跨座式單軌“?8?運(yùn)營(yíng)?+?8?救援”列車車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

肖靜飛

摘 要：重慶市軌道交通跨座式單軌列車將由4 輛、6 輛編組擴(kuò)編為 8 輛編組，相應(yīng)的救援列車也將擴(kuò)編到 8 輛編組。為滿足“8 運(yùn)營(yíng) + 8 救援”列車救援要求，需要對(duì)既有車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體優(yōu)化。首先對(duì)“8 運(yùn)營(yíng) + 8 救援”列車最惡劣救援工況下車體承受荷載進(jìn)行分析，獲得其須承受的最大載荷，然后對(duì)既有列車的車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì);有限元分析表明，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的車體結(jié)構(gòu)滿足“8 運(yùn)營(yíng) + 8 救援”列車救援要求。

關(guān)鍵詞：跨座式單軌;救援列車;車體結(jié)構(gòu);優(yōu)化設(shè)計(jì);有限元分析

1 救援列車縱向受力分析

根據(jù)重慶市軌道交通跨座式單軌在救援工況下“8 運(yùn)營(yíng)+ 8救援”的列車編組特點(diǎn)，按照GB 50458-2008《跨座式單軌交通設(shè)計(jì)規(guī)范》中單軌線路最大坡道為60‰，對(duì)“8運(yùn)營(yíng)+8救援”列車在坡道上的縱向受力進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算工況如下。

（1）工況1，救援列車處于平道，運(yùn)營(yíng)列車處于50‰坡道上。

（2）工況2，救援列車處于平道，運(yùn)營(yíng)列車處于60‰坡道上。

（3）工況3，救援列車處于50‰坡道，運(yùn)營(yíng)列車也處于50‰坡道上。

（4）工況4，救援列車處于60‰坡道，運(yùn)營(yíng)列車也處于60‰坡道上。

工況1和工況2屬于平道救援，工況3和工況4屬于坡道救援?！?運(yùn)營(yíng)+ 8救援”列車編組示意圖如圖 1 所示（圖中緩沖器斷面按照前后順序依次編號(hào)為1～15），其在坡道上的縱向受力計(jì)算結(jié)果如表1所示。由表1可知，當(dāng)救援列車處于平道，運(yùn)營(yíng)列車處于60‰ 坡道上，且運(yùn)營(yíng)列車為滿載（超員，AW3）工況時(shí)，最大車鉤力出現(xiàn)在8號(hào)車鉤，為466 kN，屬于最惡劣的救援工況。

以上計(jì)算結(jié)果表明，原有單軌列車車體的最大壓縮設(shè)計(jì)載荷350 kN已無(wú)法滿足極限工況下最大車鉤力466kN的要求，為此本文建議車體的最大縱向壓縮和拉伸載荷采用日本490 kN標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)既有單軌列車車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 車體結(jié)構(gòu)選材

本文通過(guò)優(yōu)化既有單軌列車車體的局部結(jié)構(gòu)和材料選型提高車體的強(qiáng)度，以適應(yīng)“8運(yùn)營(yíng)+ 8救援”列車的所有救援工況。為此，優(yōu)化選用中空大型鋁合金擠壓型材，并組焊而成，使其在使用期限內(nèi)能承受正常載荷的作用而不產(chǎn)生永久變形和疲勞損傷，優(yōu)化選用的車體結(jié)構(gòu)材料性能參數(shù)如表2所示。

3 車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析

3.1 有限元模型

本次有限元分析基于歐盟EN 12663-1：2010《鐵路應(yīng)用-鐵道車輛的車體結(jié)構(gòu)要求-第 1 部分：機(jī)車和客車（及貨車的替換法）》中對(duì)車輛車體結(jié)構(gòu)的要求，并綜合考慮跨座式單軌“8 運(yùn)營(yíng)+ 8救援”列車運(yùn)行工況，對(duì)優(yōu)化后的車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度和靜強(qiáng)度有限元計(jì)算分析。

為確保計(jì)算的準(zhǔn)確性，模型構(gòu)成以任意4節(jié)點(diǎn)薄殼單元為主，3 節(jié)點(diǎn)薄殼單元為輔。頭車和中間車有限元模型如圖2所示。

3.2 計(jì)算分析參數(shù)及工況

3.2.1 結(jié)構(gòu)剛度

參考CJ/T 287-2008《跨座式單軌交通車輛通用技術(shù)條件》，需考查車輛在整備狀態(tài)和最大超員狀態(tài)下的車體撓度，分別計(jì)算車輛在AW0與AW3狀態(tài)下底架邊梁的垂向靜撓度和地板橫梁的最大位移變形量，并校核是否滿足要求，即車體剛度在AW0與AW3狀態(tài)下，車體底架邊梁的垂向靜撓度小于車輛定距的 1/1 000，地板橫梁的最大位移變形量不超過(guò)車輛定距的1/250。

3.2.2 結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度

根據(jù)歐盟EN 12663-1：2010標(biāo)準(zhǔn)的要求，完成頭車、中間車的車體靜強(qiáng)度分析，重點(diǎn)考察車體重要部件（如枕梁、底架邊梁、牽引梁等）的受力情況。

3.2.3 計(jì)算工況

依照計(jì)算要求，在所有計(jì)算工況作用下，車體各部件的Von-Mises應(yīng)力均不得大于部件所用材料的許用應(yīng)力。車體靜強(qiáng)度計(jì)算的載荷工況如下。

（1）計(jì)算工況1，車輛整備重量（AW0）的垂直負(fù)載：鋁結(jié)構(gòu)重量以重力加速度形式施加，設(shè)備重量施加于設(shè)備懸掛處，其余重量均布在地板上。

（2）計(jì)算工況2，車輛超載重量（AW3）的垂直負(fù)載：載荷施加方法同計(jì)算工況1，乘客的重量均布在非座椅區(qū)域的地板上。

（3）計(jì)算工況3，車輛最大垂向負(fù)載（1.3×AW3）：載荷施加方法同計(jì)算工況2，垂向載荷以1.3×AW3（包括乘客和車）計(jì)算。

（4）計(jì)算工況4，AW0 +車鉤座縱向壓縮工況：垂向載荷施加方法同計(jì)算工況1，縱向壓縮載荷（490 kN）作用于一位端的車鉤處。

（5）計(jì)算工況5，AW0 +車鉤座縱向拉伸工況：垂向載荷施加方法同計(jì)算工況1，縱向拉伸載荷（490 kN）作用于一位端的車鉤處。

（6）計(jì)算工況6，AW3 +車鉤座縱向壓縮工況：垂向載荷同計(jì)算工況2，縱向壓縮載荷（490 kN）作用于一位端的車鉤處。

（7）計(jì)算工況7，AW3 +車鉤座縱向拉伸工況：垂向載荷同計(jì)算工況2，縱向拉伸載荷（490 kN）作用于一位端的車鉤處。

（8）計(jì)算工況8，架車工況（1.1×AW0）：載荷施加方法同計(jì)算工況1，垂向載荷以 1.1×AW0計(jì)算，并在中心銷孔位置加載轉(zhuǎn)向架重量。

3.3 邊界條件

車體靜強(qiáng)度典型計(jì)算工況1和計(jì)算工況4的位移邊界條件（約束）示意圖分別如圖3和圖4所示。

3.4 評(píng)估方法

3.4.1 剛度

依據(jù)CJ/T 287-2008技術(shù)條件的要求，車輛定距為9600mm，車體剛度在AW3狀態(tài)下，底架邊梁的垂直靜撓度不超過(guò)車輛定距的1/1 000，即9 600×1/1 000 = 9.6 mm，地板橫梁的最大位移量不超過(guò)車輛定距的1/250，即9600×1/250 = 38.4 mm。