地鐵B型車車體彈性變形量對(duì)車輛限界的影響研究

李廣君

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津　300142)

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地鐵B型車車體彈性變形量對(duì)車輛限界的影響研究

李廣君

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300142)

摘要：為了研究車體彈性變形量對(duì)車輛限界的影響情況，依據(jù)EN 12663對(duì)地鐵某B型車體進(jìn)行仿真計(jì)算，分析其模態(tài)及不同工況下的車體受載變形情況，找到對(duì)車輛限界產(chǎn)生影響的車體變形量。研究結(jié)果表明：在實(shí)際運(yùn)用中不會(huì)發(fā)生車體共振；扭轉(zhuǎn)載荷作用下車體肩部向外產(chǎn)生的1.3 mm變形量、壓縮載荷作用下車頂中部向上產(chǎn)生的8.6 mm變形量、壓縮與垂向載荷共同作用下車頂中部向上產(chǎn)生4.0 mm變形量會(huì)對(duì)車輛限界產(chǎn)生影響。提出在地鐵車輛限界計(jì)算需對(duì)車肩變形量處理、B1型車車輛限界計(jì)算需對(duì)車頂變形量處理。

關(guān)鍵詞：地鐵；車輛限界；車體變形；限界因素；有限元；計(jì)算

鐵路機(jī)車車輛限界與設(shè)備限界、建筑限界三者互相依存[1]。車輛限界是進(jìn)行設(shè)備限界及建筑限界計(jì)算的基礎(chǔ)，因而在限界設(shè)計(jì)工作中處于核心地位。車輛限界的影響因素眾多，例如：輪對(duì)制造誤差、軸承游隙、輪對(duì)垂向彈性變形量、彈簧垂向變形量等[2]。國(guó)內(nèi)學(xué)者在車輛限界的計(jì)算中考慮車輛制造誤差、不利工況下的運(yùn)行位置、輪對(duì)、轉(zhuǎn)向架及車體的相對(duì)位移量、軌道線路幾何偏差、支撐彈簧的變形量等[3]。也有學(xué)者針對(duì)車輛限界的影響因素進(jìn)行探討，文獻(xiàn)[4]針對(duì)磁懸浮列車車輛限界的影響因素進(jìn)行分析計(jì)算，為低速磁懸浮列車車輛限界標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)提供依據(jù)。文獻(xiàn)[5]通過(guò)分析計(jì)算抗側(cè)滾扭桿對(duì)限界的影響，得出《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50157—2013)中考慮該因素是十分合理的。車體彈性變形在車輛實(shí)際運(yùn)用中是必然存在的，可能對(duì)車輛限界產(chǎn)生影響，但該因素在計(jì)算車輛限界時(shí)并未考慮[6]。因此，本文以地鐵某B型車體為例，通過(guò)仿真計(jì)算得出車輛在不同工況下所產(chǎn)生的變形量，進(jìn)而分析車體變形量對(duì)車輛限界的影響情況，提出在車輛限界計(jì)算中考慮相應(yīng)車體變形量的合理性。

1研究對(duì)象

1.1車體結(jié)構(gòu)

本次選取某B型車車體作為研究對(duì)象，B型車廣泛應(yīng)用于我國(guó)城市軌道交通領(lǐng)域。車體結(jié)構(gòu)采用鋁合金材料的整體承載結(jié)構(gòu)，車體由底架、側(cè)墻、車頂、端墻及車體附件組成。車體三維模型如圖1所示。

圖1　車體結(jié)構(gòu)三維模型

1.2車輛參數(shù)

車輛基本參數(shù)如表1所示。

表1　車體基本參數(shù)

2車體變形量影響因素仿真研究

2.1有限元模型建立

利用HyperMesh軟件采用殼單元建立車體有限元模型，網(wǎng)格尺寸均取為50 mm，整車共包含單元數(shù)295 020個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)263 522個(gè)。車體離散模型如圖2所示。

圖2　車體離散模型

2.2車體共振對(duì)車體變形量的影響

車體動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，是指車體(全裝備車體)一階垂直彎曲振動(dòng)的固有頻率必須要高于某一規(guī)定值，避免車體產(chǎn)生劇烈的或過(guò)大的振動(dòng)。國(guó)際鐵路聯(lián)盟UIC Merkblatt566(1992)規(guī)定全裝備車體的一階垂向彎曲自振頻率不低于10 Hz[7]，我國(guó)在《高速動(dòng)力車及動(dòng)力學(xué)性能規(guī)范》(95J01-L)中，也做出了同樣的規(guī)定。全裝備車體的質(zhì)量比車體鋼結(jié)構(gòu)增加很多，所以全裝備車體的一階垂直彎曲振動(dòng)的固有頻率要比車體鋼結(jié)構(gòu)低。

如圖3所示，該車體的1階垂向彎曲固有頻率為15.84 Hz，滿足“車體鋼結(jié)構(gòu)1階垂向彎曲頻率高于14 Hz”的要求。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，車體實(shí)際運(yùn)用中不可能達(dá)到共振頻率，因此，車輛共振對(duì)車體變形量的影響可忽略不計(jì)。

圖3　車體1階振型

2.3運(yùn)用載荷對(duì)車體變形量的影響

2.3.1計(jì)算載荷

選擇合理的計(jì)算工況，需要了解哪些變形量會(huì)對(duì)車輛限界產(chǎn)生影響：

(1)由于車底與轉(zhuǎn)向架連接[1]，因此，車底變形量并不會(huì)對(duì)車輛限界產(chǎn)生影響；

(2)當(dāng)車體產(chǎn)生向外擴(kuò)張變形時(shí)，才會(huì)對(duì)車輛限界產(chǎn)生影響，車體內(nèi)凹變形量并不會(huì)對(duì)車輛限界產(chǎn)生影響[3]。

通過(guò)以上分析，選取如表2所示的載荷工況，根據(jù)車體設(shè)計(jì)參數(shù)，依據(jù)EN12663、TB/T1335—1996確定各計(jì)算載荷[8]。

表2　計(jì)算載荷

2.3.2計(jì)算結(jié)果

利用表2中的工況，對(duì)車體分別施加載荷后得到的計(jì)算結(jié)果如下。

(1)壓縮載荷(工況1)

該工況出現(xiàn)在：車輛在正線運(yùn)行中的制動(dòng)過(guò)程；車輛在場(chǎng)段或正線區(qū)間救援過(guò)程中進(jìn)行聯(lián)掛作業(yè)。

如圖4所示，壓縮載荷作用下車體類似桿兩端受載發(fā)生向上凸起變形，最大變形量出現(xiàn)在車體中部。仿真計(jì)算得到：在車體中部，車頂向上產(chǎn)生8.6 mm變形量，車底向上產(chǎn)生11.8 mm變形量，如圖5所示。其中車頂向上8.6 mm變形量會(huì)對(duì)車體頂部限界產(chǎn)生影響。

圖4　壓縮載荷作用下車體變形趨勢(shì)

圖5　壓縮載荷下車體中部變形量(單位：mm)

(2)扭轉(zhuǎn)載荷(工況2)

該工況出現(xiàn)在當(dāng)車輛進(jìn)入緩和曲線區(qū)段，前位轉(zhuǎn)向架已進(jìn)入緩和曲線而后位轉(zhuǎn)向架處于平直線上，由于曲線外軌超高，前位轉(zhuǎn)向架外側(cè)輪對(duì)隨線路抬高[9]。車體在扭轉(zhuǎn)工況下，由于轉(zhuǎn)向架兩側(cè)高度不一致，車體與前位轉(zhuǎn)向架連接部位產(chǎn)生最大變形量，如圖6所示：車底架兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)上下相反1.5 mm的變形量，車肩部位會(huì)發(fā)生1.3 mm變形量。

由于底架與轉(zhuǎn)向架連接，底架1.5 mm變形量不會(huì)直接影響車輛限界，而車肩部位向外產(chǎn)生的1.3 mm變形量則會(huì)直接影響車輛限界。

圖6　扭轉(zhuǎn)工況枕梁中心處變形量(單位：mm)

(3)壓縮載荷與垂向載荷疊加(工況3)

該工況出現(xiàn)在車輛在正線區(qū)間救援過(guò)程中進(jìn)行聯(lián)掛作業(yè)時(shí)。

車體最大變形量出現(xiàn)在中部，由圖7可知該組合工況下，車頂向上產(chǎn)生4.0 mm變形量，車底向上產(chǎn)生4.8 mm變形量。車頂向上產(chǎn)生的4.0 mm變形量則會(huì)對(duì)車輛限界產(chǎn)生影響。

由以上分析可知：

(1)當(dāng)車輛通過(guò)緩和曲線時(shí)，車體肩部向外產(chǎn)生1.3 mm變形量會(huì)對(duì)車輛限界產(chǎn)生影響；

(2)當(dāng)車輛受流方式為受電弓受流時(shí)，車頂變形量會(huì)包含在受電弓彈性變形中，對(duì)車輛限界不會(huì)產(chǎn)生影響[10]；

(3)車輛受流方式為第三軌受流時(shí)，此時(shí)車頂變形量就會(huì)直接影響車輛輪廓，因此，車頂向上產(chǎn)生的變形量會(huì)對(duì)B1型車車輛限界產(chǎn)生影響，其中，工況1作用下車頂向上產(chǎn)生8.6 mm變形量，工況3作用下車頂向上產(chǎn)生4.0 mm變形量均會(huì)對(duì)車輛限界產(chǎn)生影響。

圖7　壓縮與垂向載荷工況車體中部變形量(單位：mm)

3考慮車體彈性變形量的車輛限界修正

由以上分析可知車體頂部向上最大變形量為8.6 mm。雖然變形量數(shù)值較小，但該變形量也會(huì)對(duì)車輛限界產(chǎn)生一定的影響，在車輛限界的計(jì)算中，同樣考慮了諸多微小因素[11]，例如一系彈簧豎向永久變形量為5 mm、輪對(duì)橫向制造誤差為1.5 mm、轉(zhuǎn)向架橫向制造誤差為2 mm、轉(zhuǎn)向架軸箱軸承橫向游間為1 mm等。因此，車頂變形量也應(yīng)該考慮到車輛限界的計(jì)算中，各種微小因素共同作用就會(huì)明顯影響車輛限界。因此，在車輛限界的計(jì)算中同樣需要考慮車體變形量?！兜罔F限界標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ 96—2003)中針對(duì)車輛限界計(jì)算因素分為隨機(jī)因素和非隨機(jī)因素，對(duì)二者的處理方式如下：

(1)針對(duì)非隨機(jī)因素，采取線性加和的計(jì)算方式；

(2)針對(duì)隨機(jī)因素，依據(jù)概率統(tǒng)計(jì)的數(shù)學(xué)原理，采取均方根加和的計(jì)算方式。

工況1中車頂向上產(chǎn)生8.6 mm變形量，當(dāng)該變形量出現(xiàn)在場(chǎng)段中進(jìn)行掛鉤作業(yè)，則該變形量屬于非隨機(jī)因素，采取線性加和的處理方式。

在計(jì)算車場(chǎng)線中車頂部分車輛限界時(shí)，則需要將8.6 mm直接加和到車體豎向向上偏移量的公式中。

而當(dāng)車輛空車狀態(tài)在正線區(qū)間進(jìn)行救援掛鉤作業(yè)時(shí)，則屬于隨機(jī)因素，因此，計(jì)算正線車頂部分車輛限界時(shí)，將車頂變形量8.6 mm按隨機(jī)因素采用均方根的計(jì)算方式加和到車體豎向向上偏移量的公式中。

工況2出現(xiàn)在緩和曲線地段，地鐵線路中必然有緩和曲線地段[12]，因此，車體肩部1.3 mm變形量屬于非隨機(jī)因素，在計(jì)算車肩部分的車輛限界時(shí)，需要將1.3 mm直接加和到車體橫向偏移量的計(jì)算公式中。

工況3車輛在正線滿載時(shí)失去動(dòng)力并進(jìn)行掛鉤作業(yè)屬于偶然事件，該工況中車頂4.0 mm變形量屬于隨機(jī)因素，在計(jì)算區(qū)間車輛限界時(shí)需將該變形量按隨機(jī)因素采用均方根的計(jì)算方式加和到車體豎向向上偏移量的公式中。

4結(jié)論

(1)在緩和曲線地段，車體受到扭轉(zhuǎn)載荷作用在車肩部分產(chǎn)生1.3 mm變形量，計(jì)算B型車車輛限界時(shí)需按非隨機(jī)因素處理。對(duì)該變形因素的處理方式同樣適用于地鐵A型車車輛限界的計(jì)算。

(2)在場(chǎng)段中進(jìn)行掛鉤作業(yè)時(shí)，車體會(huì)在壓縮載荷作用下車頂中部向上產(chǎn)生8.6 mm變形量，在計(jì)算B1型車車場(chǎng)線車輛限界時(shí)需對(duì)該因素按非隨機(jī)因素處理。

(3)在正線空車掛鉤作業(yè)時(shí)，車體受到壓縮載荷作用在車頂中部產(chǎn)生4.0 mm變形量，在計(jì)算正線B1型車車輛限界時(shí)需對(duì)該因素按隨機(jī)因素處理。

(4)需進(jìn)一步通過(guò)車體靜強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)及線路試驗(yàn)，研究車體在實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下的彈性變形情況。

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收稿日期：2015-10-13； 修回日期：2015-11-23

作者簡(jiǎn)介：李廣君(1988—)，男，助理工程師，2014年畢業(yè)于北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院車輛工程專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail：805048457@qq.com。

文章編號(hào)：1004-2954(2016)06-0156-04

中圖分類號(hào)：U270.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.06.032

Research on the Impact of B-type Subway Vehicle Body Elastic Deformation on Vehicle Gauge

LI Guang-jun

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300142，China)

Abstract：In order to study the influence of vehicle body elastic deformation on vehicle gauge，simulation of B-type subway vehicle body is conducted according to EN 12663. Then modal and the elastic deformation under different working conditions are analyzed to find the elastic deformation，which affects vehicle gauge. The results showed that vehicle body resonance will not occur in the practical application; vehicle body shoulder generates 1.3 mm outer deformation under torsion loads; vehicle body middle roof generates 8.6 mm up deformation under compression loads; vehicle body middle roof generates 4.0 mm up deformation under compression and vertical loads. It is put forward that metro vehicle gauge calculation needs to deal with shoulder deformation and B1 type vehicle body limits calculation needs to deal with roof deformation．

Key words：Subway; Vehicle gauge; Body deformation; Gauge factor; Finite element; Calculation