跨座式单轨“?8?运营?+?8?救援”列车车体结构优化分析

2020-07-27肖静飞

现代城市轨道交通 2020年7期

肖静飞

摘要：重庆市轨道交通跨座式单轨列车将由4 辆、6 辆编组扩编为 8 辆编组，相应的救援列车也将扩编到 8 辆编组。为满足“8 运营 + 8 救援”列车救援要求，需要对既有车体结构进行整体优化。首先对“8 运营 + 8 救援”列车最恶劣救援工况下车体承受荷载进行分析，获得其须承受的最大载荷，然后对既有列车的车体结构进行优化设计;有限元分析表明，优化设计后的车体结构满足“8 运营 + 8 救援”列车救援要求。

关键词：跨座式单轨;救援列车;车体结构;优化设计;有限元分析

1 救援列车纵向受力分析

根据重庆市轨道交通跨座式单轨在救援工况下“8 运营+ 8救援”的列车编组特点，按照GB 50458-2008《跨座式单轨交通设计规范》中单轨线路最大坡道为60‰，对“8运营+8救援”列车在坡道上的纵向受力进行计算分析，计算工况如下。

（1）工况1，救援列车处于平道，运营列车处于50‰坡道上。

（2）工况2，救援列车处于平道，运营列车处于60‰坡道上。

（3）工况3，救援列车处于50‰坡道，运营列车也处于50‰坡道上。

（4）工况4，救援列车处于60‰坡道，运营列车也处于60‰坡道上。

工况1和工况2属于平道救援，工况3和工况4属于坡道救援。“8运营+ 8救援”列车编组示意图如图 1 所示（图中缓冲器断面按照前后顺序依次编号为1～15），其在坡道上的纵向受力计算结果如表1所示。由表1可知，当救援列车处于平道，运营列车处于60‰ 坡道上，且运营列车为满载（超员，AW3）工况时，最大车钩力出现在8号车钩，为466 kN，属于最恶劣的救援工况。

以上计算结果表明，原有單轨列车车体的最大压缩设计载荷350 kN已无法满足极限工况下最大车钩力466kN的要求，为此本文建议车体的最大纵向压缩和拉伸载荷采用日本490 kN标准，并对既有单轨列车车体结构进行优化设计。

2 车体结构选材

本文通过优化既有单轨列车车体的局部结构和材料选型提高车体的强度，以适应“8运营+ 8救援”列车的所有救援工况。为此，优化选用中空大型铝合金挤压型材，并组焊而成，使其在使用期限内能承受正常载荷的作用而不产生永久变形和疲劳损伤，优化选用的车体结构材料性能参数如表2所示。

3 车体结构强度有限元分析

3.1 有限元模型

本次有限元分析基于欧盟EN 12663-1：2010《铁路应用-铁道车辆的车体结构要求-第 1 部分：机车和客车（及货车的替换法）》中对车辆车体结构的要求，并综合考虑跨座式单轨“8 运营+ 8救援”列车运行工况，对优化后的车体结构进行刚度和静强度有限元计算分析。

为确保计算的准确性，模型构成以任意4节点薄壳单元为主，3 节点薄壳单元为辅。头车和中间车有限元模型如图2所示。

3.2 计算分析参数及工况

3.2.1 结构刚度

参考CJ/T 287-2008《跨座式单轨交通车辆通用技术条件》，需考查车辆在整备状态和最大超员状态下的车体挠度，分别计算车辆在AW0与AW3状态下底架边梁的垂向静挠度和地板横梁的最大位移变形量，并校核是否满足要求，即车体刚度在AW0与AW3状态下，车体底架边梁的垂向静挠度小于车辆定距的 1/1 000，地板横梁的最大位移变形量不超过车辆定距的1/250。

3.2.2 结构静强度

根据欧盟EN 12663-1：2010标准的要求，完成头车、中间车的车体静强度分析，重点考察车体重要部件（如枕梁、底架边梁、牵引梁等）的受力情况。

3.2.3 计算工况

依照计算要求，在所有计算工况作用下，车体各部件的Von-Mises应力均不得大于部件所用材料的许用应力。车体静强度计算的载荷工况如下。

（1）计算工况1，车辆整备重量（AW0）的垂直负载：铝结构重量以重力加速度形式施加，设备重量施加于设备悬挂处，其余重量均布在地板上。

（2）计算工况2，车辆超载重量（AW3）的垂直负载：载荷施加方法同计算工况1，乘客的重量均布在非座椅区域的地板上。

（3）计算工况3，车辆最大垂向负载（1.3×AW3）：载荷施加方法同计算工况2，垂向载荷以1.3×AW3（包括乘客和车）计算。

（4）计算工况4，AW0 +车钩座纵向压缩工况：垂向载荷施加方法同计算工况1，纵向压缩载荷（490 kN）作用于一位端的车钩处。

（5）计算工况5，AW0 +车钩座纵向拉伸工况：垂向载荷施加方法同计算工况1，纵向拉伸载荷（490 kN）作用于一位端的车钩处。

（6）计算工况6，AW3 +车钩座纵向压缩工况：垂向载荷同计算工况2，纵向压缩载荷（490 kN）作用于一位端的车钩处。

（7）计算工况7，AW3 +车钩座纵向拉伸工况：垂向载荷同计算工况2，纵向拉伸载荷（490 kN）作用于一位端的车钩处。

（8）计算工况8，架车工况（1.1×AW0）：载荷施加方法同计算工况1，垂向载荷以 1.1×AW0计算，并在中心销孔位置加载转向架重量。