周偉旭，李永寬

(中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司 國(guó)家軌道客車工程研究中心，吉林 長(zhǎng)春 130013)*

隨著城市居住人口數(shù)量的逐年增加和汽車保有量的提高，市域內(nèi)交通壓力隨之增大.以北京市2019年3月路網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)結(jié)果為例，工作日日均擁堵持續(xù)時(shí)間為3h38min［1］，交通壓力顯著影響了城市居民的生活效率，城市對(duì)方便快捷、節(jié)能低耗、環(huán)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統(tǒng)、城市軌道交通系統(tǒng).道路公共交通系統(tǒng)具有適應(yīng)性強(qiáng)、造價(jià)低、線路規(guī)劃靈活等特點(diǎn)，但因路況擁堵而造成效率降低.城市軌道交通如有軌電車、輕軌車、地鐵等，雖然在載客量、速度等各方面有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但與道路公共交通相比投資大、運(yùn)營(yíng)成本高、建設(shè)周期較長(zhǎng)，同時(shí)軌道具有專用性.表1針對(duì)道路公共交通系統(tǒng)、BRT、地鐵、輕軌和新型軌道電車等運(yùn)輸方式的載客能力、路線資源、運(yùn)輸能力、能源環(huán)境等方面進(jìn)行了總結(jié)與比較.從表中不難得出，兼顧載客能力、路線資源、運(yùn)輸能力、能源環(huán)境等幾個(gè)方面考量，現(xiàn)代有軌電車和BRT系統(tǒng)，均在載客量(相對(duì)于普通道路公交系統(tǒng))、速度(相對(duì)于其它公共交通)、成本等各方面有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，已在國(guó)內(nèi)一些大中城市實(shí)踐［3］.但現(xiàn)有BRT等汽車列車多采用多鉸接式，車輛曲線道路的適應(yīng)性受到轉(zhuǎn)向功能和鉸接方式的限制，固定編組且容量有限，主要由兩鉸接三車廂組成，無(wú)法滿足中運(yùn)量客運(yùn)需求.另外，車輛結(jié)構(gòu)固定，無(wú)法對(duì)車廂數(shù)量進(jìn)行編組，降低了道路資源使用率和乘客輸送效率，而這也正是BRT形似“公交”的主要原因.

為滿足路線建設(shè)成本低、地面資源占用少、市內(nèi)交通壓力低、綠色環(huán)保等需求，新一代虛擬軌道列車應(yīng)運(yùn)而生.其具有中低運(yùn)量系統(tǒng)，且兼具有軌電車和公共汽車兩者的優(yōu)點(diǎn)，無(wú)須鋪設(shè)鋼軌，不破壞路面，全列由多節(jié)車廂鉸接組成，具有軌跡跟隨能力，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)向，采用全電驅(qū)動(dòng)新型膠輪列車系統(tǒng)，沿用部分軌道車輛應(yīng)用技術(shù)，具有項(xiàng)目建設(shè)周期短，基礎(chǔ)設(shè)施投資小，調(diào)度靈活的特點(diǎn)，是兼顧運(yùn)能與成本全新的中運(yùn)量交通系統(tǒng)解決方案［4］.

車體是虛擬軌道列車的主要承載部件，在運(yùn)行過(guò)程中，要承受各種設(shè)備載荷以及運(yùn)行中縱向、橫向和垂向沖擊載荷的作用力，因此必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度，保證列車運(yùn)行的安全性和平穩(wěn)性.由于虛擬軌道列車以膠輪替代傳統(tǒng)軌道車輛的轉(zhuǎn)向架在普通公路上行駛，車體承載結(jié)構(gòu)所受載荷條件、運(yùn)行工況等與運(yùn)行在鋼軌上的軌道車輛車體有著明顯不同，而這一類車體承載結(jié)構(gòu)的可靠性校核目前尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)做出明確規(guī)定，研究基于輕量化前提下適應(yīng)虛擬軌道列車的車體結(jié)構(gòu)型式和可靠性評(píng)估方法具有重要意義.

表1 道路公共交通系統(tǒng)、軌道交通系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)特點(diǎn)［2］

1 公交客車車身的發(fā)展

虛擬軌道列車為介于軌道車輛和公交客車兩個(gè)行業(yè)之間的跨界產(chǎn)品，從走形系和運(yùn)行工況來(lái)說(shuō)更接近公交客車.因此，要研究虛擬軌道列車車體須首先了解公交客車的車體.

按車身承載形式，客車車身結(jié)構(gòu)可分為非承載式、半承載式和承載式三大類［5］.

非承載式車身(如圖1)的底盤有較強(qiáng)的車架，承受著安裝在其上的各種載荷.車身骨架通過(guò)橡膠墊或彈簧安裝在車架上，只在很小程度上承受由車架彎曲和扭轉(zhuǎn)所引起的載荷.由于連接車身和車架的橡膠墊或彈簧起到一定的緩沖、隔振和降低噪聲的作用，車廂內(nèi)噪音低，緩沖隔振性能和乘坐舒適性較好.由于底盤單獨(dú)承載，設(shè)計(jì)時(shí)必須保證車架的強(qiáng)度足夠大，不利于車身輕量化，且車架限制了車身地板高度的降低，不適合城市客車低地板化的趨勢(shì);客車質(zhì)心高，高速行駛時(shí)穩(wěn)定性較差.

圖1 非承載式客車的底盤及車身

半承載式車身(如圖2)是車身與車架剛性連接，車身部分承載的結(jié)構(gòu)形式.一般是在現(xiàn)有的客車專用底盤(其車架由兩根前后直通的縱梁與若干橫梁等組成)上將車架用若干懸臂梁加寬并與車身側(cè)壁立柱剛性連接，使車身骨架也承擔(dān)車架的一部分載荷.其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以適當(dāng)?shù)亟档偷匕宓母叨?，同時(shí)車身部分參與了承載，可在一定程度上減弱底架的強(qiáng)度和剛度，減輕客車的自身重量.但由于保留有底架，半承載式車身還是一種過(guò)渡結(jié)構(gòu)，車身地板的高度受底架的限制而難以很大的降低，整車的輕量化仍受到一定的限制.

圖2 客車半承載式車身

承載式客車車身(如圖3)技術(shù)是德國(guó)凱斯鮑爾公司于上個(gè)世紀(jì)50年代首創(chuàng)，將飛機(jī)制造的整體化框架結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用于客車生產(chǎn)，引發(fā)了客車制造業(yè)的一場(chǎng)技術(shù)變革.承載式車身是無(wú)獨(dú)立車架，底盤由矩形鋼管構(gòu)成格柵式結(jié)構(gòu)，底架、前圍、后圍、左右側(cè)圍、車頂六大片組成全封閉環(huán)結(jié)構(gòu)，載荷由整個(gè)車身承受.由于沒(méi)有車架，故可降低地板和整車高度，降低車身重量，提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度，整車重心低，高速行駛穩(wěn)定性較好.但取消了車架，導(dǎo)致來(lái)自道路的負(fù)載會(huì)通過(guò)懸架裝置直接傳給車身本體，惡化乘坐舒適性，因此對(duì)隔振降噪的設(shè)計(jì)要求較高.

圖3 客車承載式車身

2 虛擬軌道列車車體設(shè)計(jì)

虛擬軌道列車由多節(jié)車廂組成，每節(jié)車廂之間通過(guò)鉸接結(jié)構(gòu)連接起來(lái).為了更有利于普通乘客、老弱病殘乘客乘坐，有利于減少換乘時(shí)間，提高運(yùn)營(yíng)效率［6］，采用100%低地板設(shè)計(jì).從型式上看與我們通常的低地板有軌電車相似，但由于用橡膠輪替代了軌道車輛的轉(zhuǎn)向架在路面行駛，因而更接近于路面運(yùn)行的無(wú)軌電車，是介于軌道車輛和公交客車兩個(gè)行業(yè)之間的跨界產(chǎn)品，車體設(shè)計(jì)須結(jié)合軌道車輛和公交客車進(jìn)行.

虛擬軌道列車車體受力情況復(fù)雜，除了承受軌道客車的垂向載荷、縱向沖擊載荷、架車、扭轉(zhuǎn)載荷外，還須考慮公共路面下撞車、側(cè)翻情況下車體的可靠性，同時(shí)應(yīng)具有合理的動(dòng)態(tài)性能以達(dá)到控制振動(dòng)和噪聲的目的［7-8］.

虛擬軌道列車車體設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則:

第一，可靠性設(shè)計(jì).車體必須具有足夠的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、碰撞安全性和側(cè)翻安全性，滿足公共路權(quán)下胎輪運(yùn)行工況的承載及安全要求，保證司機(jī)及旅客的出行安全.

第二，輕量化設(shè)計(jì).為了降低能耗、增加載客量、減小路面負(fù)擔(dān)，虛擬軌道列車對(duì)減重有著更高的要求.車體約占整車重量的35%，因此實(shí)現(xiàn)車體輕量化尤為重要.

第三，模塊化設(shè)計(jì).列車編組中頭車和中間車不同車型的車體結(jié)構(gòu)形式盡可能模塊化設(shè)計(jì)，相同區(qū)域采用相同結(jié)構(gòu)，從而簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、工藝，節(jié)約成本.

第四，低成本設(shè)計(jì).盡量選用成本較低的原材料，同時(shí)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮簡(jiǎn)化工藝、降低制造成本.

第五，人性化設(shè)計(jì).須保證列車具有良好的運(yùn)行穩(wěn)定性和乘坐舒適性.

基于以上原則，虛擬軌道列車車體結(jié)構(gòu)選型建議如下:

首先，要實(shí)現(xiàn)輕量化、高強(qiáng)度，須從結(jié)構(gòu)和材料兩方面入手.車體靠底架四個(gè)支撐點(diǎn)支撐在四個(gè)輪胎接口上，結(jié)構(gòu)上要求各部位有較好的垂向抗彎剛度.因此，主體結(jié)構(gòu)宜參考公交客車車身結(jié)構(gòu)中能適應(yīng)低地板需求、重量輕、剛度好的承載式車身，由底架、側(cè)墻、車頂、端墻幾大部位剛性連接組成全封閉整體承載結(jié)構(gòu)，所有的車身殼體構(gòu)件都參與承載，互相牽連和協(xié)調(diào)，充分發(fā)揮材料的潛力，使車體質(zhì)量最小而強(qiáng)度和剛度最大.各部位由矩形鋼管或異型薄壁件構(gòu)成桁架式骨架，主要受力部位的底架橫梁、側(cè)墻立柱、車頂彎梁應(yīng)形成封閉環(huán)，對(duì)于因結(jié)構(gòu)等原因不能形成封閉環(huán)的立柱，應(yīng)在側(cè)墻窗下橫梁和底架邊梁之間增加斜撐加強(qiáng).在力學(xué)中，三角形最具穩(wěn)定性，因此桁架式車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量使用三角形結(jié)構(gòu)［9-10］.主要抗彎部位以采用矩形型鋼為主，適當(dāng)配合槽鋼或異型薄壁件以降低重量.桁架式結(jié)構(gòu)還具有被動(dòng)安全性好的特點(diǎn)，能使整車在受力時(shí)將力迅速分解到全車各處，在車輛翻滾及相撞時(shí)保證乘客的安全空間.

僅結(jié)構(gòu)優(yōu)化還不能滿足輕量化需求，還須從選材方面進(jìn)一步實(shí)現(xiàn).全鋼結(jié)構(gòu)雖然強(qiáng)度、剛度有保障，但重量方面劣勢(shì)明顯.可以結(jié)合有軌電車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，使用鋁型材和輕質(zhì)復(fù)合材料，在承載設(shè)備載荷的車頂采用重量較輕、剛度較好的鋁型材，用輕質(zhì)復(fù)合材料板粘接到承載骨架上替換側(cè)墻、端墻的鋼墻板.

其次，基于模塊化設(shè)計(jì)原則，統(tǒng)籌規(guī)劃車體布局，將列車編組中頭車和中間車兩種車型的客室部分統(tǒng)一，以中間車為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，頭車僅在中間車的車體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加車頭部分即可.

第三，從降低成本、優(yōu)化工藝考慮，鋼骨架盡量選用碳鋼，除了成本較不銹鋼低外，其焊接變形小，焊接工藝性、成型工藝性均優(yōu)于不銹鋼;

第四，為了保證乘客有舒適的乘坐空間，可以在底架骨架上方焊接薄鋼板，以便與內(nèi)裝地板間鋪設(shè)隔音、隔熱材，從而提高車輛隔音、隔熱水平.另外，提高車體模態(tài)，避免車體與走形系發(fā)生共振也是提高列車運(yùn)行品質(zhì)，提高乘坐舒適性的必要措施.

3 虛擬軌道列車車體強(qiáng)度校核

由于虛擬軌道列車的運(yùn)行條件和運(yùn)行工況與公交客車更為接近，所以車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析應(yīng)主要依據(jù)公交客車的相關(guān)規(guī)定，同時(shí)不違背傳統(tǒng)有軌電車的校核原則.

車體強(qiáng)度要能承受實(shí)際工況中出現(xiàn)的最大靜載荷及動(dòng)載荷，以保證其疲勞壽命.車體強(qiáng)度校核至少應(yīng)包括車體靜強(qiáng)度、剛度、疲勞強(qiáng)度、穩(wěn)定性、自振頻率校核，同時(shí)，基于公共路面下的胎輪行駛條件，還應(yīng)校核車輛碰撞和側(cè)翻安全性.下面對(duì)工況確定難度較大的靜強(qiáng)度校核做出分析和建議.

車體靜強(qiáng)度校核工況包括垂向載荷工況、縱向載荷工況、架車工況、車體與走行系連接載荷工況、車頂載荷工況、碰撞工況、側(cè)翻工況等，除了碰撞工況和側(cè)翻工況在傳統(tǒng)軌道車輛中不出現(xiàn)外，其它工況無(wú)論是軌道車輛還是路面膠輪車輛均須考察，只是考察的具體方式依據(jù)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特點(diǎn)的不同而有所不同.以縱向載荷工況為例，傳統(tǒng)的有軌電車在車頭前端設(shè)置車鉤，縱向力從車鉤中心觸發(fā)并傳遞，形成對(duì)車體包括鉸接連接位置的拉伸和壓縮載荷.而虛擬軌道列車與鉸接公交客車相同，車頭前端不設(shè)置車鉤，縱向力通過(guò)緊急制動(dòng)力施加，重點(diǎn)考察鉸接連接位置的強(qiáng)度，同時(shí)，虛擬軌道列車要求能通過(guò)半徑為11 m的小曲線，因此鉸接連接座強(qiáng)度還須進(jìn)行曲線通過(guò)仿真分析來(lái)校核.此外，架車工況除了考察車間架車維修的正常工況外，還需考察在特殊情況下，如車輛單輪懸空、對(duì)角輪騎障等引起的車身扭轉(zhuǎn)變形.總之，車體強(qiáng)度校核應(yīng)以列車實(shí)際運(yùn)行和檢修維護(hù)中有可能發(fā)生的狀況為依據(jù)，確保車體能在極限工況下不破壞，保證司機(jī)和乘客的安全.

4 結(jié)論

虛擬軌道列車以多節(jié)編組、大運(yùn)量的公共路權(quán)運(yùn)行環(huán)境下非輪軌接觸導(dǎo)向運(yùn)輸系統(tǒng)解決了城市日常出行的交通擁堵問(wèn)題，構(gòu)筑了多元化、立體化、現(xiàn)代化城市公共交通體系，將引領(lǐng)世界城市公共交通技術(shù)的發(fā)展，而保證車體承載結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)和可靠性校核是保證虛擬軌道列車良性發(fā)展的基石.本文基于輕量化前提，提出的虛擬軌道列車車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則、結(jié)構(gòu)選型及強(qiáng)度校核建議還需在實(shí)踐中不斷摸索完善，可供類似工程參考.