钟恩洋1 臧兰兰2 曲晓梅3
1.中车大连机车车辆有限公司城铁开发部 辽宁大连 116022
摘要 本文介绍了一种3编组70%低地板有轨电车的研制背景、车辆编组型式、铰接型式、曲线通过、车体结构，并对车体强度进行了有限元分析和试验。
关键词 3编组 70%低地板 有轨电车 铰接 曲线通过 车体
1前言
低地板有轨电车运量大、造价低、工期短、绿色环保、运行平稳、舒适、转弯半径小、方便乘客上下车，并具备城市观光效果等诸多优点，深受各城市的青睐。目前国内外70%低地板和100%低地板有轨电车应用非常广泛。100％低地板有轨电车技术相对复杂，对系统可靠性要求高，关键技术尤其是动力转向架的独立车轮牵引控制系统设计难度大，造价高、维护成本高。而70％低地板车则以其技术成熟、造价低、维护成本低等优势得以继续使用。
本次研发项目为辽宁省沈抚新区有轨电车，此项目为公司首次研发的70%低地板项目，车辆采用3节编组。项目新建西延工程线路全长约5.2km，建成后与沈阳市浑南有轨电车5号线贯通运营，是贯通沈抚新区核心区有轨电车东西骨干线，架起了沈抚新区和沈阳市的连接桥梁。
2 车辆编组
沈抚新区有轨电车采用三节车辆编组形式，相邻的两车体之间采用铰接和贯通道连接。
编组方式如下：
=Mc1+Tp+Mc2=
Mc1、Mc2：带司机室的动车
Tp：无司机室带受电弓的拖车
车辆编组图如图1所示，车辆编组效果图如图2所示。
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3 铰接型式
3.1铰接系统配置
铰接装置位于每个模块间，它将相邻模块连接在一起，并同时起到承载车辆间纵向、垂向及横向载荷的作用，铰接系统配置如图3所示。
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3.2铰接系统主要技术参数
3.2.1 固定铰
固定铰主要由两个安装座（U型安装座和T型安装座）和一个中间轴承组成，固定铰通过螺栓固定在底架端梁上。固定铰可绕3个方向相互旋转，传递垂向力及大部分纵向力与横向力。固定铰的结构如图4所示。
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固定铰技术参数要求如表1所示：
其中，x-纵向，y-横向，z-垂向
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3.2.2 转动铰
转动铰主要由关节轴承、杆端轴承座、固定支座、橡胶轴承、调整杆等组成，转动铰通过螺栓固定在车顶的安装座上。转动铰与固定铰配合使用，实现车辆的水平转动。转动铰承受纵向力及横向力。转动铰的结构如图5所示。
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转动铰技术参数要求如表2所示：
其中，x-纵向，y-横向，z-垂向
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3.2.3 自由铰
自由铰为一拉杆结构，由两侧安装座、中间拉杆，拉杆两侧为关节轴承。自由铰与固定铰配合使用，能够实现相邻车辆间的水平、俯仰运动。自由铰不承受垂向力和纵向力，只承受横向力。自由铰的结构如图6所示。
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自由铰技术参数要求如表3所示：
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线通过验证
车辆通过曲线最恶劣条件为最小平面曲线，此项目最小平面曲线半径为25m，因此以25m半径平面曲线验证车辆曲线通过。
4.1 车辆在最小25m半径平面曲线内，通过曲线计算分析，铰接系统最大转动角度15.1°，如图7所示，车辆及铰接系统可满足25m半径平面曲线通过要求。
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4.2 车辆在最小25m半径平面曲线入口，通过曲线计算分析，铰接系统最大转动角度9.4°，如图8所示，车辆及铰接系统可满足25m半径平面曲线入口通过要求。
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4.3 车辆在最小25m半径平面曲线内、救援工况下（即一列车救援另一列故障列车，车钩处于连挂状态，车体前端开闭机构打开），通过曲线计算分析，如图9所示，两列车开闭机构安全余量为233mm，不会发生干涉。
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4.4 车辆在最小25m半径平面曲线入口、救援工况下（即一列车救援另一列故障列车，车钩处于连挂状态，车体前端开闭机构打开），通过曲线计算分析，如图10所示，两列车开闭机构安全余量为230mm，不会发生干涉。
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5 车体结构设计
5.1车体强度
车体结构符合标准EN12663-1:2010+A1：2014 《铁路应用 轨道车辆车体结构要求》，车辆类型归属于其中的P-Ⅳ类，满足纵向400kN压缩及300kN拉伸载荷。
5.2车体结构及材料
车体结构共3种：Mc1、Tp、Mc2，其中Mc1和Mc2两个动车主体结构相同，车体结构采用钢铝混合结构，模块化设计，主要有顶棚、侧墙、端墙、底架及司机室骨架等结构。因有轨电车主要设备均安装在顶棚上，需要考虑顶棚结构的刚度及平面度，因此顶棚采用铝合金型材拼焊结构，材料选用6005A-T6。侧墙、端墙、底架及司机室骨架选用高屈服强度钢S500MC材料。
5.2.1 车体结构断面的优化
车体结构断面考虑限界、车体外侧面距站台距离等因素，采用鼓形断面，车体最大宽度为2650mm，顶棚上平面距轨面高度3007mm，全车地板面有3种高度：721mm、375mm、577mm。车体断面如图11所示。
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5.2.2 动车车体
动车车体结构长度11480mm，一端连接在动力转向架上，另一端连接在铰接装置上。侧墙上由于开有大开度的门口、窗口，刚度被大大削弱。因此，底架将承受大部分的载荷，其刚度及强度决定整车承载能力。
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动车高地板和低地板区存在高度差，动力转向架区车体结构存在变截面区（如图12所示），属于高应力区，因此，纵梁和边梁设计为箱型结构，且在变截面处采用圆角过渡，避免应力集中。为了传递纵向载荷，高、低地板过渡的第二个台阶处的刚度必须足够大，但紧靠台阶处有一个大门口，给载荷的传递造成困难。为此，采取了载荷分流的结构：一是通过加大靠近台阶处的侧门立柱断面，把载荷向低地板底架边梁、侧墙和车顶部位传递；二是加强台阶处结构，采用圆弧过渡，把载荷向低地板底架纵梁及横梁传递。底架纵梁、横梁采用箱形或槽钢结构，提高底架强度和刚度。变截面区结构如图13所示。
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因侧墙需预留门口、窗口，侧墙整体强度被削弱，为了提高侧墙与底架和顶棚的连接强度，门立柱和窗立柱均采用方钢结构。
顶棚采用铝合金长大型材拼焊结构，与侧墙采用螺栓连接。
下铰接和上铰接连接结构为关键受力部件，均采用S500MC钢板拼焊结构，保证铰接装置连接强度。
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5.2.3 拖车车体
拖车车体通过枕梁连接在非动力转向架上，两端通过铰接装置与动车相连。每侧侧墙上设有两个窗口，刚度被削弱，但因车体长度只有3800mm，所以刚度、强度影响不大。拖车车体结构如图15所示。
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6 车体静强度有限元分析计算
6.1计算依据
计算按照标准EN12663-1:2010+A1：2014《铁路应用 轨道车辆车体结构要求》进行，在各种工况下，车体结构应力均不超过材料的许用应力。
6.2材料特性
车体碳钢结构材质为S500MC，铝合金结构材质为6005A-T6。按照相关标准，各材质的性能参数如表4所示。
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6.3计算工况
根据合同以及EN12663-1:2010+A1：2014《铁路车辆 铁路车辆车体结构要求》的相关要求对车体在各种工况下的静强度进行计算，计算工况如表5所示。
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6.4计算结果
对所有工况下车体结构进行受力分析，车体结构各部位出现的最大应力均低于按标准和规范规定的许用应力，车体结构静强度符合满足EN12663-1:2010+A1：2014标准的要求。
7 车体疲劳强度计算
7.1 计算依据
根据EN12663-1:2010+A1：2014标准，使用疲劳极限法对车体结构进行疲劳强度的评估。钢材的焊缝接头形式参照EN 1993-1-9标准，铝合金的焊缝接头形式参照IIW-2008标准。对于不同的焊接接头形式，选用循环次数N=1×107对应的应力范围为许用应力。
7.2 计算工况
三种工况：车体垂向加速度、车体横向加速度、车体纵向加速度
载荷大小：垂向载荷（1±0.15）*g*（车辆整备质量+定员质量）
横向载荷±0.15g*（车辆整备质量+定员质量）
纵向载荷±0.15g*（车辆整备质量+定员质量）
7.3 计算结果
EN12663标准所建议的三种疲劳载荷工况的对应循环次数是107，沈抚新区有轨电车车体结构疲劳计算结果显示，车体在三种疲劳载荷工况作用下，评价部位的最大第一主应力范围均低于许用应力范围，母材及焊缝抗疲劳性能达标。
8车体静强度试验验证
在车体静强度试验台对单车及编组列车进行静强度试验，车体之间通过铰接装置连接，试验结果表明：在考虑安全系数的情况下，车体结构应力小于材料的许用应力，车体的强度完全满足要求。
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9 结论
通过对车辆编组型式、铰接型式、车体结构的设计，并通过曲线计算、强度计算及试验验证，表明此次设计的3节编组70%低地板有轨电车车体设计合理。
参考文献
[1]常树民 70%低地板轻轨车车体设计 机车车辆工艺 第3期 2009年6月