楊 勇，李曉光，銀應時，張陳林

（中車株洲電力機車研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

現(xiàn)代城市公共交通主要包括城市道路公共交通、城市軌道交通、城市水上公共交通及城市其他公共交通[1]，典型交通工具包括地鐵、有軌電車及公交車等。地鐵雖然運輸能力強大，但建設(shè)成本高，使其在中小城市不能被廣泛應用[2]。其他中運量軌道交通的應用需要專用電力系統(tǒng)和軌道的配合，無論是設(shè)計和建設(shè)成本還是維護成本都相對較高，且存在易受環(huán)境因素影響而不能較好、較快地調(diào)配線路的問題[3-4]。傳統(tǒng)公交車在城市早晚高峰出行階段常因運輸能力的限制而無法滿足實際需求，雖然具有兩節(jié)或兩節(jié)以上車廂的列車型汽車的出現(xiàn)能夠較好地緩解這一問題[5]，但車身加長會帶來道路通過性的變化，表現(xiàn)為轉(zhuǎn)彎半徑增加、轉(zhuǎn)彎所占車道面積增大，易出現(xiàn)與周邊道路交通發(fā)生干涉而不能順利通過、甚至惡化交通運行環(huán)境的現(xiàn)象，從而無法快速、高效地實現(xiàn)公交運輸[6]。

智軌電車被定位為中小運量的軌道交通車輛，其結(jié)合有軌電車與列車型汽車的優(yōu)點，不僅縮短了轉(zhuǎn)彎半徑，而且車輛行駛軌跡可控，極大改善了公交車輛的不利局面；此外，其還結(jié)合軌道交通和道路交通的優(yōu)勢，去除物理鋼軌，通過自動循跡、軌跡跟隨等技術(shù)實現(xiàn)導向和約束功能，從而實現(xiàn)虛擬軌道下的類軌道行駛。

1 智軌電車總體技術(shù)

根據(jù)智軌系統(tǒng)的應用特征，作為運載工具，智軌電車設(shè)計時應考慮對城市主干道路、橋梁、隧道的設(shè)計指標[7-8]的適應性，盡量降低對城市原有道路基礎(chǔ)設(shè)施的改造量。表1示出城市道路的基本指標。表2示出不同軌道交通車輛指標對比。

表1 城市道路指標Tab. 1 Urban road indicators

表2 不同軌道交通車輛對比分析Tab. 2 Comparative analysis of different vehicles

此外，作為新型的中小運量交通工具，智軌電車的運行也必須兼顧到客運能力、安全高效性、折返便捷性、乘坐舒適性、環(huán)境友好性及運維成本等方面的需求。結(jié)合城市道路指標和低地板有軌電車技術(shù)要求[7]，通過對比現(xiàn)有市場運行的軌道交通車輛參數(shù)（表2），基本確定載客人數(shù)、最大載荷、最高車速、爬坡度、轉(zhuǎn)彎半徑、部分結(jié)構(gòu)尺寸等指標和動態(tài)參數(shù)。同時通過最大載客數(shù)和最大載荷，確定車輛的整備質(zhì)量；參考有軌電車技術(shù)要求[7]，設(shè)計車輛的外形尺寸，確定車輛總體布局圖；按載客人數(shù)計算得出車內(nèi)的站立面積；結(jié)合道路平面曲線半徑，通過仿真計算可確定車輛編組、軸距及前懸。以3編組為例，車輛的基本布局如圖1所示。

圖1 智軌電車編組型式Fig. 1 Diagram of autonomous-rail rapid tram marshaling

受道路條件的限制，車輛若要滿足道路平面轉(zhuǎn)彎曲線要求，則需采用全輪轉(zhuǎn)向，而軌道轉(zhuǎn)向架不能適應道路條件要求，為此針對性地開發(fā)了智軌電車專用的膠輪轉(zhuǎn)向架，其單軸軸荷符合道路條件要求；同時因轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)限制，車輛采用首尾動力驅(qū)動模式。由于智軌電車為低地板結(jié)構(gòu)，其膠輪轉(zhuǎn)向架分為動力轉(zhuǎn)向架和非動力轉(zhuǎn)向架兩種結(jié)構(gòu)。為確?？褪覟?00%低地板，車輛采用膠輪承載，因此承載能力有限；同時為避免車輛對地面的永久損害，對車輛的輕量化設(shè)計提出了進一步的要求。表3、表4及表5示出三編組智軌電車具體的設(shè)計參數(shù)。

表3 智軌電車總體參數(shù)Tab. 3 Main performance index of autonomous-rail rapid tram

表4 智軌電車主要結(jié)構(gòu)尺寸Tab. 4 Main instruction parameters of autonomousrail rapid tram

表5 智軌電車供電參數(shù)及動力性能Tab. 5 Power supply requirement and power performance of autonomous-rail rapid tram

2 車體結(jié)構(gòu)

智軌電車的車體結(jié)構(gòu)參照軌道車輛車體結(jié)構(gòu)要求[8]和防撞性要求[9]進行設(shè)計，同時考慮到智軌電車是運行在城市道路上，結(jié)合道路運行工況及整車輕量化要求，我們提出了3種車體結(jié)構(gòu)方案并進行對比及分析：

方案一采用道路車輛全承載結(jié)構(gòu)，其整體為QSE700型高強鋼材（圖2）。該結(jié)構(gòu)優(yōu)點是整車輕量化效果明顯；缺點是車頂承重能力差，整體剛度無法滿足標準要求，且整車焊接尺寸難以控制，同時，因鋼材的防腐要求較高而難以滿足全壽命周期使用的需求。

圖2 車體結(jié)構(gòu)方案一Fig. 2 Scheme 1 for car body structure

方案二結(jié)合道路車輛及軌道車輛特征，采用鋼鋁混合結(jié)構(gòu)（圖3），即QSE700型鋼材和EN-AW 6005A-T6型鋁合金相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。參照CAE分析結(jié)果，與全承載結(jié)構(gòu)相比，該方案的車體結(jié)構(gòu)強度顯著提升，車頂能夠承載大部件安裝；但是車體防撞性、整體壽命無法達到使用要求，而且車體質(zhì)量和成本會增加。

圖3 車體結(jié)構(gòu)方案二Fig. 3 Scheme 2 for car body structure

方案三結(jié)合道路車輛及軌道車輛特征，同樣采用鋼鋁混合結(jié)構(gòu)（圖4），即主體結(jié)構(gòu)采用EN-AW 6005A型鋁合金型材及EN-AW 6082/EN-AW 5083型鋁合金板材，構(gòu)架部分采用Q355GNHE型高耐候鋼。該方案的優(yōu)點是車體強度及防碰撞性能（按CAE分析結(jié)果）完全符合標準要求，車體的承載也符合載客、大部件安裝需求；缺點是成本較高，輕量化實現(xiàn)難度大。

圖4 車體結(jié)構(gòu)方案三Fig. 4 Scheme 3 for car body structure

通過綜合對比分析，最終確定選用方案三的車體結(jié)構(gòu)。

3 車端連接器

車輛若要能夠直接運行于現(xiàn)有的城市道路，那么車端連接器需具備大轉(zhuǎn)向角，且橫向、縱向具備一定的擺角；同時為了最大限度地提升載客量并增加座位數(shù)量，車端連接器需小型化。為此，通過對比軌道交通與道路交通連接器并結(jié)合車輛的運行模式，給出智軌電車車端連接器結(jié)構(gòu)方案及關(guān)鍵參數(shù)。

3.1 基礎(chǔ)方案

確定智軌電車采用拉式連接器，同時提出兩種基礎(chǔ)對比方案：

方案一車端連接器本體長度1.40 m，仿真分析得出極限轉(zhuǎn)彎半徑可以控制在15.00 m以內(nèi)；端墻位于轉(zhuǎn)向架空懸位置，鉸接采用整體式球金屬關(guān)節(jié)；通道寬度0.85 m，通道長度2.00 m。圖5示出方案一結(jié)構(gòu)的車端連接器。

圖5 車端連接器方案一Fig. 5 Scheme 1 for vehicle end connector

方案二車端連接器本體長度0.80 m，極限轉(zhuǎn)彎半徑會在15.00 m內(nèi)；端墻位于車體端部，鉸接采用整體式球金屬關(guān)節(jié)；通道寬度0.85 m，通道長度0.92 m。圖6示出方案二結(jié)構(gòu)的車端連接器。

圖6 車端連接器方案二Fig. 6 Scheme 2 of vehicle end connector

這兩種方案車端連接器的轉(zhuǎn)彎半徑都符合道路車輛的要求[9]，且端墻位置的車體結(jié)構(gòu)都較為復雜。方案一結(jié)構(gòu)的車端連接器本體雖較方案二的長，但是對客室空間影響有限，同時能確保車輛即便在大轉(zhuǎn)角工況下折棚也能正常使用。方案二結(jié)構(gòu)的車端連接器本體長度雖較短，但折棚制造困難，在車輛大轉(zhuǎn)向角工況下易造成折棚損傷。因此，智軌電車采用方案一結(jié)構(gòu)的車端連接器。

3.2 關(guān)鍵參數(shù)

在方案一基礎(chǔ)上，結(jié)合動力學仿真結(jié)果（圖7），確定車端連接器轉(zhuǎn)向角為±54°；結(jié)合道路車輛車端連接器實際應用情況，確定橫向擺動角為±3°，俯仰角為±10°。為了確保車輛在高速工況下的穩(wěn)定性，同時簡化車體結(jié)構(gòu)，在車端連接器上集成抗蛇行減振器。

圖7 車輛動力學仿真Fig. 7 Vehicle dynamics simulation

3.3 車端連接器結(jié)構(gòu)

車端連接器由鉸接盤總成和折棚總成兩個部分組成。鉸接盤總成包括前架總成、后架總成、球鉸總成、踏步平臺總成、抗蛇行減振器及角度傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。出于車輛密封與隔音需求，折棚總成由外折棚和內(nèi)折棚構(gòu)成（圖9）。

圖8 車端連接器Fig. 8 Vehicle end connector

圖9 折棚總成Fig. 9 Folding shed assembly

4 膠輪轉(zhuǎn)向架

參照標準CJ/T 417《低地板有軌電車車輛通用技術(shù)條件》，智軌電車采用多編組的設(shè)計，可運行于一般城市道路。目前國內(nèi)外暫無專用的城市路面軌道轉(zhuǎn)向架產(chǎn)品。結(jié)合智軌電車的整車動力分布型式、靈活性、輕量化要求，針對性地開發(fā)了動力型和非動力型兩種轉(zhuǎn)向架，其中動力轉(zhuǎn)向架用于車輛的驅(qū)動、導向、承載及約束，非動力轉(zhuǎn)向架用于車輛的導向、承載和約束。

4.1 動力轉(zhuǎn)向架

動力轉(zhuǎn)向架由走行架體（含減速器）、膠輪總成（含制動部件/系統(tǒng)、輪胎和輪輞等）及懸掛系統(tǒng)（含減振器、氣囊和推力桿等）組成，具體結(jié)構(gòu)見圖10。根據(jù)總體參數(shù)軸重及輕量化要求，車軸承載不小于9 t，自重小于1.1 t。為適應于一般城市道路路面，智軌電車轉(zhuǎn)彎半徑滿足機動車運行安全技術(shù)條件[10]中對轉(zhuǎn)向的要求；參照阿克曼幾何學[11]原理進行列車曲線通過性校核，得出膠輪的最小轉(zhuǎn)向角為17°。根據(jù)驅(qū)動電機輸出轉(zhuǎn)矩并結(jié)合動力性能要求，計算得出齒輪傳動比i=7.8，輸出轉(zhuǎn)矩不小于24 000 N·m。針對雙向行駛特性，同時考慮緊急狀態(tài)下人為接管駕駛工況，對膠輪定位參數(shù)進行設(shè)計，以確保雙向行駛情況下的車輛直線行駛及方向自動回正功能正常。

圖10 動力轉(zhuǎn)向架Fig. 10 Power bogie

4.2 非動力轉(zhuǎn)向架

非動力轉(zhuǎn)向架由走行架體、膠輪總成及懸掛系統(tǒng)組成，與動力轉(zhuǎn)向架的區(qū)別在于無動力輸出，具體結(jié)構(gòu)見圖11。考慮到整車的軸荷分配及車輛轉(zhuǎn)向時車輪轉(zhuǎn)向角需滿足阿克曼定律的要求，非動力轉(zhuǎn)向架的承載、轉(zhuǎn)向角和膠輪定位參數(shù)依據(jù)動力轉(zhuǎn)向架進行分析確定。為實現(xiàn)車輛駐車制動模式，在非動力轉(zhuǎn)向架上加裝中央彈簧儲能式駐車制動器；因無動力齒輪箱，非動力轉(zhuǎn)向架自重僅900 kg。

圖11 非動力轉(zhuǎn)向架Fig. 11 Non-powered bogie

5 輕量化設(shè)計

無論是軌道車輛還是公路車輛，其運行時的能耗和車輛本身質(zhì)量成正比關(guān)系。減輕車輛自重，不僅可以降低能耗、節(jié)約運行成本，而且還能提高車輛的操控性能[1]與載客能力。車輛輕量化設(shè)計必須在確保車輛強度和安全性的前提下進行。常用的輕量化設(shè)計方法包括采用高強度或輕型材料替代常規(guī)材料、優(yōu)化結(jié)構(gòu)及改進工藝[12]。

5.1 結(jié)構(gòu)輕量化

結(jié)構(gòu)優(yōu)化包括尺寸優(yōu)化、外形優(yōu)化及拓撲優(yōu)化。拓撲優(yōu)化是設(shè)計中常用來提高零件性能和減輕零件質(zhì)量的優(yōu)化方式。其利用有限元分析軟件，對結(jié)構(gòu)的各種受力工況進行模擬分析，并根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，在確保滿足強度和剛度要求的前提下具有較小的質(zhì)量，從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化[13]。

智軌電車上幾種常用的結(jié)構(gòu)輕量化方案如圖12所示。其中，圖12(a)為結(jié)構(gòu)簡化方案，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)在復雜程度和質(zhì)量上都優(yōu)于優(yōu)化前的；圖12(b)是采用標準化支架代替?zhèn)鹘y(tǒng)線槽，大大減輕了線槽的質(zhì)量；圖12(c)是在保證結(jié)構(gòu)強度的情況，通過增加減重孔方式來減輕質(zhì)量；圖12(d)為調(diào)整鋁型材截面形狀的方式來進行減重。3編組智軌電車通過結(jié)構(gòu)化減重，減輕質(zhì)量近1 t。

圖12 結(jié)構(gòu)輕量化方案Fig. 12 Structural lightweighting scheme

5.2 材料替換

智軌電車設(shè)計時，一是用力學性能相近的低密度材料零件來替代高密度材料零件，常見的有用鋁合金代替鋼材、用復合材料代替金屬材料；二是用性能優(yōu)良的高強度材料代替普通材料，以降低零件的厚度，實現(xiàn)減重和性能提升，常見的是用高強度鋼代替普通鋼[14]。表6示出智軌電車常用金屬材料性能對比。通過材料替換，綜合考慮成本因素，整車最終因此減重300 kg。

表6 金屬材料性能對比Tab. 6 Metal material performance comparison

5.3 新材料的應用

內(nèi)、外裝作為車輛的主要組成部件，設(shè)計時選擇強度高、質(zhì)量輕的材料非常重要[15]。為此，智軌電車的內(nèi)、外裝主要以新型復合材料為主，其主要選用碳纖維材料、芳綸蜂窩復合材料及樹脂發(fā)泡增強材料，結(jié)合材料特性與成本，被分別應用于不同的位置。智軌電車作為公共交通工具，其非金屬材料需滿足EN 45545-2《軌道車輛防火保護-第2部分：材料和元件的防火要求》[16]。

5.3.1 碳纖維材料

碳纖維是一種力學性能優(yōu)異的新材料，其質(zhì)量密度不足鋼的1/4。碳纖維樹脂復合材料抗拉強度一般都在3 500 MPa以上，是鋼的7~9倍；抗拉彈性模量為230~430 GPa，亦高于鋼。碳纖維材料的比強度（即材料的強度與其密度之比）可達到2 000 MPa/(g.cm-3)以上，而A3鋼的比強度僅為59 MPa/(g.cm-3)左右，且其比模量也比鋼的高。針對這一特性，碳纖維材料主要被用于智軌電車頭罩的制造上，其單件產(chǎn)品質(zhì)量僅為140 kg，機械性能符合軌道車輛的防撞要求[8]；而采用鋼材沖壓成型產(chǎn)品，其單件質(zhì)量將超過600 kg。

5.3.2 芳綸蜂窩復合材料

芳綸蜂窩復合材料是一種采用紙質(zhì)蜂窩芯材與玻纖材料運用預浸料工藝形成的“三明治”夾心材料。由于是蜂窩結(jié)構(gòu)，承受點的沖擊力不如玻璃鋼材質(zhì)的，且不易于成型，所以在智軌電車上芳綸蜂窩復合材料多被用作中頂板、側(cè)墻、裙板及其他區(qū)域平面裝飾板材料。由于采用預浸料工藝，其表面裝飾顏色可直接由基材自帶顏色確保。

圖13 芳綸蜂窩結(jié)構(gòu)Fig. 13 Aramid honeycomb structure

5.3.3 樹脂發(fā)泡增強材料

樹脂發(fā)泡增強材料是以樹脂作為基體，加入增強材料后進行發(fā)泡、固化而制得的一種復合材料，其具備輕質(zhì)高強、防火阻燃、易于成型、隔熱降噪、使用壽命長等優(yōu)良性能，主要用于風道、地板等應用場合。

6 結(jié)語

本文根據(jù)智軌電車的應用定位，對其總體技術(shù)及結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計進行研究，使得智軌電車具備良好的靈活性、適應性，同時具備傳統(tǒng)軌道車輛的安全性。智能軌道快運系統(tǒng)于2017年6月在湖南省株洲市正式對外發(fā)布，其具有建設(shè)周期短、基礎(chǔ)設(shè)施投資小、城市適應性高、綜合運力強等優(yōu)勢特點，是兼顧運能與投資的中運量軌道交通系統(tǒng)解決方案。后續(xù)將圍繞新架構(gòu)、新系統(tǒng)、新結(jié)構(gòu)3個維度對智軌電車進行研究，在現(xiàn)有智軌電車平臺的基礎(chǔ)上，提升車輛的先進性、安全性、可靠性和舒適性，并在整車系統(tǒng)經(jīng)濟性、可維護性等方面持續(xù)提升，打造具有市場競爭力的產(chǎn)品平臺。