虚拟轨道列车车体技术研究

周伟旭，李永宽

(中车长春轨道客车股份有限公司 国家轨道客车工程研究中心，吉林 长春 130013)*

随着城市居住人口数量的逐年增加和汽车保有量的提高，市域内交通压力随之增大.以北京市2019年3月路网运行监测结果为例，工作日日均拥堵持续时间为3h38min［1］，交通压力显著影响了城市居民的生活效率，城市对方便快捷、节能低耗、环境友好的交通方式需求日益迫切.目前城市公共交通方式主要有道路公共交通系统、城市轨道交通系统.道路公共交通系统具有适应性强、造价低、线路规划灵活等特点，但因路况拥堵而造成效率降低.城市轨道交通如有轨电车、轻轨车、地铁等，虽然在载客量、速度等各方面有独特优势，但与道路公共交通相比投资大、运营成本高、建设周期较长，同时轨道具有专用性.表1针对道路公共交通系统、BRT、地铁、轻轨和新型轨道电车等运输方式的载客能力、路线资源、运输能力、能源环境等方面进行了总结与比较.从表中不难得出，兼顾载客能力、路线资源、运输能力、能源环境等几个方面考量，现代有轨电车和BRT系统，均在载客量(相对于普通道路公交系统)、速度(相对于其它公共交通)、成本等各方面有独特优势，已在国内一些大中城市实践［3］.但现有BRT等汽车列车多采用多铰接式，车辆曲线道路的适应性受到转向功能和铰接方式的限制，固定编组且容量有限，主要由两铰接三车厢组成，无法满足中运量客运需求.另外，车辆结构固定，无法对车厢数量进行编组，降低了道路资源使用率和乘客输送效率，而这也正是BRT形似“公交”的主要原因.

为满足路线建设成本低、地面资源占用少、市内交通压力低、绿色环保等需求，新一代虚拟轨道列车应运而生.其具有中低运量系统，且兼具有轨电车和公共汽车两者的优点，无须铺设钢轨，不破坏路面，全列由多节车厢铰接组成，具有轨迹跟随能力，可实现自动导向，采用全电驱动新型胶轮列车系统，沿用部分轨道车辆应用技术，具有项目建设周期短，基础设施投资小，调度灵活的特点，是兼顾运能与成本全新的中运量交通系统解决方案［4］.

车体是虚拟轨道列车的主要承载部件，在运行过程中，要承受各种设备载荷以及运行中纵向、横向和垂向冲击载荷的作用力，因此必须具有足够的强度和刚度，保证列车运行的安全性和平稳性.由于虚拟轨道列车以胶轮替代传统轨道车辆的转向架在普通公路上行驶，车体承载结构所受载荷条件、运行工况等与运行在钢轨上的轨道车辆车体有着明显不同，而这一类车体承载结构的可靠性校核目前尚无标准做出明确规定，研究基于轻量化前提下适应虚拟轨道列车的车体结构型式和可靠性评估方法具有重要意义.

表1 道路公共交通系统、轨道交通系统技术指标特点［2］

1 公交客车车身的发展

虚拟轨道列车为介于轨道车辆和公交客车两个行业之间的跨界产品，从走形系和运行工况来说更接近公交客车.因此，要研究虚拟轨道列车车体须首先了解公交客车的车体.

按车身承载形式，客车车身结构可分为非承载式、半承载式和承载式三大类［5］.

非承载式车身(如图1)的底盘有较强的车架，承受着安装在其上的各种载荷.车身骨架通过橡胶垫或弹簧安装在车架上，只在很小程度上承受由车架弯曲和扭转所引起的载荷.由于连接车身和车架的橡胶垫或弹簧起到一定的缓冲、隔振和降低噪声的作用，车厢内噪音低，缓冲隔振性能和乘坐舒适性较好.由于底盘单独承载，设计时必须保证车架的强度足够大，不利于车身轻量化，且车架限制了车身地板高度的降低，不适合城市客车低地板化的趋势;客车质心高，高速行驶时稳定性较差.

图1 非承载式客车的底盘及车身

半承载式车身(如图2)是车身与车架刚性连接，车身部分承载的结构形式.一般是在现有的客车专用底盘(其车架由两根前后直通的纵梁与若干横梁等组成)上将车架用若干悬臂梁加宽并与车身侧壁立柱刚性连接，使车身骨架也承担车架的一部分载荷.其优点是结构简单，可以适当地降低地板的高度，同时车身部分参与了承载，可在一定程度上减弱底架的强度和刚度，减轻客车的自身重量.但由于保留有底架，半承载式车身还是一种过渡结构，车身地板的高度受底架的限制而难以很大的降低，整车的轻量化仍受到一定的限制.

图2 客车半承载式车身

承载式客车车身(如图3)技术是德国凯斯鲍尔公司于上个世纪50年代首创，将飞机制造的整体化框架结构技术应用于客车生产，引发了客车制造业的一场技术变革.承载式车身是无独立车架，底盘由矩形钢管构成格栅式结构，底架、前围、后围、左右侧围、车顶六大片组成全封闭环结构，载荷由整个车身承受.由于没有车架，故可降低地板和整车高度，降低车身重量，提高结构强度与刚度，整车重心低，高速行驶稳定性较好.但取消了车架，导致来自道路的负载会通过悬架装置直接传给车身本体，恶化乘坐舒适性，因此对隔振降噪的设计要求较高.

图3 客车承载式车身

2 虚拟轨道列车车体设计

虚拟轨道列车由多节车厢组成，每节车厢之间通过铰接结构连接起来.为了更有利于普通乘客、老弱病残乘客乘坐，有利于减少换乘时间，提高运营效率［6］，采用100%低地板设计.从型式上看与我们通常的低地板有轨电车相似，但由于用橡胶轮替代了轨道车辆的转向架在路面行驶，因而更接近于路面运行的无轨电车，是介于轨道车辆和公交客车两个行业之间的跨界产品，车体设计须结合轨道车辆和公交客车进行.

虚拟轨道列车车体受力情况复杂，除了承受轨道客车的垂向载荷、纵向冲击载荷、架车、扭转载荷外，还须考虑公共路面下撞车、侧翻情况下车体的可靠性，同时应具有合理的动态性能以达到控制振动和噪声的目的［7-8］.

虚拟轨道列车车体设计应遵循以下原则:

第一，可靠性设计.车体必须具有足够的强度、刚度、稳定性、碰撞安全性和侧翻安全性，满足公共路权下胎轮运行工况的承载及安全要求，保证司机及旅客的出行安全.

第二，轻量化设计.为了降低能耗、增加载客量、减小路面负担，虚拟轨道列车对减重有着更高的要求.车体约占整车重量的35%，因此实现车体轻量化尤为重要.

第三，模块化设计.列车编组中头车和中间车不同车型的车体结构形式尽可能模块化设计，相同区域采用相同结构，从而简化设计、工艺，节约成本.

第四，低成本设计.尽量选用成本较低的原材料，同时设计应考虑简化工艺、降低制造成本.

第五，人性化设计.须保证列车具有良好的运行稳定性和乘坐舒适性.

基于以上原则，虚拟轨道列车车体结构选型建议如下:

首先，要实现轻量化、高强度，须从结构和材料两方面入手.车体靠底架四个支撑点支撑在四个轮胎接口上，结构上要求各部位有较好的垂向抗弯刚度.因此，主体结构宜参考公交客车车身结构中能适应低地板需求、重量轻、刚度好的承载式车身，由底架、侧墙、车顶、端墙几大部位刚性连接组成全封闭整体承载结构，所有的车身壳体构件都参与承载，互相牵连和协调，充分发挥材料的潜力，使车体质量最小而强度和刚度最大.各部位由矩形钢管或异型薄壁件构成桁架式骨架，主要受力部位的底架横梁、侧墙立柱、车顶弯梁应形成封闭环，对于因结构等原因不能形成封闭环的立柱，应在侧墙窗下横梁和底架边梁之间增加斜撑加强.在力学中，三角形最具稳定性，因此桁架式车身结构设计时应尽量使用三角形结构［9-10］.主要抗弯部位以采用矩形型钢为主，适当配合槽钢或异型薄壁件以降低重量.桁架式结构还具有被动安全性好的特点，能使整车在受力时将力迅速分解到全车各处，在车辆翻滚及相撞时保证乘客的安全空间.

仅结构优化还不能满足轻量化需求，还须从选材方面进一步实现.全钢结构虽然强度、刚度有保障，但重量方面劣势明显.可以结合有轨电车结构设计经验，使用铝型材和轻质复合材料，在承载设备载荷的车顶采用重量较轻、刚度较好的铝型材，用轻质复合材料板粘接到承载骨架上替换侧墙、端墙的钢墙板.

其次，基于模块化设计原则，统筹规划车体布局，将列车编组中头车和中间车两种车型的客室部分统一，以中间车为基础结构，头车仅在中间车的车体结构基础上增加车头部分即可.

第三，从降低成本、优化工艺考虑，钢骨架尽量选用碳钢，除了成本较不锈钢低外，其焊接变形小，焊接工艺性、成型工艺性均优于不锈钢;

第四，为了保证乘客有舒适的乘坐空间，可以在底架骨架上方焊接薄钢板，以便与内装地板间铺设隔音、隔热材，从而提高车辆隔音、隔热水平.另外，提高车体模态，避免车体与走形系发生共振也是提高列车运行品质，提高乘坐舒适性的必要措施.

3 虚拟轨道列车车体强度校核

由于虚拟轨道列车的运行条件和运行工况与公交客车更为接近，所以车体结构强度分析应主要依据公交客车的相关规定，同时不违背传统有轨电车的校核原则.

车体强度要能承受实际工况中出现的最大静载荷及动载荷，以保证其疲劳寿命.车体强度校核至少应包括车体静强度、刚度、疲劳强度、稳定性、自振频率校核，同时，基于公共路面下的胎轮行驶条件，还应校核车辆碰撞和侧翻安全性.下面对工况确定难度较大的静强度校核做出分析和建议.

车体静强度校核工况包括垂向载荷工况、纵向载荷工况、架车工况、车体与走行系连接载荷工况、车顶载荷工况、碰撞工况、侧翻工况等，除了碰撞工况和侧翻工况在传统轨道车辆中不出现外，其它工况无论是轨道车辆还是路面胶轮车辆均须考察，只是考察的具体方式依据结构和运行特点的不同而有所不同.以纵向载荷工况为例，传统的有轨电车在车头前端设置车钩，纵向力从车钩中心触发并传递，形成对车体包括铰接连接位置的拉伸和压缩载荷.而虚拟轨道列车与铰接公交客车相同，车头前端不设置车钩，纵向力通过紧急制动力施加，重点考察铰接连接位置的强度，同时，虚拟轨道列车要求能通过半径为11 m的小曲线，因此铰接连接座强度还须进行曲线通过仿真分析来校核.此外，架车工况除了考察车间架车维修的正常工况外，还需考察在特殊情况下，如车辆单轮悬空、对角轮骑障等引起的车身扭转变形.总之，车体强度校核应以列车实际运行和检修维护中有可能发生的状况为依据，确保车体能在极限工况下不破坏，保证司机和乘客的安全.

4 结论

虚拟轨道列车以多节编组、大运量的公共路权运行环境下非轮轨接触导向运输系统解决了城市日常出行的交通拥堵问题，构筑了多元化、立体化、现代化城市公共交通体系，将引领世界城市公共交通技术的发展，而保证车体承载结构的合理设计和可靠性校核是保证虚拟轨道列车良性发展的基石.本文基于轻量化前提，提出的虚拟轨道列车车体结构的设计原则、结构选型及强度校核建议还需在实践中不断摸索完善，可供类似工程参考.