松江有軌電車懸浮模塊鋁合金車體的設計*

許　敏，　吳學政，　曾潞洋

上海阿爾斯通交通設備有限公司　上海　200245

松江有軌電車懸浮模塊鋁合金車體的設計*

許敏，吳學政，曾潞洋

上海阿爾斯通交通設備有限公司上海200245

摘要：介紹了松江有軌電車懸浮模塊車體結構的特點，在分析鋁合金車體結構特點和力學性能的基礎上，通過有限元計算和試驗，驗證了懸浮模塊車體結構能夠滿足使用要求。

關鍵詞：有軌電車； 鋁合金車體； 結構； 強度

Abstract：The structural feature of the suspended moduler coach in Songjiang trolley is presented in the article. On the basis of analyzing the structural feature and mechanical properties of aluminium alloy coach, and through finite element calculations and experiments, it demonstrates that the structure of suspended moduler coach can satisfy the requirements.

Key Words：Trolley; Aluminium Alloy Coach; Structure; Strength

松江有軌電車是上海第一個成網絡的有軌電車系統，覆蓋了松江、閔行兩個區。車輛具有輕量化、高強度的特點，使用擁有大量應用業績的阿爾斯通Citadis平臺的成熟車設計方法，可確保車體結構的強度和剛度符合標準，滿足用戶使用要求。介紹了懸浮車模塊車體結構的設計，并且通過有限元計算和試驗驗證，產品能夠滿足用戶的要求。

車體共分為5個模塊，其中： M1、M2為帶司機室的動車模塊，C1、C2為懸浮模塊，NP為帶受電弓的拖車模塊，車輛側墻為弧形，半徑為10000mm，全車采用100%低地板結構，圖1所示為車輛結構。

圖1　車輛結構

1懸浮模塊車體介紹

從車輛結構上看，懸浮模塊下部無轉向架，起前端模塊和中間模塊之間的過渡功能，通過鉸接裝置分別與前端模塊和中間模塊連接。全車除端墻板外，采用鋁板和擠壓鋁型材制作，各大模塊之間采取鉚釘和螺栓方式連接。能夠承受垂直、縱向、橫向、扭轉等載荷，并能通過1000萬次疲勞試驗，車體使用壽命不低于30年，期間無需結構性的修理和補強。

2材料的選擇

車體承載結構采用鋁合金板材、鋁合金擠壓型材和鋼板制造，鋁合金板材6061 T6用于底架兩端，型材6005A T6和6082 T6用于地板、側墻和車頂，鋼板RCS355用于端墻，全車禁止采用7系鋁合金材料。鋁合金材料應符合EN 485、EN 573、EN 13891-1、DIN EN 754及DIN EN 755-2標準或相關中國標準的成分、強度、質量和防腐蝕要求。鋼板應采用符合DIN10025、DIN1626、DIN1629標準或其它相當標準的低合金高強度鋼。鋁合金6005A T6、6061 T6、6082 T6 耐腐蝕性高和密度低，同時具有較高的抗拉強度和屈服強度，在國內軌道交通行業廣泛應用，這也是該設計采用鋁合金制造的主要原因。

3主要技術參數

構造速度： 80km/h；車體長度： 6124.5mm；車輛寬度： 2650mm；地板面距離軌面： 335mm；車頂至軌面高度(新輪，落弓)≤3750mm。

整個車輛客室都采用100%低地板設計，客室內部沒有臺階，局部斜坡滿足無障礙通行要求。

4鋁合金車體結構設計

4.1　車體總成

車體主體結構采用強度大、質量輕、耐腐蝕性能好的大型擠壓鋁合金型材和板材，對結構復雜且對強度要求更高的承載部位，如端墻等，均采用高強度碳鋼制作。為了更好地降低空氣阻力，車體外形為鼓形，能更好地減少能源的損耗。同時車體采用大斷面鋁合金中空擠壓型材和鉚接結構，能有效地避免焊接帶來的缺陷和內應力。鋁合金車體主要由底架、側墻、端墻、車頂等部分組成，地板和車頂采用縱向長尺寸的擠壓鋁合金型材制造，底架為無中梁結構。車體主體結構如圖2所示，斷面結構如圖3所示。

圖2　車體結構

圖3　車體斷面

4.2　底架組成模塊

底架是車體組成的基礎，由底架前端、邊梁和地板組成。底架前端用于安裝固定鉸接裝置，起連接頭車和中間車的作用。底架設計滿足下列要求： 地板可承受AW3工況下的乘客載荷(8人/m2，每人61kg；其中AW0為空載，AW2為半載，AW3為超載，AW5為1.2倍AW3)，底架底部提供駕車和復軌支撐點。

4.2.1底架前端

底架前端由上下蓋板、端板和側板組成，為槽形結構，共5塊板材。上下蓋板采用10mm鋁板，端板采用20mm鋁板，側板采用16mm鋁板，材料均為6061 T6鋁合金，前端和地板之間采用焊接和鉚接方式連接。

4.2.2地板

地板組成由通長中空擠壓型材焊接而成，共5塊型材，分兩種斷面。地板上下面的壁厚為3.2mm，筋板厚度為2.7mm，在滿足底架強度和剛度的同時，最大限度地減輕質量，地板中間采用插接焊接結構，兩側留有和邊梁搭接的結構，便于調節底架的寬度尺寸。

4.2.3邊梁

邊梁與地板連接處為搭接結構，在邊梁中部型腔中安裝滑塊，上下腔留有鉚接空間，以便側墻采用HUCK鉚釘連接。

4.2.4頂車裝置

在地板底部四個角設有4個頂車裝置，采用 8mm不銹鋼花紋鋼板，防止架車時滑動，架車支撐點可滿足車輛拆卸、組裝、檢修、吊運和救援作業的需要。

4.3　側墻組成模塊

側墻由一、二位側墻組成，兩側側墻完全對稱，每側側墻由門框、窗立柱和窗橫梁等幾部分組成。立柱之間形成車門和窗區域，立柱和底架、車頂先用螺栓固定，然后采用HUCK鉚釘連接，具體結構如圖4所示。

圖4　大部件之間連接

4.4　車頂組成模塊

車頂為承載結構，采用厚3.2mm具有足夠剛度的密封中空擠壓型材插接而成，在承載空調單元和制動電阻的相應部位分別加固，并保證空調排水通暢。

4.5　端墻組成模塊

端墻以左、右對稱的端墻板為基礎，采用高強度碳鋼RCS355制作，起連接貫通道作用，同時又充分考慮車輛發生事故碰撞沖擊時吸收變形能量。

4.6　大部件模塊連接

采用模塊化結構，各模塊之間采用先螺栓后鉚釘的方式進行連接，能有效避免因焊接帶來的變形和應力。先通過螺栓與滑塊連接，調整好尺寸后緊固，然后用鉆模配鉆HUCK鉚釘孔進行鉚接。

5鋁合金車體結構有限元計算

利用有限元分析法對車體進行強度、剛度、模態和穩定性驗證。

5.1　有限元計算規范

計算主要依據EN12663—2010標準，并參考德國標準VDV 152。在各工況下，車體結構的應力均不得大于材料的許用應力。

車體結構主要部位的材質和許用應力見表1。

表1　車體結構主要部位的材質和許用應力

5.2　有限元計算模型

按照實際結構采用板單元對車體整車結構進行離散，車體離散后的模型如圖5所示，模型的建立和計算分析采用ANSYS軟件在工作站上進行。

圖5　車體有限元離散模型

5.3　強度計算工況

工況1： AW0+底架壓縮載荷400kN；工況2： AW0+底架拉伸載荷200kN；工況3： AW0；工況4： AW2；工況5： 1.2AW3；工況6： AW3+底架壓縮載荷400kN；工況7： 0.2AW2+1000萬次疲勞；工況8： 頂車工況1.1AW0；工況9： 頂部鉸接側向1000N+1000萬次疲勞；工況10： AW2至AW0門窗變形；工況11： AW5至AW0門窗變形。

5.4　應力計算結果

經計算，各種工況下車體結構板單元的最大應力及其相應部位見表2，由表可見，在各個工況下，車體的應力均小于車體的許用應力，滿足設計要求。

5.5　變形計算結果

表3為材料變形量的計算結果，從工況10和11可以看出，當載荷變化時，材料的變形量最大為2.35mm，小于規定值7mm，滿足設計要求。

在AW0、AW2和1.2AW3工況下，車體結構邊梁中央和地板中央位置的撓度見表4。

由表4可見，在1.2AW3超載工況下，車體邊梁的垂向位移為5.04mm，滿足設計要求。

5.6　強度計算結論

有限元計算結果表明，車體結構的計算應力均小于材料的許用應力，鉚釘和螺栓處的應力也小于緊固件許用應力，滿足EN12663—2010標準中關于強度的要求。在1.2AW3工況下，滿足設計要求。

表2　車體主要部位在各工況下的計算應力

表3　材料變形量

表4　W0、AW2和1.2AW3工況下，車體結構邊梁中央和地板中央位置的撓度

6靜強度試驗

靜強度試驗驗證了車體結構的應力均小于材料的許用應力，滿足EN12663—2010標準和VDV 152標準中關于靜強度的要求。

7結束語

綜上，在分析鋁合金車體結構特點和力學性能的基礎上，運用有限元計算和試驗，證明了懸浮模塊車體結構能滿足使用要求。

參考文獻

EN755—2—2008，鋁和鋁合金擠壓棒材/桿材、管材和型材(第2部分)： 機械性能.

EN12663—2010，鐵道應用-軌道車身的結構要求.

文章編號：1674-540X(2015)04-005-04

中圖分類號：U482.1

文獻標識碼：A

作者簡介：第一 許敏(1979-)，男，大學本科，工程師，主要從事軌道交通車輛的研發，E-mail： xumindys@163.com

收稿日期：2015年8月

*上海市科委科技創新行動計劃項目(編號： 15DZ1204303)