低地板有轨电车车体设计要点分析

李炳升

摘 要：低地板有轨电车作为重要的城市交通运输工具，以其乘客量大、环保节能、更小曲线通过能力和较高的性价比等优势被我国各大城市大量引进[1]。本文从车体结构材料选择、车体间的连接方式及车体与转向架空间关系等方面概述了低地板车辆车体设计的要点，并以100%低地板有轨电车车体设计为例介绍了各个设计阶段采用的仿真、试验方法，为低地板有轨电车车体设计提供支持。

关键词：低地板 车体材料 连接形式 空间关系 试验方法

低地板有轨电车，通常指地板面距离轨面高度300-400mm之间的城市轻轨车辆。从上世纪80年代开始，低地板轻轨电车在欧美、澳大利亚和日本等国家和地区迅速发展[2]。现代有轨电车系统与地铁系统相比，造价低、建设周期短、运营费用低及维修方便;与公交系统相比，运能大、速度快、无污染、乘坐舒适度高及使用寿命长[3]。

低地板有轨电车在都市核心区可作为附加线，发挥其灵活编组、地形适应能力强的优势;而在都市拓展区，可以与轨道交通相互协作，构建多层次公交系统;也可以作为旅游交通串联景区，甚至成为高铁站等城市特殊功能区的连接线路[4]。

目前国内低地板轻轨交通迅速发展，在北京、上海、广州、天津和成都等近20个城市已经修建了有轨电车线路，超过40个城市规划修建有轨电车线路。

作为有轨电车的重要承载部件，车体不仅要求具有足够的强度和刚度，还要求轻量化和耐腐蚀，在城市里运行，还要兼具美观性[5]。因此需要从设计阶段对车体结构进行合理规划。

1 车体设计要点

1.1 材料选择

车体结构是由底架、侧墙、端墙和车顶构成的整体承载结构。低地板车体最初采用耐候钢材料，后来多采用不锈钢、中空闭口挤压铝型材的铝合金材料以减轻自重并防腐。近些年来，复合材料加贴面结构逐渐在低地板车体上运用。

车体强度需满足承受的动载荷、静载荷以及冲击载荷要求，并在架车、起吊、救援、调车、联挂作业工况下，车体应力不允许超过设计许用应力值，不得产生永久变形及损坏。为满足低地板车辆制造低成本与运行低耗能，实现车辆快速起停，在确保有足够的强度和刚度的前提下实现轻量化设计，100%低地板钢铝混合铆接车体应运而生。

100%低地板钢铝混合铆接车体可充分发挥不同材料的机械性能，以实现轻量化结构设计。其主要结构特点：底架是钢焊接结构，在转向架與车端主要承载区采用钢制骨架;侧墙、车顶及端墙则为铝合金焊接结构[6]。由于焊接工艺的局限性，铝合金和碳钢结构连接主要采用铆接和粘接两种方式[7-8]。在底架与侧墙、铰接装置与车顶、车顶与侧墙以及车顶与端墙之间要通过铆接或螺栓连接。车体各模块采用螺栓和铆钉搭配连接，有利于根据结构和性能需求选取更合适的材质[6]。

车体结构合理性可采用车体静强度与疲劳强度试验方式验证，多分为有限元模型仿真与现车试验方式两种。实际生产中多在设计阶段采用有限元仿真计算，分析对车辆实际运营工况，并采用相关标准计算车体静强度与疲劳强度，得到复杂工况下（既考虑了车辆正常运营状态下整体受力情况，也包含了车辆的局部载荷[9]）车体的高应力区域与高安全等级区域，指导车体进行局部增强或削弱设计。某车型低地板车体有限元仿真模型如图1所示。车体生产装配完成后，对整车进行静强度与疲劳强度试验。

对有限元仿真结果与相同工况下车体静强度与疲劳强度试验得到的同区域应力对比，以确保车体结构的合理性。

1.2 车体间连接形式

低地板车辆采用编组运行。其中100%低地板车辆多为5节编组，其常见编组形式为：=MC1+F1+TP+F2+MC2=。

其中，=表示车钩;

+表示铰接装置;

MC表示带司机室和转向架的动车。

F表示不带转向架的浮车;

TP表示带受电弓和转向架的拖车[3];

图3所示为100%低地板车体TP车、F车和MC车的车体模型示意。

头车MC1车和MC2车车体结构基本相同，安装有动车转向架。中间TP车是一个较短的车辆模块，安装有拖车转向架，并装有受电弓。浮车F1车和F2车车体结构基本相同，铰接在MC1-TP和TP-MC2之间。

低地板列车车辆一般只在司机室端配置车钩，车钩主要用于救援及牵引调拉车，而车体间的连接形式多使用铰接，使结构更加紧凑并有利于模块化设计。铰接结构需满足以下要求：

1）曲线通过时平稳顺利;

2）传递相邻车体铰接处的牵引、制动等动态载荷;

3）能够依靠中央悬挂来柔度适应小曲线;

4）连接铰能够适当地阻止车体晃动[10]。

铰接装置须满足在通过最不利工况组合时的线路（竖曲线、水平曲线和车辆不同运行速度）时不能出现损坏、遏止活动的现象，并与车辆在各种运行条件下通过曲线的运动性能相适应。为此车体间连接多分为上部铰接和下部铰接，配合使用以满足车辆动力学要求。

列车通过曲线时，车体的位置不仅取决于转向架的中心位置及转向架与车体的是否存在回转约束，还取决于车体之间的铰接布置形式。图4所示为一种低地板车辆铰接结构布置形式。

车体设计阶段，往往通过车辆均衡计算以合理搭配车体间的连接形式，合理分配车辆间铰接力和不同车型的轴重配置。

1.3 车体与转向架空间关系

由于低地板车辆特殊的结构形式，车体与转向架空间关系尤其紧张[11]，铝合金车体结构由多块铝合金型材组焊而成，相对传统板梁结构需要更多的空间。因此需要在设计阶段分析车辆各种运行工况，并考虑复合工况下车辆的运行轨迹，分析车体与转向架的装配情况，降低设计和试制阶段干涉的可能性。图5所示为某型低地板车辆车体底架与转向架三维装配示意图。

车体与转向架的相对位置变化主要受线路条件，转向架的参数选择，车辆载荷的变化三个因素影响。为验证车体与转向架的空间关系及干涉情况，可建立车体和转向架三维模型并装配。结合实际运行线路、工况要求对车体和转向架进行旋转、移动等模拟，测量车体与转向架之间间隙。在考虑车体与转向架的制造误差、二系弹簧的弹性间隙、安全间隙，保证车辆正常行驶的干涉余量情况下，验证复杂工况下的干涉风险，指导车体与转向架结构局部调整[11]。

另外，设计阶段应避免车体结构的振动频率与转向架的振动频率接近，以免产生共振。

2 结论

本文主要从车体材料选择、车体连接形式、车体与转向架的空间关系三个方面概述了低地板车辆车体设计的要点，并以100%低地板车体设计为例介绍了各个设计阶段采用的仿真、试验方法，为之后车体设计方案建立，设计验证和进行车体局部设计优化提供帮助。

参考文献：

[1]张猛，张春玉，李本怀.100%低地板车体铰接式有轨电车疲劳性能研究[J].大连交通大学学报.2019，40（2）：25-28.

[2]李芾，张丽平，黄运华.城市轻轨车辆发展及其应用前景[J].西南交通大学学报，2002，02：111-116.

[3]王润姣.100%低地板现代有轨电车车体设计研究[J].技术装备，2020（1）：16-20.

[4]李芾，张丽平，黄运华.城市轻轨车辆发展及其应用前景[J].西南交通大学学报，2002，02：111-116.

[5]李冬奎，李佳.重庆市现代有轨电车发展适应性 研究[J].低碳世界，2016，107（05）：186-187.

[6]温朋哲.100%低地板钢铝混合铆接车体强度可视化研究[D].西南交通大学，2018.4.

[7]臧兰兰，钟恩洋，王天宇.3节编组100%低地板有轨电车车体设计[J].技术装备.2020（3）：25-29.

[8]劉宏也，李明明.低地板车体静强度分析[J].技术应用，2019，26（12）：59-61.

[9]王忠杰.国内现代有轨电车技术特征分析[J].装备机械.2014，（3）：7-11.

[10]黄龙.山地城市低地板有轨电车动力学性能及优化研究[D].重庆交通大学，2020.6.

[11]潘登，陈赞平，刘永强，邱淑娟.100%低地板车体与转向架干涉分析[J].工业技术，2020.18（095）：95-96.