具有小曲線通過(guò)能力的軌道車輛貫通道系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

李 磊 李文斌 李鳳志

(中車大連機(jī)車車輛有限公司 遼寧 大連 116021)

0 序言

隨著城市化建設(shè)的快速發(fā)展，地鐵因其經(jīng)濟(jì)、快速、安全、節(jié)能等特點(diǎn)正逐步成為人們的重要出行方式[1-2]。貫通道系統(tǒng)是地鐵車輛上的重要部件，連接相鄰兩車廂，是車輛上靈活可動(dòng)的部分，能提供給乘客一個(gè)安全舒適的通道。該結(jié)構(gòu)不僅應(yīng)當(dāng)滿足車輛運(yùn)行的線路要求，同時(shí)應(yīng)具有符合車輛整體要求的強(qiáng)度以及良好的隔音、隔熱、密封、長(zhǎng)壽命、低維護(hù)成本和安全可靠性能。

下文著重介紹地鐵車輛的貫通道設(shè)計(jì)方案，貫通道的選型及結(jié)構(gòu)原理，技術(shù)參數(shù)及針對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)A型軌道車輛的適應(yīng)性方案等。通常，城市軌道地鐵車輛編組形式會(huì)對(duì)車輛在特定速度下連掛時(shí)的車鉤壓縮量產(chǎn)生較大影響，進(jìn)而影響到貫通道系統(tǒng)的曲線通過(guò)能力，針對(duì)本項(xiàng)目的3節(jié)編組形式為DM-T-DM。

1 貫通道布置

該項(xiàng)目為3節(jié)編組列車，貫通道布置于兩節(jié)車廂中間連接位置，位于車鉤上部，如圖1所示。

圖1 貫通道布置示意圖

2 貫通道方案

2.1 方案確定

貫通道的方案設(shè)計(jì)需要綜合考慮運(yùn)行線路條件、車體自身參數(shù)、車輛運(yùn)動(dòng)過(guò)程、車體與貫通道的連接結(jié)構(gòu)等因素[3]。經(jīng)過(guò)詳細(xì)的分析計(jì)算，確保貫通道的安裝位置及貫通道系統(tǒng)能適應(yīng)車輛各種復(fù)雜的運(yùn)行工況[2]。因項(xiàng)目線路運(yùn)營(yíng)條件較為苛刻，車場(chǎng)處最小的曲線通過(guò)半徑為R100 m，同時(shí)要求車輛能夠在10 km/h的運(yùn)行速度下完成自動(dòng)連掛，經(jīng)車鉤連掛能力計(jì)算可知，車間最大車鉤壓縮量高達(dá)200 mm。初步的設(shè)計(jì)方案中，要求貫通道在復(fù)合200 mm車鉤壓縮量的工況下，在R100 m入曲線時(shí)仍具有通過(guò)能力且不發(fā)生損壞。車輛正線運(yùn)行時(shí)，最小通過(guò)曲線半徑為R120 m，同時(shí)還需考慮其他多種小半徑且無(wú)直線段過(guò)渡的S曲線運(yùn)行工況。對(duì)比國(guó)內(nèi)常規(guī)曲線通過(guò)半徑R150 m復(fù)合車鉤壓縮幾十毫米、S曲線滿足R150 m-5 m-R150 m的工況而言，在本文所要研究的曲線通過(guò)工況下，貫通道各組成部分(頂板、踏渡板、側(cè)護(hù)板、安裝框、篷布等)的結(jié)構(gòu)方案及運(yùn)動(dòng)位置關(guān)系方案需進(jìn)行大量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)及校核工作。

2.2 車輛參數(shù)

經(jīng)過(guò)技術(shù)評(píng)審及車體結(jié)構(gòu)分析可以初步確定貫通道的結(jié)構(gòu)形式。影響貫通道的主要車體參數(shù)如下：車體長(zhǎng)度，21 810 mm；車體寬度，2 900 mm；車體高度，3 550 mm；車端距離，920 mm；轉(zhuǎn)向架中心距，14 600 mm；轉(zhuǎn)向架最大橫向偏移量，50 mm；車鉤回轉(zhuǎn)中心距，2 460 mm。

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及線路運(yùn)行條件，初步確定貫通道需采用帶有車鉤支撐的分體式結(jié)構(gòu)；內(nèi)部側(cè)護(hù)板采用能夠滿足最小曲線半徑通過(guò)要求的三片式結(jié)構(gòu)；外部折棚采用雙層單波結(jié)構(gòu)；頂板采用插接結(jié)構(gòu)，踏渡板采用兩片式搭接結(jié)構(gòu)。

2.3 貫通道尺寸確定

確定貫通道的形式后，需要進(jìn)一步明確貫通道的總體尺寸[2]。由于車輛高度和寬度分別為3 550 mm和2 900 mm，結(jié)合外部折棚連接框的位置，根據(jù)項(xiàng)目要求，初步確定貫通道主要技術(shù)參數(shù)如下：外部高度為2 570 mm；外部寬度為2 390 mm；凈通過(guò)高度為1 900 mm；凈通過(guò)寬度為(1 400±25) mm；隔聲量NRW≥36 dB(A)；傳熱系數(shù)K≤4.6 W·m-2·K-1。

此處貫通道系統(tǒng)的外部寬度會(huì)受到車端排水管布置的限制，同時(shí)應(yīng)考慮曲線通過(guò)狀態(tài)下折棚可達(dá)到的極限位置以及車輛進(jìn)入站臺(tái)后，貫通道折棚外邊緣距離站臺(tái)邊緣的間隙尺寸(需規(guī)避乘客墜落鐵軌的風(fēng)險(xiǎn))，綜合分析得出較為合理的參數(shù)值。

2.4 接口分析

貫通道系統(tǒng)的安裝需與車體結(jié)構(gòu)相匹配，本項(xiàng)目車輛車體采用不銹鋼結(jié)構(gòu)，貫通道系統(tǒng)與車體之間的連接采用螺釘連接方式進(jìn)行固定[3]，貫通道連接框與車體端墻的對(duì)應(yīng)位置，車體側(cè)提供預(yù)置墊板，現(xiàn)場(chǎng)配鉆攻絲安裝螺釘框；貫通道下部踏渡板與車體底架之間的連接接口采用螺栓配鉆攻絲在端墻下部橫梁的預(yù)置墊板處，攻絲厚度需滿足螺釘安裝固定的基本標(biāo)準(zhǔn)要求，連接結(jié)構(gòu)如圖2所示；貫通道下方需進(jìn)行車鉤支撐，此處應(yīng)結(jié)合車鉤方案共同制定磨耗板的安裝位置，以保證貫通道和車鉤的正常工作，車鉤支撐的具體結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

圖2 連接結(jié)構(gòu)示意圖

3 曲線工況分析

3.1 基本參數(shù)分析

貫通道的設(shè)計(jì)首先要對(duì)車輛的運(yùn)行狀況進(jìn)行分析，主要影響因素包含線路參數(shù)、車輛參數(shù)、轉(zhuǎn)向架參數(shù)、車鉤參數(shù)。

(1)線路參數(shù)：主要指車輛運(yùn)行線路條件，包含車場(chǎng)及正線最小曲線半徑、外軌超高、S曲線半徑及夾直線長(zhǎng)度、線路最大坡度及緩和曲線。

(2)車輛參數(shù)：主要指車輛的固有尺寸參數(shù)，包含車輛長(zhǎng)度、車輛寬度、轉(zhuǎn)向架中心距、車鉤安裝座定位等。

(3)轉(zhuǎn)向架參數(shù)：主要指車輛在運(yùn)行過(guò)程中轉(zhuǎn)向架機(jī)構(gòu)的運(yùn)行特點(diǎn)及狀態(tài)性能，包含一系簧高度、二系簧高度、轉(zhuǎn)向架橫動(dòng)量以及轉(zhuǎn)向架過(guò)曲線柔性系數(shù)等。

(4)車鉤參數(shù)：主要指車鉤工作過(guò)程中的動(dòng)作狀態(tài)，包含緩沖方式和結(jié)構(gòu)、回轉(zhuǎn)中心距，最大動(dòng)作壓縮量以及最大動(dòng)作拉伸量等。

以上參數(shù)均可影響車輛運(yùn)行狀況下的位置關(guān)系，因而在進(jìn)行貫通道的設(shè)計(jì)工作時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮實(shí)際的運(yùn)行工況和可能出現(xiàn)的車輛故障工況，以保證車輛的安全運(yùn)營(yíng)。

常規(guī)工況下，要求貫通道系統(tǒng)能夠在極限小曲線及S曲線上運(yùn)行時(shí)，滿足線路外軌超高、車鉤常規(guī)拉伸壓縮、上下坡道等狀態(tài)對(duì)貫通道造成的側(cè)滾、俯仰、拉壓等要求。

故障工況下，要考慮車輛轉(zhuǎn)向架二系簧爆裂時(shí)，對(duì)貫通道造成的車輛側(cè)滾以及鄰車高差要求。同時(shí)應(yīng)適當(dāng)考慮輪緣磨耗情況，并對(duì)可能出現(xiàn)的工況進(jìn)行復(fù)合分析，用以綜合評(píng)估貫通道系統(tǒng)的曲線通過(guò)能力。

3.2 車體運(yùn)行位置及貫通道運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析

按照車輛線路運(yùn)行要求，運(yùn)用CREO三維軟件繪制3個(gè)方向上的車輛運(yùn)行極限工況，移動(dòng)車輛位置，調(diào)整可變參數(shù)，尋找車輛曲線運(yùn)行最惡劣位置，如圖4所示。

(a)圓曲線(R100 m)(b)S曲線(R173 m-0-R240 m)圖4 整個(gè)運(yùn)行線路中惡劣工況下的車輛運(yùn)行模擬結(jié)果

圖4為整個(gè)運(yùn)行線路中惡劣工況下車輛運(yùn)行模擬結(jié)果，以及各個(gè)工況下貫通道系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)位置。盡管上圖中的運(yùn)行工況均已給出，但在進(jìn)行計(jì)算模擬時(shí)仍需在此基礎(chǔ)上考慮多方向上的工況復(fù)合情況，包含但不限于車輛側(cè)滾和鄰車高差等。

貫通道的部件要適應(yīng)車輛運(yùn)行工況要求，通過(guò)貫通道運(yùn)動(dòng)工況的模擬，檢查貫通道頂板、踏渡板、側(cè)護(hù)板以及篷布等重要部件的運(yùn)動(dòng)情況，保證車輛運(yùn)營(yíng)時(shí)不出現(xiàn)干涉、拉托等現(xiàn)象，貫通道系統(tǒng)應(yīng)在各曲線條件及復(fù)合工況條件下運(yùn)用自如，因模擬計(jì)算與實(shí)際運(yùn)行存在一定誤差[2]，要求貫通道系統(tǒng)產(chǎn)品需在三維試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行各種工況的實(shí)際驗(yàn)證，以保證其性能可靠。

經(jīng)過(guò)分析可知，貫通道頂板與踏渡板在小曲線半徑下需考慮可能出現(xiàn)的干涉問題；貫通道篷布設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮小曲線半徑下的最大拉伸量與壓縮量；車輛過(guò)豎曲線時(shí)，應(yīng)考慮踏渡板運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，能夠保證在線路要求的俯仰角工況下，仍能保證車輛運(yùn)行時(shí)的乘客安全，不可出現(xiàn)較大縫隙，避免夾腳危險(xiǎn)。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

貫通道位于兩節(jié)車廂的連接處，是連接兩車輛通道的重要組成部分，屬于車輛的柔性連接，因此要求貫通道具有良好的曲線通過(guò)能力。貫通道按照技術(shù)設(shè)計(jì)方案完成并試制出樣件，在三維曲線通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)上模擬各種運(yùn)用工況，以驗(yàn)證技術(shù)方案的可行性。貫通道通過(guò)曲線應(yīng)滿足：

(1) 棚布的展開長(zhǎng)度應(yīng)大于通過(guò)曲線時(shí)的棚布實(shí)際展開長(zhǎng)度，保證棚布不脫出和撕裂。

(2) 棚布的壓縮長(zhǎng)度應(yīng)小于通過(guò)曲線時(shí)的棚布實(shí)際壓縮長(zhǎng)度。

(3) 側(cè)護(hù)板的拉伸長(zhǎng)度應(yīng)大于通過(guò)曲線時(shí)的側(cè)護(hù)板實(shí)際的拉伸長(zhǎng)度，保證中間護(hù)板不脫出。

(4) 側(cè)護(hù)板的壓縮長(zhǎng)度應(yīng)小于通過(guò)曲線時(shí)的側(cè)護(hù)板實(shí)際的壓縮長(zhǎng)度，保證無(wú)干涉現(xiàn)象。

(5) 踏、渡板搭接正常，渡板無(wú)掉落的可能。踏渡無(wú)干涉現(xiàn)象。

(6) 棚板搭接正常，中棚板無(wú)掉落的可能，棚板無(wú)干涉現(xiàn)象。

(7) 渡板連桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)正常，無(wú)干涉現(xiàn)象。

(8) 棚板連桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)正常，無(wú)干涉現(xiàn)象。

圖5和圖6為三維曲線通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)模擬典型小曲線運(yùn)營(yíng)工況下，貫通道各主要部件的實(shí)際狀態(tài)。

工況1：圓曲線(R100 m)

折棚拉伸量：100.1 mm<390 mm，折棚壓縮量：151.6 mm<240 mm；

側(cè)護(hù)板拉伸量：174.9 mm<280 mm，側(cè)護(hù)板壓縮量：170.9 mm<340 mm。

工況2： S曲線(R173 m-0-R240 m)

折棚拉伸量：23.6 mm<390 mm，折棚壓縮量：29.8 mm<240 mm；

側(cè)護(hù)板拉伸量：54.7 mm<280 mm。

圖5和圖6中的踏渡板和頂板均搭接正常，無(wú)干涉現(xiàn)象。踏渡板和頂板連桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)均正常，無(wú)干涉卡死現(xiàn)象。

圖5 圓曲線(R100 m)上貫通道狀態(tài)

圖6 S曲線(R173 m-0-R240 m)上貫通道狀態(tài)

由以上數(shù)據(jù)和圖片可以看出，此貫通道具備通過(guò)典型圓曲線(R100 m)和S曲線(R173 m-0-R240 m)的能力，能夠滿足運(yùn)用環(huán)境的需求。

貫通道設(shè)計(jì)完成并在三維曲線通過(guò)模擬試驗(yàn)臺(tái)上模擬所有運(yùn)行工況，驗(yàn)證滿足設(shè)計(jì)要求，符合模擬運(yùn)算結(jié)果。

5 實(shí)車驗(yàn)證

車輛組裝后實(shí)現(xiàn)線上運(yùn)營(yíng)，針對(duì)惡劣運(yùn)行工況下的貫通道系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行跟蹤，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行情況穩(wěn)定，曲線通過(guò)能力優(yōu)良，各項(xiàng)性能及參數(shù)滿足既定技術(shù)要求。水平圓曲線(R100 m)線路條件下，車輛篷布無(wú)過(guò)度拉伸情況，如圖7所示?？褪覂?nèi)部側(cè)護(hù)板及踏渡板位置配合良好，能夠在車輛通過(guò)小曲線半徑運(yùn)行時(shí)依靠合理的運(yùn)動(dòng)軌跡避免產(chǎn)生過(guò)大的扭曲縫隙，有效保障乘客的乘坐安全，具體如圖8所示。

圖7 圓曲線(R100 m)貫通道實(shí)車狀態(tài)

6 結(jié)論

(1) 通過(guò)對(duì)城市軌道地鐵車輛貫通道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析，結(jié)合車體結(jié)構(gòu)及運(yùn)行情況，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終確定了貫通道方案。該方案通過(guò)模擬計(jì)算及試驗(yàn)臺(tái)驗(yàn)證，符合車輛運(yùn)營(yíng)和線路工況要求。

(2) 該型貫通道已完成在三維曲線通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)上模擬的所有運(yùn)行工況運(yùn)行試驗(yàn)，滿足設(shè)計(jì)要求，符合模擬運(yùn)算結(jié)果。且其設(shè)計(jì)、選型、仿真、試驗(yàn)等過(guò)程對(duì)今后同類設(shè)計(jì)有指導(dǎo)與借鑒意義。

(3) 該貫通道已完成實(shí)車裝配與試運(yùn)行，目前已經(jīng)正式在線運(yùn)營(yíng)，曲線通過(guò)能力完全滿足線路條件需求。