引言

近年來 , 隨著人口的增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展 ,城市軌道交通得到迅速發(fā)展。懸掛式單軌作為現(xiàn)代城市新型交通形式 ,具有容量大、噪聲小、乘坐舒適、零排放、能耗低、經(jīng)濟(jì)性高、對(duì)地面交通無影響、適應(yīng)地形能力強(qiáng)等特點(diǎn) ,在我國(guó)大量的中小城市和巨大的旅游市場(chǎng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前國(guó)內(nèi)開通的懸掛式單軌線路較少 ,對(duì)懸掛式單軌交通的研究著重體現(xiàn)在對(duì)該制式的適應(yīng)性上 ,文獻(xiàn)分別對(duì)懸掛式單軌交通的應(yīng)用現(xiàn)狀、運(yùn)輸能力以及線路設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)展開了研究;具體到車輛上 ,更多的是圍繞車輛的曲線通過能力和動(dòng)力學(xué)分析進(jìn)行。針對(duì)懸掛式單軌車輛車體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度研究 , 目前還沒有相關(guān)的文獻(xiàn)可以借鑒。

本文基于對(duì)國(guó)內(nèi)外軌道車輛強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)的研究 ,參照懸掛式單軌車輛特殊的結(jié)構(gòu)和線路 ,制定了懸掛式單軌車輛車體強(qiáng)度計(jì)算的參考工況和評(píng)估方法。

1 懸掛式單軌車體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

與普通軌道交通車輛類似 ,懸掛式單軌車輛的車體結(jié)構(gòu)也由車頂、側(cè)墻、底架、端墻和司機(jī)室5個(gè)部件組成 ,但由于車體承載和受力方式與普通車輛差異較大 ,各部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也帶有懸掛式單軌車輛明顯的特點(diǎn)。

懸掛式單軌車輛由于軸重限制 ,其車體必須采用輕量化設(shè)計(jì)。車頂結(jié)構(gòu)是懸掛式單軌車輛的主承力部件 ,受到轉(zhuǎn)向架的垂向拉伸以及軸向的拉伸和壓縮載荷 ,結(jié)構(gòu)上增加了枕梁、車鉤安裝和設(shè)備安裝等接口 。轉(zhuǎn)向架通過枕梁與車頂懸吊式連接 ,一般采用緊固件冷連接方式 , 同時(shí)在枕梁兩側(cè)設(shè)有防脫結(jié)構(gòu) ,用于懸吊裝置失效時(shí)的二次防脫。車鉤安裝接口設(shè)置在車頂兩端 ,用于縱向力的傳遞 。車頂設(shè)備主要采用托裝結(jié)構(gòu) ,通過螺栓緊固在車頂兩側(cè)預(yù)設(shè)的通用接口上 。側(cè)墻結(jié)構(gòu)通過立柱與上下邊梁連接 ,主要作用是將人員的載荷傳遞到車頂 ,故側(cè)墻結(jié)構(gòu)主要承受垂向拉伸載荷 。底架結(jié)構(gòu)主要承受人員載荷 ,而不再受縱向載荷 。底架四角位置設(shè)有導(dǎo)向輪 ,用于進(jìn)站時(shí)穩(wěn)定車身 。端墻和司機(jī)室結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)軌道車輛類似。

2 懸掛式單軌車體結(jié)構(gòu)特有計(jì)算工況

目前 ,對(duì)于軌道交通車輛車體強(qiáng)度評(píng)價(jià) , 國(guó)內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)主要有:J1s E 7105、EN 12663、U1C 566、VDV 152、TB8T 1335等 。每種標(biāo)準(zhǔn)都可以分為五類載荷:垂向載荷、縱向載荷、扭轉(zhuǎn)載荷、頂車載荷和運(yùn)營(yíng)載荷 。在選取評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)時(shí) , 需根據(jù)各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的適用車型、各自的適用范圍以及分析對(duì)象的具體線路情況進(jìn)行綜合考慮。

不同于傳統(tǒng)的軌道交通車輛 ,懸掛式單軌車輛車體與轉(zhuǎn)向架具有特殊的連接結(jié)構(gòu) ,車輛的載荷傳遞路徑與普通制式的軌道車輛有很大區(qū)別 。懸掛式單軌交通系統(tǒng)大多建立在旅游區(qū)和視野較開闊的風(fēng)景區(qū) ,受風(fēng)載的影響較大 。 因此 ,懸掛式單軌車輛有很多特殊的工況需要單獨(dú)計(jì)算。

2. 1 橫風(fēng)工況

懸掛式單軌車輛作為旅游線路的首選 ,一般選用高架運(yùn)行,橫風(fēng)工況主要考核車輛在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中 ,車體受到橫風(fēng)載荷的疲勞性能,一般取滿載狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算,載荷循環(huán)為±200N8m2。

2.2 坡道救援工況

懸掛式單軌車輛的最大爬坡能力能夠達(dá)到60. ,在坡道救援過程中 ,車輛將會(huì)受到更大的彎曲載荷 ,本工況主要是模擬車輛坡道救援時(shí) ,被救援車體彎曲狀態(tài)下的力學(xué)性能。

2.3 防跌落工況

懸掛式單軌車體懸吊在轉(zhuǎn)向架下方 ,為防止轉(zhuǎn)向架連接部件斷裂時(shí)車體直接掉落,設(shè)置了車體二次防護(hù)座。該工況主要考核在轉(zhuǎn)向架連接座脫落的情況下二次防護(hù)座的力學(xué)性能 。2.4 導(dǎo)向裝置疲勞工況

懸掛式單軌車輛進(jìn)站過程中 ,為防止車輛橫擺 ,通常在車體底架設(shè)置有導(dǎo)向輪 ,該導(dǎo)向輪有利于車輛平滑進(jìn)站 ,減少車輛相對(duì)站臺(tái)的擺動(dòng)。從工作狀態(tài)來看 ,該導(dǎo)向輪需要承受較大的橫擺載荷 ,需對(duì)其進(jìn)行疲勞壽命校核 ,參考車輛的最大橫向疲勞載荷進(jìn)行評(píng)估。

2.5 車輛吊運(yùn)工況

懸掛式單軌車輛采用轉(zhuǎn)向架安裝座進(jìn)行吊運(yùn)作業(yè) ,普通軌道車輛吊運(yùn)是采用底架邊梁起吊 ,在吊運(yùn)過程中 ,兩種制式的載荷傳遞路徑不一致 。但該工況的約束條件與垂直過載工況一致, 同時(shí)載荷小于垂直過載工況 , 因此可以不單獨(dú)校核。

3 懸掛式單軌車體結(jié)構(gòu)評(píng)估工況推薦

通過對(duì)懸掛式單軌車體結(jié)構(gòu)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的分析 ,本文選取了EN 12663和VDV 152作為車體結(jié)構(gòu)評(píng)估的參考標(biāo)準(zhǔn): 并根據(jù)懸掛式單軌車輛的結(jié)構(gòu)形式、載荷傳遞路徑以及運(yùn)行過程中可能受到的特殊載荷 ,制定了懸掛式單軌車輛車體結(jié)構(gòu)的評(píng)估工況清單(表1) 。

車體靜強(qiáng)度評(píng)估通過仿真計(jì)算和試驗(yàn)相結(jié)合的方式進(jìn)行。計(jì)算應(yīng)力結(jié)果均采用第四強(qiáng)度理論當(dāng)量應(yīng)力進(jìn)行校核 ,靜強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力母材部位不超過材料許用應(yīng)力 ,熱影響區(qū)應(yīng)力不超過標(biāo)準(zhǔn)給出的建議值:靜強(qiáng)度試驗(yàn)通過對(duì)車體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位貼應(yīng)變片 ,在試驗(yàn)臺(tái)上施加工況的邊界條件進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試 ,測(cè)試應(yīng)力需滿足母材部位不超過材料的許用應(yīng)力 ,熱影響區(qū)應(yīng)力不超過標(biāo)準(zhǔn)給出的建議值。針對(duì)防止跌落工況 ,計(jì)算時(shí)僅考慮材料的抗拉強(qiáng)度即可。

疲勞壽命評(píng)估采用有限元計(jì)算的方式進(jìn)行驗(yàn)證 。采用疲勞分析中的疲勞極限法 ,參考EN 1%%%- 1-%標(biāo)準(zhǔn)給出的母材和焊縫s-N曲線進(jìn)行評(píng)估。

剛度評(píng)估通過計(jì)算和試驗(yàn)相結(jié)合的方式進(jìn)行驗(yàn)證 。車體的各階自振頻率通過有限元計(jì)算獲得 ,模態(tài)試驗(yàn)采用多點(diǎn)激擾多點(diǎn)測(cè)量的方法獲得車體結(jié)構(gòu)的固有頻率、阻尼比和固有振型 。通過有限元計(jì)算和試驗(yàn)獲得的車體自振頻率必須與轉(zhuǎn)向架的浮沉、蛇行、點(diǎn)頭等振動(dòng)頻率隔離 ,局部振動(dòng)需與設(shè)備的振動(dòng)頻率進(jìn)行隔離。

4 結(jié)語

本文依據(jù)EN 12663標(biāo)準(zhǔn)和VDV 152標(biāo)準(zhǔn) ,并結(jié)合懸掛式單軌車輛實(shí)際生產(chǎn)、運(yùn)行和故障救援等情況下的實(shí)際受載特點(diǎn) ,制定了懸掛式單軌車輛車體結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和剛度的評(píng)估方法 ,該方法具有普適性。