现代有轨电车车辆研究

现代有轨电车车辆 研究

吴迪

中车唐山机车车辆有限公司产品研发中心 河北省唐山市 063035

摘要：介绍现代有轨电车技术特点及应用情况，分析现代有轨电车总体模式、车体常用材质及其结构与技术特点；为市场需求针对性总体模式选型、车体材料选型及与相适应的车体结构设计及优化提供支撑。

关键词：有轨电车 总体模式 车体 结构

1.有轨电车特征及应用

有轨电车发展始于上世纪80年代，历史悠久。20世纪60年代末至70年代初，在城市交通需求的推动下，有轨电车开始得到快速发展和规模性应用。现代有轨电车更是实现了“车辆与路权”的变革，同时具有编组灵活、运量适中、布设灵活、投资低、工期短、运营成本低、架构模式及转向架形式多样化的特点。100%低地板有轨电车小曲线通过能力提升增加了对城市小空间的适应性；按照CJ/T 417-2012《低地板有轨电车车辆通用技术条件》要求，100％低地板有轨电车地板高度一般控制在350 mm以下，司乘人员乘降更为方便。

1.1 国外有轨电车特征及应用

美国、加拿大、澳大利亚和日本陆续在中等城市引入现代有轨电车。据不完全统计目前国外已有300多座城市建设运营有轨电车。其中，墨尔本拥有全球最大有轨电车网络，涵盖250公里线路。美国超过30个城市，加拿大3个城市，墨西哥首都均运营有轨电车等。

在欧洲、美国、澳大利亚等多个国家和地区，约500个系统正在运营，具有不同的功能定位。大致可以分为区域骨干型、城市骨干型、加密型、特色型。

1.2 国内有轨电车特征及应用

1908年中国第一条有轨电车在上海建成通车，标志着我国城市公共交通的一个里程碑。1909年以后在大连、北京、天津、沈阳、哈尔滨、长春等城市都相继修建了有轨电车线路。截至2019年12月31日，全国共开通有轨电车运营里程405.63公里，有16座城市开通了城市有轨电车，其中沈阳有轨电车运营里程达到97.42公里位居全国首位。

2.有轨电车总体模式特征

有轨电车运营于城市街道，具有铁道车辆特征，同时具有与街道运用相适应的技术特征。现代有轨电车不仅在外观上有许多变化，而且在技术装备上加入了诸多高科技的元素，其技术性能和舒适度是以前老式有轨电车不能相比的。有轨电车有专门轨道，不受堵车影响，运行准时。

2.1 低地板设计

现代有轨电车多运行于城市街道，乘降性能尤为重要。因此，地板高度是现代有轨电车的重要指标之一。100％低地板有轨电车地板高度一般控制在350 mm以下。早期因受传动系统和电气设备布置的限制，低地板率一般在50%-70%，后期建造一般为100%有轨电车。通常70%和100%低地板有轨电车较多。亦有有轨电车采用新型车辆模式，使得地板高度降低至0.20m以下。根据地板高度，有轨电车可以分为50%～70%部分低地板、100%低地板和超低地板。

2.2 架构形式多样化

有轨电车总体模式多样化，主要体现在走行部配置方式的灵活性。有轨电车的总体模式主要考虑曲线通过性能，可维修性，以及总体成本。现代有轨电车的总体模式主要有3种模式：铰接式、单车型、浮车体形式。

由于转向架布置方式的差异，车间链接方式需要适应性设计。如单车型有轨电车，结合线路平纵断面形式，根据车辆编组形式，一般在车辆连接端部设置上绞和下铰。上绞一般有弹性铰接和自由铰接，下铰一般有单铰和双铰；以进行承载、约束定位和平纵曲线的适应。

2.3 适应有轨电车架构形式的走行部

现代有轨电车低地板设计对走行部提出新的需求。应生的转向架有小轮径刚性轮对转向架、独立车轮转向架和门式构架中间模块转向架。独立车轮转向架左右车轮独立旋转，通过车桥连接，提供更大空间，为车体100%低地板提供支撑。但是从长期运用看，独立车轮转向架车轮磨耗和脱轨安全性较传统轮对略差。而小轮径刚性转向架应用则对车体低地板和大空间设计提出挑战。

3.有轨电车车体结构

为适应现代有轨电车功能与性能及架构需求，车体作为重要承载部件，在满足新型架构模式的同时，正在向轻量化和高承载方向发展。有轨电车车体材质分为碳钢、不锈钢、铝合金材质，以下针对不同材质的车体结构举例说明。

3.1 车体结构性能要求

有轨电车车体结构设计符合BS EN 12663-1:2010+A1 2014《铁路应用-轨道车辆车体结构要求》等标准要求，车辆类型属P-V类，需满足纵向200 kN压缩及150 kN拉伸载荷。在车体结构性能要求下，结合材料特性，考虑环境适应性和成本控制，以及轻量化和模块化设计理念，进行车体结构设计。

3.2 车体承载结构常用材质及其特点

现代有轨电车车体承载结构常用材质有碳钢、不锈钢和铝合金材质。

碳钢材质具有良好的工艺性、机械性能、抗裂性能，能够做出各种外形的零件，焊接缺陷较少；材料成本低；在车体设计制造时有灵活的选择余地。满足相同强度标准下的车体，碳钢车体所使用板材厚度较不锈钢材质相对较厚，不利于车体减重。抗腐蚀性能一般。

不锈钢材料防腐性能最优秀，强度最高。相同强度要求的情况下，可以通过降低车辆的板厚来实现车辆的轻量化，同时可不涂装。此外，不锈钢防火性能好。不锈钢熔点在1400℃以上,防火性能优于铝合金车体。但不锈钢焊接性能差，不锈钢车体的气密性差，不适用于对气密性要求高的高速车辆。

铝合金车体在满足强度、刚性相同要求下重量较碳钢车体轻。由于铝合金涂装后具有良好的耐腐蚀性，使用寿命长，车辆维护费用、运营费降低，与碳钢、不锈钢车相比有明显的优势。铝合金有较好的低温性能，随温度降低，除延伸率略有降低外，其余机械性能均有所提高，不存在碳钢脆性转变现象。

3.3 车体结构设计

3.3.1车体一般组成及功能

现代有轨电车车体一般考虑整体承载方式，由底架、侧墙、端墙和车顶组成。车体底架一般由边梁、横梁及纵梁组成。其中，横梁根据位置和功能可以分为端梁、枕梁，以及其他结构加强型横梁。司机室端梁实现重连（救援）连接；另一侧端梁安装下部铰接装置，实现车辆间的下部连接；枕梁实现与转向架连接配合。

现代有轨电车一般采用大开度门窗，侧墙结构实现承载的同时为门窗提供装配接口。端墙上部安装铰接盘，实现与上部铰接装置的接口，其余部分实现贯通道安装定位。低地板车体主要设备均安装在车顶上部。碳钢车和不锈钢车在车顶大设备处增加横、纵梁进行增加车体的刚度和稳定性，所有底架横梁和侧墙立柱及车顶横梁的尽量在满足平面布置的情况下实现交圈布置，以便提高整车的刚度和强度。

3.3.2体结构设计原则

车体结构为多目标设计，需要考虑强度-刚度性能、轻量化、模块化、综合成本等目标需求。以多目标为导向，充分考虑车体承载特点，结合材质力学特性，进行选材配置是有轨电车车体结构设计的基本原则。在车体与其他系统接口处，特别是存在较大动载荷输入的接口位置处，需要采用高强度材料或者框架结构。其他部位合理选配材料和配置结构。

另外，动载荷较大位置处的薄壁结构应考虑结构胶粘接，避免刚性连接的振动疲劳问题。这样的弹性连接相比焊接、铆接、螺栓连接等刚性连接具有更高的疲劳强度，提高了使用寿命。

3.4 新材料及新工艺

轻量化和模块化设计是轨道交通系统重要发展方向之一。新材料及新工艺是实现轻量化和模块化的重要途经。等强度设计保证合理均布冗余，是车体轻量化的手段之一。碳纤维等新型材料基础技术的发展，为车体轻量化突破提供技术支撑。

基于轻量化的设计，车体结构在适当部位采用复合材料。充分考虑部位受力特性和材料力学特性及其工艺实现特征，基于等强度的理念进行复合材料车体结构设计。如底架采用铝合金结构、车顶、侧墙和端墙及车轮罩采用碳纤维复合材料。

4.总结

在城镇化趋势和公交优先战略背景下，低地板有轨电车将成为国内公交的重要组成方式。本文在国内外有轨电车发展及应用分析的基础上，阐述了现代有轨电车总体技术特征，分析了多接口下、多目标下车体结构设计的一般原则和结构特点，以期为新型有轨电车设计提供参考。

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