地板车辆的主要部件

1.2 模块

100%低地板车辆根据用户需求的不同，可采用3 模块、5 模块或7 模块设计，也可以根据后续需求的变化进行调整和扩充模块，如图2所示。

图2 车辆编组模块图

2 车体设计

2.1 设计思路

100%低地板车辆是在借鉴欧洲先进的100%低地板轻轨车辆设计的基础上，扬长避短，设计的新一代产品。其外观是按照仿生学设计而成，采用海豚的造型，大气、灵动。与其他地铁或者轻轨车辆不同，该车辆彻底打破了传统设计理念，回避了不锈钢车体的繁琐，也回避了铝合金车辆的折弯不灵活的缺陷，集不锈钢和铝合金的优点于一身，采用不锈钢材料，但是用了铝合金的设计理念，创造出了一个全新的车体。

由于车下完全没有设备空间，所以所有的设备几乎全部在车顶上，这就要求车顶既要轻，强度又要好。

同时，底架、端墙、侧墙采用高强度的进口不锈钢拼焊而成，尽可能多地增开减重孔，如图3所示。由于之前国内地铁车辆不锈钢焊接基本上都是采用点焊，而大规模的不锈钢开孔弧焊在国内尚属首次。

图3 车体组成

2.2 结构构成

2.2.1 底架

底架主要由6 mm 和10 mm 厚的钢板拼焊而成，并大面积增开减重孔，主要分为客室座椅区和前端司机室区，该底架的主要难点在于焊接变形大，难以控制，成型困难，并且其流线造型也是难点之一。三维模型如图4所示。

图4 底架三维模型

2.2.2 车顶

车顶是车体中一个核心组件之一，100%低地板车辆的车顶与其他地铁车辆的车顶有所不同，它主要是承载着众多电气设备和线缆。其结构主要是以3mm 厚的不锈钢板折弯组焊成封闭的带有空腔的梁柱为承载主要部件，并以三明治板铺在各个横梁上面，设备布设在三明治板上，线缆从密封的空腔纵梁内穿过，如图5所示。

图5 车顶三维模型

2.2.3 端墙

端墙是3 mm 厚的高强度不锈钢，组焊成近似封闭的空腔体，最后与底架、侧墙、车顶周围进行焊接。如图6所示。

图6 端梁断面图

2.2.4 侧墙

整个侧墙采用大窗设计，但是出于强度和刚度的考虑，侧墙是采用4 mm 厚的高强度不锈钢折弯焊接后组成的立柱与墙板进行的焊接组合。使侧墙既美观，强度、刚度又好。如图7所示。

图7 侧墙三维图

2.3 接口关系

各个主要部件的接口均为焊接，底架与端墙底部和侧墙下部分别进行焊接，车顶与侧墙和端墙上部分别进行焊接，如图8所示。

图8 接口剖面图

2.4 车体强度分析

100%低地板车体在设计完成后，对其进行了有限元强度分析，从静态强度、疲劳、模态等几个方面进行了分析。

2.4.1 车体静强度分析

图9 为车体网格及强度加载模型。图10 为静态强度应力云图。

图9 车体网格及强度加载模型

图10 静态强度应力云图

车体最大应力为300 MPa，远低于其屈服强度480 MPa，完全满足车体运营需求。

2.4.2 车体疲劳分析

图11 为车体疲劳计算模型。图12 为车体疲劳分析云图。

图11 车体疲劳计算

图12 车体疲劳分析云图

从以上分析可以看出，车体的疲劳在安全范围以内，符合运营和设计要求，安全可靠。

2.4.3 车体模态分析

图13 为车体模态分析云图。通过图13a)-h)的模态分析可知，车体性能良好，符合设计要求。

3 结语

对于100%低地板车辆，由于绿色、安全、环保，且出行方便舒适，越来越被现在都市所接受，本文以车体最新的设计要求和理念，对车体构成、设计，强度分析，接口关系等几方面进行了全面的阐述和分析，希望对今后100%低地板的设计和发展有所帮助。

图13 车体模态分析云图

［1］关明全.城轨车辆技术与应用［M］.北京:中国铁道出版社，2009.

［2］王欢，戴焕云，池茂儒.国外100%低地板轻轨车辆发展概述［J］.国外铁道车辆，2012，49(2):8.

［3］王欢，戴焕云，池茂儒.100%低地板轻轨车辆结构型式研究［J］.内燃机车，2009(9):11.

［4］徐军，杨小凤，刘康，等.100%低地板现代有轨电车国产化实现方式和建议［J］.城市轨道交通研究，2012(10):18.