□呂元穎

上海阿爾斯通交通設(shè)備有限公司 上海 200245

上海松江100%低地板有軌電車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

□呂元穎

上海阿爾斯通交通設(shè)備有限公司 上海 200245

介紹了上海松江100%低地板有軌電車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、設(shè)計(jì)要求、材料選型，通過(guò)有限元方法對(duì)各種靜載和動(dòng)載工況下的車(chē)體模型進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算分析，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果，使車(chē)體結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。

松江有軌電車(chē)是上海首個(gè)國(guó)產(chǎn)化100%低地板有軌電車(chē)項(xiàng)目，采用當(dāng)今世界最先進(jìn)的Citadis車(chē)型，具有全車(chē)地板低、縱向無(wú)斜坡、爬坡能力強(qiáng)、可通過(guò)水平小半徑彎道等特點(diǎn)。車(chē)體作為有軌電車(chē)的關(guān)鍵部位，是旅客乘坐和司機(jī)駕駛的載體。除了需要承載所有內(nèi)外飾部件和機(jī)電設(shè)備之外，還需要承受各種動(dòng)靜載荷與振動(dòng)，并能適應(yīng)不同速度下的運(yùn)行工況。因此，有軌電車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料選用尤為重要[1-2]。

1 車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 車(chē)體設(shè)計(jì)基本要求

作為車(chē)輛的承載結(jié)構(gòu)件，車(chē)體設(shè)計(jì)時(shí)除了需要考慮高強(qiáng)度、輕量化、模塊化、安全性、舒適性和可靠性外，還需要考慮維修方便、全生命周期維護(hù)成本低，并兼顧車(chē)體外部造型、內(nèi)外裝飾、低地板實(shí)現(xiàn)、設(shè)備安裝、乘客視野和承載能力等綜合因素。松江有軌電車(chē)車(chē)體要求采用整體承載結(jié)構(gòu)，材料選用大型中空擠壓鋁型材和合金鋼，車(chē)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求符合EN12663等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 車(chē)輛編組形式

松江有軌電車(chē)車(chē)輛編組共有5個(gè)模塊組成，如圖1所示。其中，M1、M2模塊為帶司機(jī)室的動(dòng)車(chē)，C1、C2模塊為懸浮車(chē)，NP模塊為拖車(chē)，模塊之間采用鉸接和貫通道進(jìn)行連接，方便連掛、解編與擴(kuò)編。車(chē)輛編組形式為-M1+C1+NP+C2+M2-，其中，-為牽引拉桿，+為鉸接和貫通道。

圖1 車(chē)輛編組形式

1.3 各模塊車(chē)體結(jié)構(gòu)

M1、M2模塊車(chē)體由前端底架、底架、車(chē)頂、側(cè)墻、端墻組成，兩側(cè)各設(shè)1個(gè)單門(mén)和2個(gè)側(cè)窗。C1、C2模塊車(chē)體由底架、車(chē)頂、側(cè)墻、端墻組成，兩側(cè)各設(shè)2個(gè)雙門(mén)和1個(gè)側(cè)窗。NP模塊車(chē)體由底架、車(chē)頂、側(cè)墻、端墻組成，兩側(cè)各設(shè)2個(gè)側(cè)窗。每種模塊車(chē)體均由組焊部件通過(guò)鉚接和緊固件組裝而成。各模塊車(chē)體通過(guò)CATIA三維軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)[3]，如圖2～圖4所示。

圖2 M1、M2模塊車(chē)體

圖3 C1、C2模塊車(chē)體

圖4 NP模塊車(chē)體

M1、M2、NP模塊車(chē)體底架連接轉(zhuǎn)向架，整體選用高強(qiáng)度合金鋼材料。從結(jié)構(gòu)布局上看，中間采用無(wú)縱向坡道低地板走廊結(jié)構(gòu)，兩側(cè)各設(shè)計(jì)2個(gè)方盒結(jié)構(gòu)以避讓轉(zhuǎn)向架彈性輪和電動(dòng)機(jī)等部件。這4個(gè)方盒同時(shí)又可布置客室固定座椅，滿足整體布局及舒適性要求，如圖5所示。

C1、C2模塊底架主要選用大斷面鋁型材組焊結(jié)構(gòu)，滿足大面積站員需求，如圖6所示。

各模塊車(chē)頂均采用鋁型材組焊結(jié)構(gòu)，用于牽引、輔逆、空調(diào)、收電弓等機(jī)電設(shè)備安裝；車(chē)體兩側(cè)均采用半徑為10 m的圓弧造型；門(mén)窗立柱采用鋁型材加熱模壓成型工藝。

圖5 鋼底架

圖6 鋁底架

2 主要技術(shù)參數(shù)

2.1 車(chē)輛總體技術(shù)參數(shù)

根據(jù)上海松江100%低地板有軌電車(chē)項(xiàng)目要求，車(chē)輛總體主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 車(chē)輛總體主要技術(shù)參數(shù)

2.2 各模塊車(chē)體技術(shù)參數(shù)

根據(jù)車(chē)輛總體主要技術(shù)參數(shù)及車(chē)輛限界要求來(lái)制定各模塊車(chē)體主要技術(shù)參數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 各模塊車(chē)體主要技術(shù)參數(shù)

2.3 載客工況

根據(jù)車(chē)輛座椅布局和客室地板面積計(jì)算獲得各種載客工況人數(shù)及質(zhì)量，每人按61 kg進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)表3。

表3 載客工況

2.4 車(chē)體撓度要求

在各靜載工況要求中，底架下?lián)隙炔粦?yīng)超過(guò)1.5 mm/m。因此，M1、M2模塊車(chē)體底架長(zhǎng)度為4 935.5 mm，撓度不得超過(guò)7.4 mm；C1、C2模塊車(chē)體底架長(zhǎng)度為5 584.5 mm，撓度不得超過(guò)8.4 mm；NP模塊車(chē)體底架長(zhǎng)度為3 892 mm，撓度不得超過(guò)5.8 mm。

3 車(chē)體選用材料

為滿足各種工況要求，并結(jié)合各部位特點(diǎn)，松江有軌電車(chē)所有模塊車(chē)體主要采用合金鋼和鋁合金（鋁型材）兩種材料[4]。

3.1 合金鋼

合金鋼具備抗拉、屈服強(qiáng)度高及承載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。M1、M2、NP模塊車(chē)體底架為滿足高承載能力和轉(zhuǎn)向架接口沖擊力設(shè)計(jì)要求，采用高強(qiáng)度合金鋼RCS355和RCS450。M1、M2模塊前端底架為滿足15 km/h碰撞設(shè)計(jì)要求，采用高強(qiáng)度合金鋼RCS450。各模塊車(chē)體端墻及車(chē)體底架端部鉸接座為滿足鉸接軸承及貫通道等受力件設(shè)計(jì)要求，采用高強(qiáng)度合金鋼RCS355。

3.2 鋁合金

鋁合金具備密度低、耐腐蝕性強(qiáng)、加工性能好、焊接方便、組焊后整體承載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。C1、C2模塊車(chē)體底架為滿足大面積站員承載及平整度要求，采用鋁型材6005A-T6組焊結(jié)構(gòu)。所有模塊車(chē)體車(chē)頂為滿足機(jī)電設(shè)備安裝及平整度要求，同樣選用鋁型材6005A-T6組焊結(jié)構(gòu)。所有模塊車(chē)體側(cè)墻和門(mén)窗立柱為滿足整體承載能力要求，采用強(qiáng)度較6005A-T6組焊結(jié)構(gòu)更高的鋁型材6082-T6結(jié)構(gòu)[5]。

3.3 各種材料性能參數(shù)

車(chē)體結(jié)構(gòu)中使用材料的母材及其焊縫區(qū)域材料性能參數(shù)見(jiàn)表4。

車(chē)體材料在1 000萬(wàn)次疲勞工況中，母材的主要拉伸和壓縮應(yīng)力值不得超過(guò)古德曼圖表（半變差）中的值[6]，見(jiàn)表5。各種材料焊接區(qū)域1 000萬(wàn)次疲勞標(biāo)準(zhǔn)按照有軌電車(chē)車(chē)體經(jīng)驗(yàn)執(zhí)行。

表4 材料性能參數(shù) MPa

表5 車(chē)體材料母材疲勞強(qiáng)度參數(shù) MPa

4 車(chē)體強(qiáng)度計(jì)算

4.1 有限元模型建立

按照車(chē)體三維模型結(jié)構(gòu)，采用有限元軟件分別對(duì)M和C模塊車(chē)體進(jìn)行有限元建模[7]。對(duì)于型材和板材零部件，網(wǎng)格主要由四節(jié)點(diǎn)薄殼件組成。大型組件中復(fù)雜零部件的模型是四節(jié)點(diǎn)四面體實(shí)體單元，簡(jiǎn)單零部件的模型是八節(jié)點(diǎn)立方實(shí)體單元[8,9]。M模塊車(chē)體包含約54萬(wàn)個(gè)單元、36萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)，C模塊車(chē)體包含約61萬(wàn)個(gè)單元、41萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)。螺栓和鉚釘使用二節(jié)點(diǎn)的梁進(jìn)行建模，具有適當(dāng)?shù)哪Ａ拷孛婧蛻T性，它們通過(guò)剛性連接與孔的邊緣（鉚釘）或墊圈接觸面（螺釘和螺栓）相連。兩個(gè)車(chē)體模型原點(diǎn)都設(shè)定在二位端鉸接中心線處的軌面上，其中，車(chē)體縱向由原點(diǎn)指向一位端為X軸正向，車(chē)體橫向由原點(diǎn)指向二位側(cè)為Y軸正向，車(chē)體垂向由原點(diǎn)指向車(chē)頂為Z軸正向。車(chē)體結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖7和圖8所示。

圖7 M模塊車(chē)體有限元模型

圖8 C模塊車(chē)體有限元模型

4.2 邊界條件

為模擬有軌電車(chē)實(shí)際工況，在計(jì)算前需要對(duì)車(chē)體模型設(shè)定邊界條件。在M模塊車(chē)體模型中，需要在二系鋼簧、固定鉸接、轉(zhuǎn)動(dòng)鉸接處設(shè)約束。其中，二系鋼簧水平剛度為35 daN/mm，垂直剛度為40 daN/mm。在C模塊車(chē)體模型中，需要在固定鉸接、轉(zhuǎn)動(dòng)鉸接處設(shè)約束。

4.3 計(jì)算結(jié)論

根據(jù)EN12663要求，對(duì)M和C模塊車(chē)體進(jìn)行靜載和疲勞工況計(jì)算[10]，分別取M1模塊和C1模塊的整備質(zhì)量作計(jì)算。

M模塊車(chē)體計(jì)算結(jié)論如下。

（1）各靜載工況中，不同部位母材和焊接部位應(yīng)力值均小于許用應(yīng)力，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）車(chē)體底架下?lián)隙茸畲笾党霈F(xiàn)在1.2×(AW3+整備)靜載工況，下?lián)隙戎禐?.2 mm，小于7.4 mm，滿足要求。如圖9所示。

（3）在AW3+整備靜載工況中，兩側(cè)單門(mén)立柱之間尺寸彈性擴(kuò)張1.4 mm，小于6 mm的要求；兩側(cè)窗立柱之間尺寸彈性擴(kuò)張2.25 mm，小于6 mm的要求；單門(mén)立柱垂向最大彈性變形0.03 mm，小于3 mm的要求；窗立柱垂向最大彈性變形2.54 mm，小于5 mm的要求；單側(cè)門(mén)窗立柱之間最大彈性變形0.77 mm，小于1 mm的要求；單門(mén)立柱對(duì)角線最大彈性變形0.21 mm，小于2.5 mm的要求；窗柱最大對(duì)角線彈性變形1.98 mm，小于3 mm的要求。

（4）各疲勞工況中，不同部位母材和焊接部位應(yīng)力值均小于疲勞強(qiáng)度要求。

C模塊車(chē)體計(jì)算結(jié)論如下。

（1）各靜載工況中，不同部位母材和焊接部位應(yīng)力值均小于許用應(yīng)力，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）車(chē)體底架下?lián)隙茸畲笾党霈F(xiàn)在1.2×(AW3+整備)靜載工況，下?lián)隙戎禐?.89 mm，小于8.4 mm，滿足要求。如圖10所示。

（3）在AW3+整備靜載工況中，兩側(cè)雙門(mén)立柱之間尺寸彈性擴(kuò)張3.94 mm，小于6 mm的要求；雙門(mén)立柱垂向最大彈性變形2.35 mm，小于3 mm的要求；單側(cè)門(mén)立柱之間最大彈性變形0.78 mm，小于1 mm的要求；門(mén)立柱對(duì)角線最大彈性變形1.8 mm，小于2.5 mm的要求。

（4）各疲勞工況中，不同部位母材和焊接部位應(yīng)力值均小于疲勞強(qiáng)度要求。

圖9 M模塊車(chē)體計(jì)算模型圖

圖10 C模塊車(chē)體計(jì)算模型圖

5 車(chē)體強(qiáng)度試驗(yàn)

車(chē)體強(qiáng)度試驗(yàn)是驗(yàn)證車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選用材料的關(guān)鍵步驟，是驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的有力依據(jù)。按照工況要求，分別對(duì)M、C、NP模塊車(chē)體組成樣件進(jìn)行各項(xiàng)靜載和動(dòng)載試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，車(chē)體各部位母材和焊接部位的應(yīng)力值均小于許用應(yīng)力，滿足靜載和疲勞強(qiáng)度要求。其中，M模塊車(chē)體底架下?lián)隙茸畲笾禐? mm，小于7.4 mm的要求；C模塊車(chē)體底架下?lián)隙茸畲笾禐?.8 mm，小于8.4 mm的要求；NP模塊車(chē)體底架下?lián)隙茸畲笾禐?.1 mm，小于5.8 mm的要求。另外，車(chē)體門(mén)窗立柱彈性變形量也在要求范圍之內(nèi)，試驗(yàn)如圖11所示。

圖11 車(chē)體強(qiáng)度試驗(yàn)

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)模型計(jì)算和樣件試驗(yàn)，證明上海松江100%低地板有軌電車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合靜載和動(dòng)載要求，待首列松江有軌電車(chē)試運(yùn)行后可進(jìn)一步對(duì)車(chē)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行跟蹤研究分析。另外，作為重要承載部件，車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍需要從輕量化、高強(qiáng)度、模塊化、安全性、舒適性、可靠性和可維護(hù)性等角度進(jìn)行優(yōu)化和創(chuàng)新，以及結(jié)合制造、加工、焊接、鉚接和總組成等工藝領(lǐng)域，提升車(chē)體生產(chǎn)能力，這些都將為今后100%低地板有軌電車(chē)批量國(guó)產(chǎn)化制造奠定基礎(chǔ)。

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Presented an introduction on structure characteristics,design requirements and material selection for a 100%lowfloor tramcar body in Songjiang,Shanghai.The finite element method was adopted to perform the strength calculation and analysis for the coach model under a variety of static and dynamic load conditions and the calculated results were verified bytests,sothat the bodystructure could meet the design requirements.

有軌電車(chē)；車(chē)體結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)

Tramcar；Coach Structure；Design

TH122；U260.32

A

1672-0555（2016）04-001-06

*國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：2015BAG19B02）

2016年7月

呂元穎（1984—），男，碩士，工程師，主要從事軌道交通車(chē)輛研發(fā)設(shè)計(jì)工作