王劍博

(中車長春軌道客車股份有限公司磁浮研究所,130062,長春//高級工程師)

100%低地板現(xiàn)代有軌電車具有節(jié)能、環(huán)保、投資小、載客量適中、乘坐舒適性高、后期維護費用低等特點，較廣泛應(yīng)用于我國武漢、上海、成都、三亞等多個城市,在解決城市核心區(qū)換乘、市郊接駁以及景區(qū)旅游觀光等方面發(fā)揮了重要作用。

為降低項目土建成本，國內(nèi)既有用戶對100%低地板現(xiàn)代有軌電車的滿載軸重要求一般為≤12.5 t。常見的5模塊100%低地板現(xiàn)代有軌電車配置6軸、3個轉(zhuǎn)向架，AW3(滿載)工況下車輛總質(zhì)量≤75 t。車輛編組后長度約為34.8 m，AW3工況下車輛載客量約為360人，按60 kg/人計算，AW0(空載)工況下車輛自重需≤53.4 t，整車面臨嚴峻的輕量化及減重要求。

100%低地板現(xiàn)代有軌電車如圖1所示。

圖1 100%低地板現(xiàn)代有軌電車

通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化、使用輕量化材料能夠有效降低車輛自重，保證車輛滿足軸重要求，同時能夠有效降低車輛運行能耗，使車輛更環(huán)保。100%低地板現(xiàn)代有軌電車的輕量化設(shè)計包括車體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,以及車體部件輕量化材料與內(nèi)飾部件材料的應(yīng)用。

1 現(xiàn)代有軌電車車體結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計

車體結(jié)構(gòu)采用骨架承載式車身。車身包括底架、側(cè)墻、車頂、端墻等4大部件。其中，底架受力集中，采用碳鋼與不銹鋼組合結(jié)構(gòu)；側(cè)墻、端墻及車頂由不銹鋼弧焊、段焊或點焊而成。

通過焊接后機械加工的生產(chǎn)工藝保證了底架二系簧座、牽引拉桿及鉸接安裝座等部件的關(guān)鍵尺寸精度。通過使用車體總組成工裝，保證了整車尺寸精度。

側(cè)墻、車頂、端墻組成后，利用整車總組成工裝與底架組成整車，焊接設(shè)備安裝采用小件，從而完成車體結(jié)構(gòu)生產(chǎn)。

車體幾何模型如圖2所示。

圖2 車體幾何模型

車體使用的材料為高強度碳鋼材料S355、鑄鋼ZG25MnNi、不銹鋼SUS301L-DLT/ST、不銹鋼X2CrNiN18-7以及少量的09CuPCrNi-A。車體材料特性如表1所示。

表1 車體材料特性

車體結(jié)構(gòu)靜強度根據(jù)EN 12663-1：2010《鐵路應(yīng)用——鐵道車輛車體的結(jié)構(gòu)要求》[1]進行評定。該標準規(guī)定：在所有靜強度計算工況作用下，車體各部件的應(yīng)力均不得大于部件所用材料的許用應(yīng)力，其安全系數(shù)按1.0進行考慮。

車體結(jié)構(gòu)疲勞強度根據(jù)EN 12663-1：2010《鐵路應(yīng)用——鐵道車輛車體的結(jié)構(gòu)要求》進行評定。本文中車體結(jié)構(gòu)疲勞分析的基本工況共13個，組合后疲勞計算工況共24個。車體結(jié)構(gòu)的疲勞強度根據(jù)標準DVS 1612：2014《鐵道車輛結(jié)構(gòu)中的鋼焊接接頭的設(shè)計和疲勞程度》[2]進行評估。

采用DVS1612：2014校核車體結(jié)構(gòu)的疲勞強度時，選取平行于焊縫(母材)的主應(yīng)力σp、垂直于焊縫(母材)的主應(yīng)力σv及焊縫(母材)的剪應(yīng)力τ等3個變量，并按式(1)檢驗車體結(jié)構(gòu)3個方向的應(yīng)力值。

(1)

式中：

σp，zul——平行于焊縫的最大許用正交應(yīng)力;

σv，zul——垂直于焊縫的最大許用正交應(yīng)力；

τzul——平行于焊縫的最大許用剪切應(yīng)力。

建立車體結(jié)構(gòu)有限元模型時，凡是對該車體整體剛度及局部強度有貢獻的結(jié)構(gòu)，都應(yīng)予以考慮。車體結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)成以四節(jié)點薄殼單元為主，三節(jié)點薄殼單元為輔，局部如枕梁、鉸接裝置等采用了實體單元進行模擬。

利用Ansys軟件對車體結(jié)構(gòu)的靜強度進行分析。車體靜強度計算云圖如圖3所示。圖3中，車體結(jié)構(gòu)靜強度的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在Mc(帶司機室的動力車)的3點支撐工況中，約為324.44 N/mm2；最大應(yīng)力區(qū)域材料為ZG25MnNi，屈服強度≥355 N/mm2；安全系數(shù)為1.094，滿足標準要求。

圖3 車體靜強度計算云圖

利用FATEVAS軟件提取車體結(jié)構(gòu)焊縫(母材)單元3個方向的主應(yīng)力值并進行應(yīng)力系數(shù)評估，其應(yīng)力系數(shù)均小于1，滿足標準要求。

車體焊縫疲勞強度計算云圖如圖4所示。由圖4可知，車體焊縫疲勞強度最大值出現(xiàn)在F車(懸浮車，具體指車輛編組中的第2、4車)2位端車門與底架連接處，其應(yīng)力系數(shù)為0.969。

圖4 車體焊縫疲勞強度計算云圖

車體母材疲勞強度計算云圖如圖5所示。由圖5可知，車體母材疲勞強度最大值出現(xiàn)在Mc車2位端底架二系簧安裝面處，其應(yīng)力系數(shù)為0.923。

圖5 車體母材疲勞強度計算云圖

2 車體部件輕量化材料的應(yīng)用

2.1 車體外墻板

車體外墻板采用碳纖維復(fù)合材料，總厚度為6 mm。其中，外墻板外層為0.5 mm厚碳纖維板，中間為5 mm厚PVC材料。外墻板所用材料以及膠均為優(yōu)質(zhì)環(huán)保材料，符合TB/T 3139—2006《機車車輛內(nèi)裝材料及室內(nèi)空氣有害物質(zhì)限量》[3]的要求。

碳纖維復(fù)合車體外墻板具有輕量化、自帶涂裝、隔音性好、隔熱性能好等特點。車體外墻板材料特性如表2所示。

表2 車體外墻板材料特性

車體外墻板采用粘接方式與車體結(jié)構(gòu)固定到一起。粘接后確保整車強度滿足EN 12663-1:2010《鐵道應(yīng)用——軌道車身的結(jié)構(gòu)要求》標準的要求。

對整車車體結(jié)構(gòu)進行有限元網(wǎng)格劃分。車體鋼結(jié)構(gòu)模型以四節(jié)點薄殼單元為主，粘接膠及側(cè)墻板采用Solid實體單元進行模擬。整車側(cè)墻板安裝有限元模型如圖6所示。

圖6 整車側(cè)墻板安裝有限元模型

車體外墻板粘接強度計算云圖如圖7所示。 通過在設(shè)定工況下的仿真分析可知，側(cè)墻板粘接膠最大拉伸應(yīng)力為0.33 MPa，出現(xiàn)在Mc車2位端車窗右上角區(qū)域；最大剪切應(yīng)力為0.333 MPa，出現(xiàn)在Mc車2位端車窗上方區(qū)域。

圖7 車體外墻板粘接強度計算云圖

粘接用膠(以B0stik ISR70-03為參考)的拉伸強度約為2.6 MPa,剪切強度約為2.5 MPa，拉伸強度安全系數(shù)為7.88，剪切強度安全系數(shù)為7.51，粘接強度滿足標準要求。

2.2 車頂復(fù)合板

車體車頂采用PET復(fù)合板，總厚度為22 mm，外層為1 mm厚鋁板，中間為20 mm厚PET發(fā)泡材料。

車頂復(fù)合頂板滿足EN 12663標準要求。具體要求如下：

1) 靜態(tài)：縱向±3g，橫向±1g，垂向(1±c)g。c為安裝于車體上設(shè)備的垂向加速度位置修正值。其中，c在車端為2，c在車輛中心為接近0.5的線性值。

2) 動態(tài)：縱向±0.2g，橫向±0.15g，垂向(1±0.18)g。

3) 額外的載荷：允許2人站在復(fù)合板上平面，每人75 kg，工具25 kg，每人占用面積為100 mm×300 mm，安全系數(shù)為1.5。

車頂復(fù)合板粘接強度計算云圖如圖8所示。通過在設(shè)定工況下的仿真分析可知，車頂復(fù)合板粘接膠最大拉伸應(yīng)力為2.076 MPa，拉伸強度安全系數(shù)為1.2，最大剪切應(yīng)力為1.34 MPa，剪切強度安全系數(shù)為1.87。

圖8 車頂復(fù)合板粘接強度計算云圖

3 車體內(nèi)飾部件輕量化材料的應(yīng)用

3.1 客室座椅輕量化材料的應(yīng)用

客室座椅骨架使用鎂鋁合金材料(牌號為AZ31B)，座椅面板使用玻璃鋼材料。為提高鎂鋁合金內(nèi)部骨架的防腐性能，要求座椅內(nèi)部骨架整體焊接后進行鈍化,并在鈍化后表面噴漆處理。

橫向座椅使用車體在轉(zhuǎn)向架上方的方箱進行安裝，縱向座椅使用車體上焊接的滑槽進行安裝。

座椅安裝結(jié)構(gòu)示意如圖9所示。

圖9 座椅安裝結(jié)構(gòu)示意圖

客室座椅及安裝結(jié)構(gòu)強度計算云圖如圖10所示。由圖10可知，客室座椅結(jié)構(gòu)在靜強度載荷工況下，車體鋼結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)安裝座及座椅骨架的最大應(yīng)力分別為65.2 MPa、54.4 MPa、32.8 MPa，安全系數(shù)分別為2.85、5.25、3.20，滿足UIC 566—1990《客車車體及其零部件的載荷》[4]標準要求。

圖10 客室座椅及安裝結(jié)構(gòu)強度計算云圖

3.2 其他內(nèi)飾部件輕量化材料的應(yīng)用

為滿足整車的輕量化設(shè)計要求，100%低地板現(xiàn)代有軌電車內(nèi)飾部件還應(yīng)用了聚碳酸酯材料側(cè)墻板、鎂鋁合金二次骨架、碳纖維材料端墻等輕量化材料。

4 結(jié)語

本文對100%低地板現(xiàn)代有軌電車的輕量化設(shè)計開展研究，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化、使用輕量化材料等手段實現(xiàn)整車減重近1.5 t。本文介紹的外粘輕量化非金屬側(cè)墻外板及車頂復(fù)合板的骨架承載式車體為國內(nèi)首創(chuàng)。通過強度、疲勞分析等CAE(計算機輔助工程)手段及后期的試驗驗證，證明上述結(jié)構(gòu)能夠滿足合同及標準要求。

鎂鋁合金骨架客室座椅、聚碳酸酯材料側(cè)墻內(nèi)飾板、輕量化碳纖維材料端墻等均已在三亞有軌電車、武漢東湖光谷量子號等項目中成功應(yīng)用。