100%?低地板现代有轨电车车体设计研究

王润姣

摘 要：首先介绍 100% 低地板现代有轨电车车体的结构和材质，并对底架、侧墙、车顶及端墙 4 大部件在设计、生产、制造过程中的设计方案改进和技术难点突破进行详细阐述和说明;然后通过三维建模及有限元分析法在各工况下对车体强度进行分析计算;最后通过车体强度试验进行验证，结果证明此车体结构设计能够满足低地板现代有轨电车的运营需求。

关键词：有轨电车;100%低地板;车体;设计研究

中图分类号：U239.9

100%低地板现代有轨电车作为一种新型的车辆制式，在大城市用于完善轨道交通线网体系，在中小城市中满足主城区交通需求，在经济开发区及观光旅游线路上得到了广泛的应用和推广。现代有轨电车系统与地铁系统相比，主要有工程造价低、建设周期短、运营费用低及维修方便等优点;与公交系统相比，主要有运能大、速度快、无污染、乘坐舒适度高及使用寿命长等优点。现代有轨电车的车体作为整车系统的重要组成部分，对其结构设计的安全性、可靠性、可维修性尤为重要。

1 编组形式及主要技术参数

现代有轨电车车辆根据行车及运营需求可灵活改变编组形式，主要编组有3模块、5模块和7模块。本文介绍的100%低地板有轨电车车辆的编组为5模块，其编组形式为：= Mc1 - F2 - Tp - F1 - Mc2 =，其中Mc1、Mc2表示带司机室的动车;F1、F2表示悬浮车;Tp表示带受电弓的拖车;=表示全自动可折叠车钩;-表示铰接装置。

车辆的主要技术参数如表1所示。

2 车体结构

2.1 车体结构组成

100%低地板现代有轨电车车体由5模块通过上下铰接装置进行联挂组成，分别为M10 / M50、M20 / M40和M30模块。其中M10 / M50为带司机室的动车模块，车体长度为7 900 mm，宽度为2 620 mm，高度≤3200mm;M20 / M40为悬浮模块，车体长度为7000mm;M30为拖车模块，车体长度为5 200 mm。整车总长度<36 m，转向架中心距为11.5 m。车体模块化组成如图1所示。

车体结构设计采用模块化设计理念，主要由底架、侧墙、车顶及端墙4大部件组成。本文以M10模块为例介绍车体的组成，如图2所示。其中M10、M30、M50的底架和侧墙均可互换;每个模块之间的二位端墙也可互换;同时大部件下又分出各子模块，包括底架下铰接端梁、十字枕梁、牵引梁、门框及窗框，各子模块在各大部件之间亦可互换。模块化的设计可有效提高生产速度及组装精度，便于生产安排及有效提高生产效率。

车体强度设计应满足EN 12663-1：2010《铁路应用-铁道车辆车体的结构要求 第1部分：机车和客运（及货车的替换法）》的要求，车体主体结构使用寿命满足30年的要求。

2.2 车体材质

考虑到100%低地板现代有轨电车没有独立的路权，在混行过程中极易与社会车辆发生碰撞，因此车体结构设计采用可修复性高的高强度耐候钢作为主要车体材料。

从部件的加工工艺性和焊接工艺性考虑，且车体结构形式为骨架+薄板外蒙皮的整体承载，因此需要采用大量电弧焊焊接。为保证焊接可靠性及部件加工工艺性，车体结构设计采用Q355耐候钢E等级（Q355NHE）材料作为车体的主要材料。

Q355NHE的化学成分及主要机械性能分别如表2和表3所示，且满足GB/T 4171-2008《耐候结构钢》 的标准。

3 车体结构设计

100%低地板现代有轨电车由于载客能力大，且车辆启停频繁，因此对车体设计的强度和刚度需求会更高。同时，为了满足轴重<12t的要求，车体轻量化设计的要求也同样重要。因此，在车体设计改进过程中，在满足结构强度要求基础上，对各大部件进行轻量化设计。

3.1 底架设计

底架结构作为整车的主要承载部件，主要由端梁、十字枕梁及车轮罩板等组成，其结构如图3所示。由于底架与转向架接口较多，且工艺尺寸要求严格，为保证底架焊接质量及部件尺寸要求，各部件的焊接需在翻转工装台上完成，部分与转向架配合尺寸要求严格的部件在组焊完成后还应进行整体机械加工。

底架设计中主要进行以下改进及技术难点解决。

（1）底架门区位置到转向架中心位置的纵向连接板上存在6%的坡度，长度为1 200 mm，高差为72 mm。该坡度一方面满足门区地板面高度<350 mm的要求，另一方面满足转向架与车体的接口安装。

（2）带有6%坡度的主要原因是本方案的现代有轨电车采用有轴传统轮对转向架，而非独立轮轴桥式转向架。由于独立轮转向架存在设计难度高、运营维护成本高、无自动对中性等特点，其往往决定车辆设计的成败，因此本方案选用成熟可靠的传统轴转向架。

（3）十字枕梁与车轮罩板组焊拐角处采用锻件补强角进行补强，弥补此处应力集中及尺寸形状突变带来的刚度不匹配，以提高该区域的强度。

（4）端梁采用腔型结构，满足下铰接装置和铰接渡板安装及受力要求。下铰接装置安装孔采用整体机械加工方式，既能保证铰接装置的安装精度，又能保证此区域铰接渡板高度与门区地板面高度相平的要求。

（5）二系钢弹簧安装位置在承载后变形较大，因此转向架中间区域通道的横向、纵向采用连接支撑板形式向端梁传递载荷，实现底架的整體承载。

（6）端梁与十字枕梁采用连接板、搭接结构组焊，实现底架纵向调节功能，避免由于焊接收缩变形对底架总长尺寸的影响，能有效地保证底架在组焊完成后的长度在公差允许的范围内。

3.2 侧墙设计

为适应有轨电车门窗布置密集、尺寸大的特点，侧墙结构主要由门、窗立柱，车顶纵梁及侧墙外墙板等组焊而成，结构形式较为简单，如图4所示。

侧墙结构设计中主要克服和改进了以下几方面。

（1）由于侧墙外墙板存在半径R为10 000 mm的弧度，对外墙板焊接变形的控制存在一定的难度，通过多次调整工装台位的角度、控制焊接反变形尺寸及部件焊接顺序的方法，保证外侧板弧度、直线度及平整度控制在公差允许的范围内。

（2）在门角、窗角位置采用锻件大圆弧型材局部补强，使焊缝远离高应力区域，提高门角、窗角的抗疲劳能力。

（3）考虑到门机构的安装，在安装门机构的局部位置背板补强。

3.3 车顶设计

为保证整车轴重<12 t的要求并实现车体的轻量化设计，车顶及地板均采用三明治复合板的结构，通过结构胶与车体进行连接，形成封闭筒型整体承载式结构。车顶结构如图5所示。

车顶设计的主要难点及特点如下。

（1）100%低地板现代有轨电车的特点为所有电器设备均安装于车顶，因此对车顶结构形式、强度及刚度要求较高。通过多方调研和计算后，车顶结构采用40mm厚度（1.5 mm铝板+37 mm高强度泡沫+1.5 mm铝板）三明治结构形式，既保证了车顶的结构强度，也在车顶轻量化设计中比钢结构车体的质量减小60%左右。

（2）为保证粘接强度及粘接效果，车顶的粘接采用进口西卡结构胶（Sika265），并保证粘接车间恒温恒湿（温度为20～25 ℃，相对湿度为75%以上）。

（3）车顶电器设备安装座、车内电器及内装设备安装座通过结构胶粘接于车顶板上，其优点为粘接强度高、粘接尺寸精度高及安装座粘接位置易更换。

（4）车顶结构及安装座粘接完成后增加车顶淋雨试验，以保证粘接的密封性。

3.4 端墙设计

端墙主要由上铰接装置连接板、端墙板及车顶支撑板等组成，如图6所示。端墙的结构需保证铰接装置和贯通道系统的安装要求。

端墙设计中的改进方案主要有以下几点。

（1）为保证铰接装置安装的要求，端墙上铰接装置安装孔的加工更改为在端墙组焊完成后进行整体机械加工。

（2）为保证贯通道系统的安装要求，需满足外墙板每平方米不超过2 mm的平面度要求。在内外门洞之间增加围板焊接，保证外墙板平面度和刚度的要求。

4 车体有限元分析

4.1 设计依据

车体结构设计及计算主要依据EN 12663-1：2010标准的要求。在保证结构强度的基础上进行优化和减重设计，使车体的结构完全满足设计要求。

4.2 计算模型及工况

利用Creo2.0软件进行车体三维模型建模，基于Hypermesh软件进行有限元网格划分，全车车体结构共有1 980 631个单元，其中以薄壁壳单元为主的共1 352755个;车钩的安装及下铰接装置的安装设置为刚性单元（Rbe2，共计6 282个单元）;转向架二系钢弹簧连接的设置为弹性单元（CBUSH，共计12个单元）;除去钢结构自身质量外，整备状态下的车辆其他部件质量采用质量单元分布于壳单元节点上。各模块车体的有限元模型如图7所示。

按照EN 12663-1：2010标准的要求，车体结构静强度计算工况如表4所示，包括垂直载荷、抬车、复轨、纵向压缩载荷、纵向拉伸载荷等工况。

4.3 计算结果

车体材质的屈服强度为355MPa（钢板厚度3mm≤t≤16mm），安全系数按1.15考虑，因此可得车体材质的许用应力为308 MPa。根据有限元计算结果，各模块的最大应力点位置如图8所示。M10模块的最大应力发生在侧窗窗角补强板处（补强板板厚为4mm），数值为302MPa;M20模块的最大应力发生在门框补强角处（补强角板厚为6 mm），数值为302.9MPa;M30模块的最大应力发生在十字枕梁补强角处，数值为261 MPa。由此可知各工况下，各模块的最大应力均小于材质的许用应力，车体强度满足要求。

在最大垂向载荷工况下，车体的最大垂向位移为-15.1mm，发生在M40车门角处。由于转向架中心距为11.5 m，最大垂向位移仅为转向架中心距的1.31‰，因此满足车辆刚度要求。此时，车体的最大垂向位移位置如图9中红圈所指。

5 车体试验验证

车体静强度试验委托国家铁路产品质量监督检验中心机车车辆检验站对车体进行垂直载荷、抬车、复轨、纵向压缩载荷、纵向拉伸载荷的静强度试验。在指定位置上布置应力测试装置和位移测试装置，用以测量施加试验载荷时的应力和位移，试验现场如图10所示。车体共设134个应力测点，其中三向应变花4个，单向应变片130个，最大应力出现在M20模块的门角补强角处，数值为295.9 MPa。

测量结果表明，车体的强度计算结果与试验结果基本一致，且满足EN 12663-1：2010标准的强度要求。

6 结语

在100%低地板现代有轨电车车体的设计中，充分考虑了车体在生产制造过程中的可操作性、便捷性，以及车辆运营过程中的安全性、可靠性和可维修维护性，在满足车体强度要求的前提下采用轻量化、模块化设计。为了适应城市轨道交通用户需求的多样性，模块化设计既可缩短产品开发周期、便于组织小批量生产和降低车辆造价，也可提高车间生产和制造效率。车体结构设计通过车间生产、计算及试验验证，满足EN 12663-1：2010標准的强度要求，同时满足100%低地板现代有轨电车的运营需求，为后续现代有轨电车项目中车体的设计提供宝贵经验和设计基础。

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收稿日期 2019-05-07

责任编辑 党选丽

Research on 100% low floor modern

tram car body design

Wang Runjiao

Abstract： Firstly， this paper introduces the car body structure and material of 100% low floor modern tram， and elaborates and explaines in detail the improvement of design scheme and breakthrough of technical difficulties in the process of design， production and manufacturing of four major parts of underframe， side wall， roof and end wall. Secondly it analyzes and calculates the strength of car body under various working conditions through three-dimensional modeling and finite element analysis. Thirdly it carries out validation with the car body strength tests， and the results show that the structure design of car body meets the operation requirements of low floor modern tram.

Keywords： tram， 100% low floor， car body， design research