城市轨道交通车辆结构与设计

城市轨道交通车辆结构与设计

张伟 乌蒙 杨川 张勇

重庆中车长客轨道车辆有限公司 重庆 401133

摘要：轨道交通作为一种重要的陆上交通工具，得益于该种交通模式人员承载能力强，建设成本投入低，整体运营速率较快等优势，现已成为广大人民群众日常通行当中的首选交通模式。轨道列车是一个非常复杂的系统，其中结构设计尤为重要，直接关系到列车的运行安全。

关键词：城市；轨道交通；车辆结构；设计

1车身轻量化设计策略

在进行轨道交通车辆结构设计的过程中，相关工作人员必须要对车身当中的板梁结构进行着重关注。由于板单元的应力较大，它主要用于建造车体的主梁，而梁单元是小梁形成的单元之一，同时混合了焊接技术。车身的总体结构是结合多年来的设计和试验验证结果确定的。因此，在车体结构轻量化的过程中，车体的梁柱布置不会发生变化。主要通过高新技术减轻车体结构所用材料的重量，不影响车体的承载条件。主要工作是优化局部板梁的厚度，梁单元的厚度不会因结构承载而消除。

1.1科学选择最佳变量

1.1.1分组优化

为了提高轨道交通车辆的运行速度，减少车辆运行过程中的能源消耗，现代化技术人员会对车身进行轻量化设计，选择的轻量化结构越多，其轻量化效果越显著。然而，在对车辆结构进行轻量化设计的过程中，为其添加过多的轻质结构单元部件，其设计过程就会涉及到多方面因素，还要对车辆的自身稳定性作出全面考量，这就导致轻量化设计效率无法达到令人满意的效果。因此，在实际的轻量化设计的过程中，技术人员可采取分组轻量化设计模式，并根据厚度的相似性和差异进行分组。但值得技术人员关注的是，采取整体化的板梁结构设计模式，能够让轻量化设计效率更具优势，相关技术人员必须要对整体结构当中质量较大的结构部件进行优化设计，并应考虑质量较小构件的应力和灵敏度分析。轻量化前，技术人员需要提前对轨道交通车辆的具体结构状况进行深入的了解和分析，从而制定出最佳的设计方案，以达到轻量化后的理想效果。

1.1.2变量的进一步划分

结合初始变量，相关工作人员便能获取较为初期的变量信息参数，随后要对各类变量的参数状况进行调整，还要对变量变化对应的结构质量改变进行严格监管，以此来保障结构质量到达理想标准，同时还不会对车辆主体结构的强度造成影响。其次，还有部分结构部件存在应力分布不均的状况，这就需要结合部件的灵敏度参数作出深入的划分。

1.2轻量化过程中遇到的限制

针对轨道交通车辆开展轻量化设计，其根本目的就是为了削减车辆的自身重量，使其更好地用于轨道交通车辆的启动和停止以及能源消耗。然而，减重并不是为了减重。在减重过程中会有边界约束，如车身的强度、刚度、模态和防撞能力。“1000人中有1000个小村庄”。尽管当前我国的汽车生产事业已逐步迈向成熟阶段，但各个生产企业的技术水平存在一定的差异，在设计的过程中各类结构数据也不简简单单的是一套参数信息，而是各个应用性能的水平区间。

在对轨道交通车辆进行优化设计的过程中，其车体强度必须要得到保障，而车体强度涉及到车辆实际运行过程中的多种状况，包括车辆的拉伸，压缩以及扭转等应力状况，在对其进行设计的过程中必须要将各类应力状况进行综合化考虑，这就会大大增加轻量化设计工作的难度和复杂程度。为此，技术人员必须要对最为重要的几项应力参数进行轻量化设计，使车身总体强度水平满足轻量化设计的具体规范。把最硬的骨头啃掉，剩下的问题就会迎刃而解。

1.33应力集中极限

事实上，车身结构的轻量化水平，直接会受到车身结构强度和车身应用刚度的限制和影响，而车身的强度和刚度问题也伴随着车体结构应力集中的各项问题，其结构的实际应力值往往会大于标准应一致。在对轨道交通车辆进行轻量化试验的过程中，技术人员往往会发现应力集中问题无法被有效解决，尤其是在各类焊接元件的零部件当中，当应力过于集中时，焊接零部件就会出现出汗或者失控问题。为此，针对焊接单元的组装工作，必须要保持严格的质量控制，还要经过多次的实验探索，获取最为科学有效的焊接单元应力集中解决策略。

首先，深入研究了焊接元件的组成部分，采用了更精确的焊接元件，优化了需要焊接的周边元件的网格，随后逐步开展了轻量化的模拟试验工作，通过对实验数据信息的相互比较，从而探究焊接元件的应力集中问题解决办法。然后围绕焊接单元进行二次优化，便能够成功的将焊接软件当中的大部分应力集中问题全面消除，让轨道交通车辆的自身结构更加完整，以此来避免应力集中带来的不利影响。。

经过上述操作后，单个应力集中点仍然存在，主要集中在尖角、孔、槽口、凹槽和单元零件周围。相关技术人员要结合以往设计经验，对各个连接部分的应力状况进行深入的分析，随后再采取有效的方法将应力均匀的分散到其他结构当中，避免应力过于集中。

2转向架的设计

2.1转向架设计特点

转向架在轨道交通车辆应用的过程中往往发挥着极为重要的作用，直接决定了车辆的动态性能，在进行车辆结构轻量化设计的过程中。针对转向架进行轻量化设计，不但能够让车辆运行更加平稳，还能让车辆在高速行驶时保持灵活的弯道操控能力。

2.2转向架的设计

针对转向架的设计工作可采取以下几项方法。第一，转向架架构所采用材料，要尽可能应用EN10025标准的S275J2G3钢板制造,并将其设计为“H”型。第二，转向架轮要成对组成，还要注意拖车转向架以及动车转向架的位置要保持固定状态。第三，一系悬挂。安装在轴承位置的弹簧装置，其高度要结合一系悬挂横向以及纵向的状况做出设定。第四，二系悬挂。车体与转向架之间的连接装置通常被称为二系悬挂，该装置能够传递车体和转向架之间的垂直力和水平力，使转向架能够在车辆通过曲线轨道是让车体保持回转状态，缓解车辆与转向架之间的震动动力。

结论

开展现代化的轨道交通车辆轻量化设计工作，需要相关工作人员对多方面影响因素进行全面考虑，而转向架的轻量化设计尤为重要，其结构设计要和车辆高度承载能力以及使用范围保持联系，还要结合具体的应用状况进行分析，不断提高自身的技术水平，让转向架得到持续的升级和优化，让车辆的运行更加平稳、高效、灵活。

参考文献：

[1]徐晓灵,王瑜琳,牟刚,等.轨道车辆转向架关键部件故障分析研究[J].科技风,2020(27):120-121.

[2]张莉,董磊,刘志远.碳纤维复合材料在轨道交通车辆转向架上的应用[J].城市轨道交通研究,2020,23(08):190-193.

[3]梁云,谌亮,杨集友,等.碳纤维复合材料在轨道交通车辆转向架上的应用[J].城市轨道交通研究,2020,23(01):129-133.