臧蘭蘭 鐘恩洋 王天宇

摘 要：首先介紹 3 節(jié)編組 100% 低地板有軌電車(chē)編組型式，并對(duì)車(chē)輛鉸接系統(tǒng)和車(chē)體結(jié)構(gòu)組成及材質(zhì)進(jìn)行闡述，通過(guò)有限元分析法對(duì)各工況下車(chē)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，最后通過(guò)車(chē)體強(qiáng)度試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，該 3 節(jié)編組 100% 低地板有軌電車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：有軌電車(chē);100% 低地板;3 節(jié)編組;鉸接系統(tǒng);車(chē)體結(jié)構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào)：U239.9

有軌電車(chē)自19世紀(jì)末發(fā)展到現(xiàn)在，經(jīng)歷了70%低地板到現(xiàn)在的100%低地板。中車(chē)大連機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司有軌電車(chē)技術(shù)源于意大利喜瑞系列有軌電車(chē)，通過(guò)原型車(chē)技術(shù)引進(jìn)，國(guó)產(chǎn)化技術(shù)研發(fā)，目前已掌握該有軌電車(chē)技術(shù)，并已成功生產(chǎn)有軌電車(chē)，運(yùn)營(yíng)于北京西郊線和珠海一號(hào)線。大連已運(yùn)行多年的202路有軌電車(chē)采用架空接觸網(wǎng)供電方式，原有車(chē)型為3節(jié)編組70%低地板有軌電車(chē)。為了保證車(chē)輛編組和門(mén)間距與既有線路相同，在滿足既有線路運(yùn)營(yíng)條件的基礎(chǔ)上，此次增購(gòu)車(chē)輛為100%低地板的3節(jié)編組車(chē)輛。

1 車(chē)輛編組形式及主要技術(shù)參數(shù)

70%低地板有軌電車(chē)基本為3節(jié)編組，其編組形式為：= Mc + Tp + Mc =;100%低地板有軌電車(chē)基本為5節(jié)編組或4節(jié)編組[1]，其編組形式為：= Mc + F + Tp + F + Mc = 或= Mc + M + Tp + Mc =;此次增購(gòu)的3節(jié)編組100%低地板有軌電車(chē)，其編組形式為= Mpc + T + Mc =。其中 = 表示車(chē)鉤，+表示鉸接裝置，F(xiàn)表示不帶轉(zhuǎn)向架的浮車(chē)，Tp表示帶受電弓和轉(zhuǎn)向架的拖車(chē)，T表示不帶轉(zhuǎn)向架和受電弓的拖車(chē)， Mc表示帶司機(jī)室和轉(zhuǎn)向架的動(dòng)車(chē)，Mpc表示帶司機(jī)室、轉(zhuǎn)向架和受電弓的動(dòng)車(chē)。大連202有軌電車(chē)增購(gòu)車(chē)輛編組形式如圖1所示。

車(chē)輛主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2 車(chē)輛鉸接系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)配置

鉸接裝置位于車(chē)輛之間，它將相鄰車(chē)輛連接在一起，并同時(shí)起到支撐及傳遞力的作用，其系統(tǒng)配置如圖2所示。車(chē)輛與車(chē)輛之間的上部設(shè)轉(zhuǎn)動(dòng)鉸，如圖3所示。轉(zhuǎn)動(dòng)鉸只能水平轉(zhuǎn)動(dòng)，不能俯仰和側(cè)滾。車(chē)輛與車(chē)輛之間的下部設(shè)固定鉸，如圖4所示。固定鉸可以繞3個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，但限制了3個(gè)方向的平動(dòng)。固定鉸承受車(chē)輛的垂向力，傳遞車(chē)輛的縱向力和橫向力。3節(jié)編組車(chē)輛的鉸接系統(tǒng)受力情況不同于4節(jié)編組或5節(jié)編組車(chē)輛，根據(jù)計(jì)算，3節(jié)編組車(chē)輛選用的鉸接系統(tǒng)受力強(qiáng)度更高。

2.2 工作原理

固定鉸和轉(zhuǎn)動(dòng)鉸共同作用，在實(shí)現(xiàn)車(chē)輛轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，承受車(chē)輛的垂向力，傳遞車(chē)輛的縱向力和橫向力。由于車(chē)輛需要經(jīng)過(guò)坡道和曲線，且曲線線路外軌超高，因此，車(chē)輛需具有俯仰和側(cè)滾的能力。本次研發(fā)的3節(jié)編組車(chē)輛的俯仰和側(cè)滾能力，主要通過(guò)轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)的二系鋼簧來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.3 主要技術(shù)參數(shù)

固定鉸安裝在車(chē)體底架端部，轉(zhuǎn)動(dòng)鉸安裝在頂棚端部，隨著車(chē)輛運(yùn)行30年，因此，鉸接裝置需具有一定的強(qiáng)度和耐久性。根據(jù)3節(jié)編組車(chē)輛的技術(shù)參數(shù)和車(chē)輛重量參數(shù)，對(duì)鉸接裝置進(jìn)行計(jì)算，提出鉸接裝置的強(qiáng)度性能指標(biāo)、疲勞性能指標(biāo)和轉(zhuǎn)動(dòng)性能指標(biāo)等。

2.3.1 固定鉸主要技術(shù)參數(shù)

（1）固定鉸承受的縱向靜態(tài)力為500 kN，橫向靜態(tài)力為50 kN，垂向靜態(tài)力為83 kN。

（2）固定鉸承受的縱向動(dòng)態(tài)力為20±15 kN，橫向動(dòng)態(tài)力為±12 kN，垂向動(dòng)態(tài)力為62±10 kN。

（3）固定鉸的水平轉(zhuǎn)動(dòng)角度為±22°，俯仰角度為±5°，側(cè)滾角度為±3°。

2.3.2 轉(zhuǎn)動(dòng)鉸主要技術(shù)參數(shù)

（1）轉(zhuǎn)動(dòng)鉸承受的縱向靜態(tài)力為 175 kN，橫向靜態(tài)力為50 kN。

（2）轉(zhuǎn)動(dòng)鉸承受的縱向動(dòng)態(tài)力為20±15 kN，橫向動(dòng)態(tài)力為±12 kN。

（3）轉(zhuǎn)動(dòng)鉸只能水平轉(zhuǎn)動(dòng)±30°，不能俯仰和側(cè)滾。

3 車(chē)體結(jié)構(gòu)

為了適應(yīng)既有線路的需求，車(chē)門(mén)位置必須與既有車(chē)輛保持一致。車(chē)門(mén)位置位于轉(zhuǎn)向架區(qū)之外，是車(chē)體強(qiáng)度和剛度的薄弱位置，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，為保證車(chē)體的強(qiáng)度和剛度，對(duì)車(chē)體的頂棚側(cè)梁和底架邊梁都進(jìn)行了格外加強(qiáng)，保證車(chē)體的強(qiáng)度和剛度。此處是車(chē)體設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

3.1 車(chē)體強(qiáng)度

車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合標(biāo)準(zhǔn)BS EN 12663-1：2010+A1：2014 《鐵路應(yīng)用- 軌道車(chē)輛車(chē)體結(jié)構(gòu)要求》，車(chē)輛類(lèi)型歸屬于其中的P-Ⅴ類(lèi)，滿足縱向200 kN壓縮及150 kN拉伸載荷，與既有車(chē)輛車(chē)體強(qiáng)度相同。車(chē)體結(jié)構(gòu)焊接標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行EN 15085《鐵路應(yīng)用- 鐵路車(chē)輛和器件的焊接》。

3.2 車(chē)體結(jié)構(gòu)組成及材質(zhì)

車(chē)體結(jié)構(gòu)在滿足強(qiáng)度剛度要求的前提下，盡量輕量化設(shè)計(jì)及等強(qiáng)度等剛度設(shè)計(jì)。車(chē)體主要采用底架無(wú)中梁的整體承載結(jié)構(gòu)。底架部位連接轉(zhuǎn)向架，承受動(dòng)態(tài)疲勞載荷，司機(jī)室前端結(jié)構(gòu)保證碰撞強(qiáng)度，底架和頂棚安裝鉸接系統(tǒng)部分，承受動(dòng)態(tài)疲勞載荷，采用高強(qiáng)度碳鋼S500MC，局部鉚接部位采用碳鋼Q345E，其余部位為了滿足輕量化設(shè)計(jì)指標(biāo)和平整度指標(biāo)，均采用鋁合金型材6005A-T6。按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，各材質(zhì)的性能參數(shù)如表2所示。

車(chē)體鋁結(jié)構(gòu)主要采用中空閉口擠壓鋁型材，各個(gè)鋁合金結(jié)構(gòu)之間采用焊接方式連接。為了滿足車(chē)體的強(qiáng)度和剛度要求，鋁合金結(jié)構(gòu)和碳鋼結(jié)構(gòu)之間主要采用鉚接和粘接兩種方式進(jìn)行連接。粘接滿足DIN 6701《軌道車(chē)輛及其構(gòu)件粘接》要求。為了簡(jiǎn)化工藝，應(yīng)盡量選擇適于手工鉆孔的鉚釘，避免采用需要設(shè)備鉆孔的大型鉚釘。在施工時(shí)，先在鋁合金和碳鋼接觸部位涂抹結(jié)構(gòu)膠，再采用鉚接方式進(jìn)行連接。編組車(chē)體結(jié)構(gòu)組成如圖5所示。

3.2.1 Mpc 車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)

Mpc車(chē)車(chē)體長(zhǎng)度9432mm，車(chē)體寬度2650mm。Mpc車(chē)車(chē)體主要由司機(jī)室前端結(jié)構(gòu)（S500MC）、轉(zhuǎn)向架安裝結(jié)構(gòu)（S500MC）、固定鉸安裝梁（S500MC）、牽引箱安裝平臺(tái)（6005A-T6）、受電弓安裝平臺(tái)（6005A-T6）、轉(zhuǎn)動(dòng)鉸安裝梁（S500MC）、側(cè)墻（6005A-T6）、端墻（6005A-T6）等部分組成。具體如圖6所示。

3.2.2 T車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)

T車(chē)車(chē)體長(zhǎng)度3760mm，車(chē)體寬度2650mm。T車(chē)是拖車(chē)，底架下沒(méi)有轉(zhuǎn)向架。T車(chē)車(chē)體主要由底架（6005A-T6）、側(cè)墻（6005A-T6）、端墻（6005A-T6）、頂棚（6005A-T6）、固定鉸安裝梁（S500MC）、轉(zhuǎn)動(dòng)鉸安裝梁（S500MC）等部分組成。具體如圖7所示。

3.2.3 Mc 車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)

Mc車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)與Mpc車(chē)類(lèi)似，但沒(méi)有受電弓安裝平臺(tái)。

4 車(chē)體結(jié)構(gòu)有限元分析

4.1 計(jì)算依據(jù)

計(jì)算按照標(biāo)準(zhǔn)BS EN 12663-1：2010+A1：2014 《鐵路應(yīng)用- 軌道車(chē)輛車(chē)體結(jié)構(gòu)要求》進(jìn)行，在各種工況下，車(chē)體結(jié)構(gòu)應(yīng)力均不超過(guò)材料的許用應(yīng)力。

4.2 車(chē)體有限元模型

采用通用有限元分析軟件ANSYS對(duì)車(chē)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。為使車(chē)體計(jì)算模型與實(shí)際車(chē)體結(jié)構(gòu)保持一致，從而保證計(jì)算結(jié)果的有效性，本次計(jì)算采用整車(chē)計(jì)算模型。建模時(shí)，按15 mm進(jìn)行離散，其中采用實(shí)體單元離散模擬鉸接結(jié)構(gòu)，3節(jié)車(chē)有限元模型共有單元總數(shù)為1550973個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為1472736個(gè)。

4.3 計(jì)算工況

根據(jù)車(chē)輛的實(shí)際運(yùn)營(yíng)工況，對(duì)單車(chē)和編組列車(chē)分別進(jìn)行有限元計(jì)算分析，具體如表3所示。

4.4 計(jì)算結(jié)果

對(duì)所有工況下的車(chē)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。其中工況7 Mpc車(chē)體架車(chē)位附近結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大，車(chē)體應(yīng)力云圖如圖8所示。

計(jì)算結(jié)果表明：車(chē)體結(jié)構(gòu)各部位出現(xiàn)的最大應(yīng)力均低于材料的許用應(yīng)力，強(qiáng)度滿足BS EN 12663-1：2010+A1：2014 《鐵路應(yīng)用-軌道車(chē)輛車(chē)體結(jié)構(gòu)要求》。

5 車(chē)體試驗(yàn)驗(yàn)證

2019年6月，在車(chē)體靜強(qiáng)度試驗(yàn)臺(tái)對(duì)編組列車(chē)進(jìn)行車(chē)體強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)按照BS EN 12663-1：2010+A1：2014 《鐵路應(yīng)用-軌道車(chē)輛車(chē)體結(jié)構(gòu)要求》進(jìn)行，試驗(yàn)工況與車(chē)體結(jié)構(gòu)有限元分析工況完全相同。試驗(yàn)時(shí)，車(chē)體之間通過(guò)鉸接裝置進(jìn)行連接。車(chē)體試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖9所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明：所有車(chē)體結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)應(yīng)力值均小于材料的許用應(yīng)力，車(chē)體的強(qiáng)度完全滿足設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)車(chē)輛編組及鉸接系統(tǒng)介紹，確定車(chē)體結(jié)構(gòu)組成及選材，通過(guò)試驗(yàn)校核，證明了此3節(jié)編組車(chē)輛車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和可靠性。目前此種車(chē)型，在國(guó)際以及國(guó)內(nèi)軌道交通市場(chǎng)比較少見(jiàn)，希望能為后續(xù)此種車(chē)型的設(shè)計(jì)提供參考。

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收稿日期 2019-11-15

責(zé)任編輯 宗仁莉