引言

近年來 , 隨著人口的增長和經(jīng)濟的發(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)濟性高、對地面交通無影響、適應地形能力強等特點 ,在我國大量的中小城市和巨大的旅游市場中具有廣闊的應用前景。

目前國內開通的懸掛式單軌線路較少 ,對懸掛式單軌交通的研究著重體現(xiàn)在對該制式的適應性上 ,文獻分別對懸掛式單軌交通的應用現(xiàn)狀、運輸能力以及線路設計等關鍵技術展開了研究;具體到車輛上 ,更多的是圍繞車輛的曲線通過能力和動力學分析進行。針對懸掛式單軌車輛車體結構的強度研究 , 目前還沒有相關的文獻可以借鑒。

本文基于對國內外軌道車輛強度標準的研究 ,參照懸掛式單軌車輛特殊的結構和線路 ,制定了懸掛式單軌車輛車體強度計算的參考工況和評估方法。

1 懸掛式單軌車體結構特點

與普通軌道交通車輛類似 ,懸掛式單軌車輛的車體結構也由車頂、側墻、底架、端墻和司機室5個部件組成 ,但由于車體承載和受力方式與普通車輛差異較大 ,各部件的結構設計也帶有懸掛式單軌車輛明顯的特點。

懸掛式單軌車輛由于軸重限制 ,其車體必須采用輕量化設計。車頂結構是懸掛式單軌車輛的主承力部件 ,受到轉向架的垂向拉伸以及軸向的拉伸和壓縮載荷 ,結構上增加了枕梁、車鉤安裝和設備安裝等接口 。轉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 , 同時在枕梁兩側設有防脫結構 ,用于懸吊裝置失效時的二次防脫。車鉤安裝接口設置在車頂兩端 ,用于縱向力的傳遞 。車頂設備主要采用托裝結構 ,通過螺栓緊固在車頂兩側預設的通用接口上 。側墻結構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 ,故側墻結構主要承受垂向拉伸載荷 。底架結構主要承受人員載荷 ,而不再受縱向載荷 。底架四角位置設有導向輪 ,用于進站時穩(wěn)定車身 。端墻和司機室結構與傳統(tǒng)軌道車輛類似。

2 懸掛式單軌車體結構特有計算工況

目前 ,對于軌道交通車輛車體強度評價 , 國內外的標準主要有:J1s E 7105、EN 12663、U1C 566、VDV 152、TB8T 1335等 。每種標準都可以分為五類載荷:垂向載荷、縱向載荷、扭轉載荷、頂車載荷和運營載荷 。在選取評價標準時 , 需根據(jù)各個標準的適用車型、各自的適用范圍以及分析對象的具體線路情況進行綜合考慮。

不同于傳統(tǒng)的軌道交通車輛 ,懸掛式單軌車輛車體與轉向架具有特殊的連接結構 ,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)和視野較開闊的風景區(qū) ,受風載的影響較大 。 因此 ,懸掛式單軌車輛有很多特殊的工況需要單獨計算。

2. 1 橫風工況

懸掛式單軌車輛作為旅游線路的首選 ,一般選用高架運行,橫風工況主要考核車輛在長期運行過程中 ,車體受到橫風載荷的疲勞性能,一般取滿載狀態(tài)進行計算,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到60. ,在坡道救援過程中 ,車輛將會受到更大的彎曲載荷 ,本工況主要是模擬車輛坡道救援時 ,被救援車體彎曲狀態(tài)下的力學性能。

2.3 防跌落工況

懸掛式單軌車體懸吊在轉向架下方 ,為防止轉向架連接部件斷裂時車體直接掉落,設置了車體二次防護座。該工況主要考核在轉向架連接座脫落的情況下二次防護座的力學性能 。2.4 導向裝置疲勞工況

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

2.5 車輛吊運工況

懸掛式單軌車輛采用轉向架安裝座進行吊運作業(yè) ,普通軌道車輛吊運是采用底架邊梁起吊 ,在吊運過程中 ,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, 同時載荷小于垂直過載工況 , 因此可以不單獨校核。

3 懸掛式單軌車體結構評估工況推薦

通過對懸掛式單軌車體結構評估標準的分析 ,本文選取了EN 12663和VDV 152作為車體結構評估的參考標準: 并根據(jù)懸掛式單軌車輛的結構形式、載荷傳遞路徑以及運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構的評估工況清單(表1) 。

車體靜強度評估通過仿真計算和試驗相結合的方式進行。計算應力結果均采用第四強度理論當量應力進行校核 ,靜強度計算應力母材部位不超過材料許用應力 ,熱影響區(qū)應力不超過標準給出的建議值:靜強度試驗通過對車體結構關鍵部位貼應變片 ,在試驗臺上施加工況的邊界條件進行應力測試 ,測試應力需滿足母材部位不超過材料的許用應力 ,熱影響區(qū)應力不超過標準給出的建議值。針對防止跌落工況 ,計算時僅考慮材料的抗拉強度即可。

疲勞壽命評估采用有限元計算的方式進行驗證 。采用疲勞分析中的疲勞極限法 ,參考EN 1%%%- 1-%標準給出的母材和焊縫s-N曲線進行評估。

剛度評估通過計算和試驗相結合的方式進行驗證 。車體的各階自振頻率通過有限元計算獲得 ,模態(tài)試驗采用多點激擾多點測量的方法獲得車體結構的固有頻率、阻尼比和固有振型 。通過有限元計算和試驗獲得的車體自振頻率必須與轉向架的浮沉、蛇行、點頭等振動頻率隔離 ,局部振動需與設備的振動頻率進行隔離。

4 結語

本文依據(jù)EN 12663標準和VDV 152標準 ,并結合懸掛式單軌車輛實際生產、運行和故障救援等情況下的實際受載特點 ,制定了懸掛式單軌車輛車體結構的靜強度、疲勞強度和剛度的評估方法 ,該方法具有普適性。