磁浮列车车体横梁轻量化研究①

(同济大学土木建筑学院建筑工程系，上海 200092)

0 引 言

磁浮列车是地面上最快的交通工具，具有安全性好、振动噪声小、运营成本低、转弯半径小、爬坡能力强等诸多优势[1～3]。从悬浮技术上分类，磁浮列车可以分为两类：电磁悬浮(EMS)和电动悬浮(EDS)。常导电磁悬浮技术比较成熟，适用速度比较广泛，目前我国和德国高速磁浮和低速磁浮均采用的为常导电磁悬浮技术[4]。

电磁悬浮利用的是安装在悬浮架上的电磁铁吸引轨道来提供悬浮力，单个电磁铁的电磁力[5]如公式(1)所示，电磁铁的悬浮能力与电流I的平方成正比，与悬浮间隙c的平方成反比，浮能力有限。故车体轻量化设计对磁浮列车载客能力的提高有非常重要的意义。一般车体轻量化从两个方面着手，一是对车体结构进行优化使车体结构布局更加合理[6]，二是新材料的使用，利用性能更好的材料替代原有材料达到轻量化的目的。文中主要对车体横梁做了结构上的优化。

(1)

F(c,i)为电磁吸力;μ0为磁导率;A为磁极面积;N为电磁线圈匝数;i(t)线圈电流;c(t)为电磁铁与轨道间隙

1 车体横梁的优化设计

优化改进建立在上海临港低速磁浮试验线列车的基础上。2005年2月，上海市启动了中低速磁浮工程化试验线项目，建设芦潮港试验基地，建成了1.7km上海临港中低速磁浮试验线和一列三节编组的工程化试验列车[7]。

低速磁浮列车的横梁是车体的核心部件，上部承载着纵梁和整个车体，下部通过滑台连接空气弹簧，在磁浮列车结构中起着承上启下的作用。以中车车厢为例，每节磁浮车厢有5个悬浮架，对应有6根横梁，如图1所示原横梁尺寸为2790mm×644mm×100mm，没有经过轻量化设计的车体横梁每根重为115.23kg，6根横梁总重为691.38kg。

由于横梁上分布有直槽口，横梁主要受力部分为横梁两侧的箱型结构，横梁的宽度对横梁的受力性能无太大作用。横梁宽度的减小可以大大减轻横梁自重，考虑到连接的限制和横梁的整体稳定性，将横梁宽度重新设计为400mm，同时将2两个直槽口变位3三个直槽口。

对于箱型梁，主要部位为上下翼缘，腹板部分采用蜂窝梁的设计思路，在腹板上开14个直径为60mm的圆孔。轻量化横梁设计如图1-2所示总体尺寸为2790mm×400mm×100mm。经测量新横梁重60.31kg，6根横梁总重361.86kg。相对原横梁总重减轻329.52kg，轻了47.77%。

图1 原车体横梁 图2 轻量化横梁

2 轻量化横梁有限元验算

2.1 工况分析

2.1.1 荷载分析

车辆运行过程中的荷载是车体强度设计的依据。目前低速磁浮列车荷载还未形成统一的规范，但主要可以分为三大类分别为垂向荷载、纵向荷载、横向荷载[8]，车体强度计算中需要考虑这些荷载的单独作用和联合作用[9]。 垂向荷载主要包括车体结构质量，车上设备质量和乘客质量。其中车体结构质量和车辆设备质量按照现有临港新城中低速磁浮列车车辆设计确定如表1所示。乘客质量按标准荷载6人/平方(135人)和超员荷载9人/平方(166人)确定，其中每位乘客平均质量按60kg进行计算。

表1 垂向荷载统计

由于磁浮列车的牵引和制动力是由每节车厢单独提供，各个车厢之间传递的牵引和制动荷载很小故可以忽略不计，只需要考虑车体加速减速及爬坡带来的惯性荷载，根据车体设计条件最大制动加速度为1.4m/s2。

横向荷载主要是车体转弯时候的离心力，低速磁浮列车最大时速为110km/h，平均运行速度为60～80km/h。最小转弯半径为50m。分别计算比较列车以15.0km/h速度通过最小半径为50.0m的平曲线轨道(无轨道超高)、列车以60.0km/h速度通过半径为70.0m的平曲线轨道(轨面倾角6°)两种情况的离心加速度。计算公式如公式(2)、(3)所示，选取两者最大值为a=2.92m/s2。

(2)

(3)

2.1.2 荷载组合

为了充分验证轻量化设计的合理，选取了三种极端工况来做仿真分析。

工况1：车体自重+设备重量+超员乘客

工况2：工况1+紧急刹车

工况3：工况1+转弯

2.2 模态分析

2.2.1 有限元模型

在上述车体设计过程中，建立了车体的三维模型，确定了横梁的设计方案。由于车体主要构件都为铝合金型材，大部分为薄壁杆件采用实体单元模型难以划分出高质量的网格单元，采用壳单元进行仿真模拟。在SolidWorks中将车体壳体化，然后导入进ANSYS Workbench。除少量缀材，大部分零部件采用焊接的连接方式,主要材质为铝合金2014-T4。在ANSYS中对壳体分别赋上相应的厚度然后进行网格划分，最终形成的车体离散化模型如图3所示，模型包含175398个单元和207525个节点。

图3 有限单元模型

2.2.2 模态对比

与轮轨列车对车体频率要求一样[10～11]，磁浮列车车体自振频率应避开悬浮架的沉浮、点头频率[12]。而悬浮架的沉浮、点头频率都在10Hz以下，只需要将车体振动频率控制在10Hz以上就可以满足条件。

将两种横梁设计进车体，进行模态分析发现车体剪切模态和车体垂弯模态非常接近。这两中模态和频率如图4、图5所示。

经对比发现横梁结构的重新设计对车体模态基本没有影响，如表2所示前10阶模态，新车自振频率比原车自振频率下降幅度在0.5Hz内，可以看出轻量化横梁和原横梁对车体结构作用基本一样。

表2 车体模态频率对比结果(Hz)

图4 原横梁车体模态

图5 轻量化横梁车体模态

2.3 静力分析

在荷载分析中，列出了三种比较极端的正常运行工况，模拟车体正常运行荷载及约束。为了保证列车的弯道通过性能，横梁和走形机构的连接分为两种形式，6个横梁编号依次为1～6，其中2、5号横梁与走形机构上的滑台固接，1、3、4、6号横梁与滑台上的直线轴承连接，可以沿车体横向自由滑动，在ANSYS中采用绑定和位移限制来模拟车体与走形机构的连接，吊挂设备已均布质量的方式分部在吊挂量上。

分别对上述的3种工况进行有限元模拟，得到车体的最大应力和最大变形如表3所示，可以看出，轻量化设计的横梁对车体的静力计算同样基本没有影响，最大应力增加值小于1MPa，最大变增加值小于0.1mm，几乎没有变化。

表3 车体最大应力与车体最大变形

3 结 语

上述轻量化设计的车体横梁完全能够满足低速磁浮列车运行要求，在不改变悬浮磁铁悬浮能力的基础上，横梁的轻量化设计可以提高中车车厢329.52kg的运载能力，这对于悬浮能力有限的磁浮列车来说有重大意义。 由于文中只对车体横梁结构进行了轻量化设计，虽然有不错的设计效果，但对于整车来说，轻量化设计还有很大的空间。

参考文献:

[1] 杨新斌.中低速磁浮技术在城市轨道交通中的应用[J].铁道车辆, 2015, 53(4):30-32.

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[3] 魏庆朝, 孔永健.磁悬浮铁路系统与技术[M].中国科学技术出版社, 2003.

[4] Lee H W, Kim K C, Ju L.Review of maglev train technologies[J].IEEE Transactions on Magnetics, 2006, 42(7):1917-1925.

[5] 邓小星.中低速磁浮车辆系统动力学性能研究[D].西南交通大学, 2009.

[6] 许超, 赵洪伦, 刘凯杰.车体轻量化结构优化设计策略及其实施[J].铁道车辆, 2013, 51(4):18-20.

[7] 杨新斌, 罗世辉.上海中低速磁浮交通车辆的数字化研发[J].城市轨道交通研究, 2009, 12(12):48-52.

[8] 赵军.中低速磁浮列车车体轻量化设计[D].西南交通大学, 2017.

[9] 严隽耄, 傅茂海.车辆工程-第3版[M].中国铁道出版社, 2008.

[10] 洪原山.铁道车辆强度设计及试验鉴定规范[M].中国铁道出版社, 1996.

[11] 赵洪伦.轨道车辆结构与设计[M].中国铁道出版社, 2009.

[12] 梁鑫.磁浮列车车轨耦合振动分析及试验研究[D].西南交通大学, 2015.