100%低地板现代有轨电车轻量化研究

2021-03-02王剑博

城市轨道交通研究 2021年2期

王剑博

(中车长春轨道客车股份有限公司磁浮研究所,130062,长春//高级工程师)

100%低地板现代有轨电车具有节能、环保、投资小、载客量适中、乘坐舒适性高、后期维护费用低等特点，较广泛应用于我国武汉、上海、成都、三亚等多个城市,在解决城市核心区换乘、市郊接驳以及景区旅游观光等方面发挥了重要作用。

为降低项目土建成本，国内既有用户对100%低地板现代有轨电车的满载轴重要求一般为≤12.5 t。常见的5模块100%低地板现代有轨电车配置6轴、3个转向架，AW3(满载)工况下车辆总质量≤75 t。车辆编组后长度约为34.8 m，AW3工况下车辆载客量约为360人，按60 kg/人计算，AW0(空载)工况下车辆自重需≤53.4 t，整车面临严峻的轻量化及减重要求。

100%低地板现代有轨电车如图1所示。

图1 100%低地板现代有轨电车

通过结构优化、使用轻量化材料能够有效降低车辆自重，保证车辆满足轴重要求，同时能够有效降低车辆运行能耗，使车辆更环保。100%低地板现代有轨电车的轻量化设计包括车体的结构优化,以及车体部件轻量化材料与内饰部件材料的应用。

1 现代有轨电车车体结构轻量化设计

车体结构采用骨架承载式车身。车身包括底架、侧墙、车顶、端墙等4大部件。其中，底架受力集中，采用碳钢与不锈钢组合结构；侧墙、端墙及车顶由不锈钢弧焊、段焊或点焊而成。

通过焊接后机械加工的生产工艺保证了底架二系簧座、牵引拉杆及铰接安装座等部件的关键尺寸精度。通过使用车体总组成工装，保证了整车尺寸精度。

侧墙、车顶、端墙组成后，利用整车总组成工装与底架组成整车，焊接设备安装采用小件，从而完成车体结构生产。

车体几何模型如图2所示。

图2 车体几何模型

车体使用的材料为高强度碳钢材料S355、铸钢ZG25MnNi、不锈钢SUS301L-DLT/ST、不锈钢X2CrNiN18-7以及少量的09CuPCrNi-A。车体材料特性如表1所示。

表1 车体材料特性

车体结构静强度根据EN 12663-1：2010《铁路应用——铁道车辆车体的结构要求》[1]进行评定。该标准规定：在所有静强度计算工况作用下，车体各部件的应力均不得大于部件所用材料的许用应力，其安全系数按1.0进行考虑。

车体结构疲劳强度根据EN 12663-1：2010《铁路应用——铁道车辆车体的结构要求》进行评定。本文中车体结构疲劳分析的基本工况共13个，组合后疲劳计算工况共24个。车体结构的疲劳强度根据标准DVS 1612：2014《铁道车辆结构中的钢焊接接头的设计和疲劳程度》[2]进行评估。

采用DVS1612：2014校核车体结构的疲劳强度时，选取平行于焊缝(母材)的主应力σp、垂直于焊缝(母材)的主应力σv及焊缝(母材)的剪应力τ等3个变量，并按式(1)检验车体结构3个方向的应力值。

(1)

式中：

σp，zul——平行于焊缝的最大许用正交应力;

σv，zul——垂直于焊缝的最大许用正交应力；

τzul——平行于焊缝的最大许用剪切应力。

建立车体结构有限元模型时，凡是对该车体整体刚度及局部强度有贡献的结构，都应予以考虑。车体结构模型的构成以四节点薄壳单元为主，三节点薄壳单元为辅，局部如枕梁、铰接装置等采用了实体单元进行模拟。

利用Ansys软件对车体结构的静强度进行分析。车体静强度计算云图如图3所示。图3中，车体结构静强度的最大应力值出现在Mc(带司机室的动力车)的3点支撑工况中，约为324.44 N/mm2；最大应力区域材料为ZG25MnNi，屈服强度≥355 N/mm2；安全系数为1.094，满足标准要求。

图3 车体静强度计算云图

利用FATEVAS软件提取车体结构焊缝(母材)单元3个方向的主应力值并进行应力系数评估，其应力系数均小于1，满足标准要求。

车体焊缝疲劳强度计算云图如图4所示。由图4可知，车体焊缝疲劳强度最大值出现在F车(悬浮车，具体指车辆编组中的第2、4车)2位端车门与底架连接处，其应力系数为0.969。

图4 车体焊缝疲劳强度计算云图

车体母材疲劳强度计算云图如图5所示。由图5可知，车体母材疲劳强度最大值出现在Mc车2位端底架二系簧安装面处，其应力系数为0.923。

图5 车体母材疲劳强度计算云图

2 车体部件轻量化材料的应用

2.1 车体外墙板

车体外墙板采用碳纤维复合材料，总厚度为6 mm。其中，外墙板外层为0.5 mm厚碳纤维板，中间为5 mm厚PVC材料。外墙板所用材料以及胶均为优质环保材料，符合TB/T 3139—2006《机车车辆内装材料及室内空气有害物质限量》[3]的要求。

碳纤维复合车体外墙板具有轻量化、自带涂装、隔音性好、隔热性能好等特点。车体外墙板材料特性如表2所示。

表2 车体外墙板材料特性

车体外墙板采用粘接方式与车体结构固定到一起。粘接后确保整车强度满足EN 12663-1:2010《铁道应用——轨道车身的结构要求》标准的要求。

对整车车体结构进行有限元网格划分。车体钢结构模型以四节点薄壳单元为主，粘接胶及侧墙板采用Solid实体单元进行模拟。整车侧墙板安装有限元模型如图6所示。

图6 整车侧墙板安装有限元模型

车体外墙板粘接强度计算云图如图7所示。通过在设定工况下的仿真分析可知，侧墙板粘接胶最大拉伸应力为0.33 MPa，出现在Mc车2位端车窗右上角区域；最大剪切应力为0.333 MPa，出现在Mc车2位端车窗上方区域。

图7 车体外墙板粘接强度计算云图

粘接用胶(以B0stik ISR70-03为参考)的拉伸强度约为2.6 MPa,剪切强度约为2.5 MPa，拉伸强度安全系数为7.88，剪切强度安全系数为7.51，粘接强度满足标准要求。

2.2 车顶复合板

车体车顶采用PET复合板，总厚度为22 mm，外层为1 mm厚铝板，中间为20 mm厚PET发泡材料。

车顶复合顶板满足EN 12663标准要求。具体要求如下：

1) 静态：纵向±3g，横向±1g，垂向(1±c)g。c为安装于车体上设备的垂向加速度位置修正值。其中，c在车端为2，c在车辆中心为接近0.5的线性值。

2) 动态：纵向±0.2g，横向±0.15g，垂向(1±0.18)g。

3) 额外的载荷：允许2人站在复合板上平面，每人75 kg，工具25 kg，每人占用面积为100 mm×300 mm，安全系数为1.5。

车顶复合板粘接强度计算云图如图8所示。通过在设定工况下的仿真分析可知，车顶复合板粘接胶最大拉伸应力为2.076 MPa，拉伸强度安全系数为1.2，最大剪切应力为1.34 MPa，剪切强度安全系数为1.87。

图8 车顶复合板粘接强度计算云图

3 车体内饰部件轻量化材料的应用

3.1 客室座椅轻量化材料的应用

客室座椅骨架使用镁铝合金材料(牌号为AZ31B)，座椅面板使用玻璃钢材料。为提高镁铝合金内部骨架的防腐性能，要求座椅内部骨架整体焊接后进行钝化,并在钝化后表面喷漆处理。

横向座椅使用车体在转向架上方的方箱进行安装，纵向座椅使用车体上焊接的滑槽进行安装。

座椅安装结构示意如图9所示。

图9 座椅安装结构示意图

客室座椅及安装结构强度计算云图如图10所示。由图10可知，客室座椅结构在静强度载荷工况下，车体钢结构、钢结构安装座及座椅骨架的最大应力分别为65.2 MPa、54.4 MPa、32.8 MPa，安全系数分别为2.85、5.25、3.20，满足UIC 566—1990《客车车体及其零部件的载荷》[4]标准要求。