中低速磁浮列车车体强度设计及试验研究

王峰 崔玉萌

由于磁浮车辆车体结构形式特殊，现阶段并没有完全适用的标准或规范对车体静强度进行明确规定，一般参考EN12663 P-IV中规定对其静强度进行设计。本文旨在通过数值模拟分析，对车体静载荷进行研究，并参考EN12663，依据磁浮列车结构特点和静载荷建模分析结果，确定中低速磁浮车体静强度及静强度试验工况，并规定静强度实验方法，从而对仿真计算进行验证，以确保中低速磁浮列车车体静强度设计的准确性。

磁浮;车体结构;静强度;实验工况

 

0 引言

轨道交通自主創新是国家通过实施“创新驱动发展”战略全面支撑“制造强国”和“走出去”战略的重要保障。当前，德国、日本、美国等国家正积极筹划和发展各种形式的交通技术，日本开展了超导高速磁浮技术研究，并规划东京至名古屋商业磁浮铁路，美国开展了Magneplane、Hyperloop 等多种技术方案的研究。我国高速铁路技术发展迅速，在世界铁路行业具有重要地位，亟需在中速、高速磁浮交通领域深化研究，做好战略技术储备。

鉴于此，由于现有标准或规范中无针对磁浮列车车体强度设计的具体要求，在具体设计时只能参考EN12663 P-IV中的规定进行计算。本文根据中低速磁浮列车结构特点及运营模式，进行理论建模和分析，从而对车体静载荷进行研究分析，并参考EN12663，依据磁浮列车结构特点和静载荷建模分析结果，确定中低速磁浮车体静强度试验工况，并规定静强度实验方法，从而对仿真计算进行验证，以确保中低速磁浮列车车体静强度设计的准确性。

1 中低速磁浮车辆特点

磁浮列车是依靠电磁力使列车浮起，悬浮电磁铁与轨道之间保持一定的气隙而不与轨道接触，没有轮轨铁路的磨擦，列车牵引依靠直线电机推动，磁浮列车具有以下特点：

（1）噪音低，有利于环境保护，乘坐平稳舒适。列车运行时处于悬浮状态，与轨道之间

无接触，无轮轨系统之间相互作用引起振动，运行平稳，舒适感强;

（2）爬坡能力大，转弯半径小，线路适应性强，爬坡能力可达70‰;

（3）运量较大，可满足轻轨交通的运量需求。轻轨交通的运量标准为：1～3万人次/单

向小时。中低速磁浮列车系统，可以达到3.2万人次/单向小时，完全可以满足轻轨交通系统载客量;

（4）抱轨运行，安全性好。列车“抱轨”运行，车轨一体，不会发生脱轨和翻车事故;

即使停电，车载电源维持悬浮，直到安全停车;线路适合高架，相对地下线路具有更高的安全性。

2 车体静强度设计

磁浮列车结构特点、运用环境与轮轨列车有很大差异，故车体结构设计时应按照以下原则进行：

（1）车体应为整体承载结构;（2）车体结构应能够承受与运用要求相一致的最大载荷，不产生永久变形;（3）车体结构应具备一定的刚度，满足其安装设备正常工作与运行过程中旅客乘坐舒适性的要求;（4）在保证强度和刚度的前提下，车体结构应最大限度降低自重，车体结构宜采用轻型材料，如铝合金或复合材料;（5）车体主结构设计寿命不应低于30年。

参考EN12663及磁浮列车的特性，在车体强度设计时，确定相应工况下设计时载荷，如下表1所示。本文主要针对以下工况碱性工况01、工况02、工况03建模分析，通过理论计算，以确定最终数值，其余工况04至工况08，可参考EN12663执行。在计算工况明确后，进行仿真计算，然后根据本文提出静强度实验方法进行试验，对过对比证明设计合理性。

在垂向载荷（m1+m4）g作用下，车体静挠度不超过同一转向架空簧支撑点距离的1‰。

在给定的载荷下车体总结构不会发生破裂以及永久变形。材料的屈服强度与计算应力或者测试应力σ的比应大于或者等于1，即安全系数S大于或者等于1，

3 车体静载荷实验

工况01

车体结构支撑在空簧位，首先在车体结构上施加g×m1-g×m0垂向载荷，除质量大的设备在其安装位置施加集中载荷外，其余载荷均匀施加在地板上。然后在车钩连接处施加320kN拉伸载荷。对实验测得的数据进行处理，计算出对应于320kN拉伸载荷与垂向载荷g×m1组合实验数据。

3.2工况02

车体结构支撑在空簧位，首先在车体结构上施加g×m1-g×m0垂向载荷，除质量大的设备在其安装位置施加集中载荷外，其余载荷均匀施加在地板上。然后在车钩连接处施加400kN压缩载荷。对实验测得的数据进行处理，计算出对应于400kN压缩载荷与垂向载荷g*m1组合实验数据。

3.3工况03

车体结构支撑在空簧位，在车体结构上施加1.1g×（m1+m4）-g×m0垂向载荷，除质量大的设备在其安装位置施加集中载荷外，其余载荷均匀施加在地板上。对实验测得的数据进行处理，计算出对应于垂直载荷1.1g×（m1+m4）的数据。

3.4工况04

车体机构支撑在规定的顶车位/抬车，车体支撑在顶车/抬车位，在车体结构上施加1.1g×m1-g×m0垂向载荷，除质量大的设备在其安装位置施加集中载荷外，其余载荷均匀施加在地板上。对实验测得的数据进行处理，计算出对应于载荷1.1g×m1实验数据。

3.5工况05

车体机构支撑在规定的抬车位，首先在车体结构上施加1.1g×m1-g×m0垂向载荷，除质量大的设备在其安装位置施加集中载荷外，其余载荷均匀施加在地板上，带位移支撑的提升和抬车，相对于其它三个提升点，第四个提升点的垂直位移为10mm，对实验测得的数据进行处理，计算出对应于载荷1.1g×m1实验数据。

3.6工况06

车体结构支撑在空簧位，首先在车体结构上施加g×（m1+m4）-g×m0垂向载荷，除质量大的设备在其安装位置施加集中载荷外，其余载荷均匀施加在地板上。然后在车钩连接处施加320kN拉伸载荷。对实验测得的数据进行处理，计算出对应于320kN拉伸载荷与垂向载荷g×（m1+m4）组合实验数据。

3.7工況07

车体结构支撑在空簧位，首先在车体结构上施加g×（m1+m4）-g×m0垂向载荷，除质量大的设备在其安装位置施加集中载荷外，其余载荷均匀施加在地板上。然后在车钩连接处施加400kN压缩载荷。对实验测得的数据进行处理，计算出对应400kN压缩载荷与垂向载荷g×（m1+m4）组合实验数据。

通过对工况1至工况7的实验，与相应工况下的仿真结果对比，验证车辆的可靠性。

4 结语

经过建模仿真计算，基于EN12663，提出对车体静强度设计时的相应静强度值要求，并在此基础上，提出中低速磁浮车体静强度试验工况及静强度的实验方法。进而对仿真计算进行验证，结果证明数值模拟结果具有较高的准确性，同时本文建模分析方法对小品种车的强大设计也具有一定借鉴意义。

[1] 孙加平，刘宇，李欣伟，等.基于EN12663标准的单车型低地板轻轨车载荷工况研究[J].铁道车辆，2014（4）：32-34.

[2] 刘宇，王峰，苏强，等.轻量化复合材料车体设计和分析[J].城市轨道交通研究，2018（1）：25-27.

[3] EN12663-1-2010，铁路应用 铁路车辆车体的结构要求[S].

[4] TB/T 3451-2016 动车组车体结构强度设计及试验[S].

[5] CJ/T 375-2011 中低速磁浮交通车辆通用技术条件[S].

▲基金项目：国家重点基础研究项目（2016YFB1200601）

作者简介：王峰（1985—），男，安徽阜阳人，硕士研究生，工程师，研究方向：车体结构及强度设计。

Experiment of Mid-low Speed Magnetic Levitation Train

（R&D Center，CRRC TANGSHAN Co.， Ltd.， Tangshan  HeBei  063035）

There is no specific specification or provision for the magnetic levitation car-body static strength because of the special structure. The designers always apply the EN12663 P-IV for the static strength calculation and simulation nowadays， however， whether it is true or not， we still need to be demonstrated. This article is aiming to theoretical analysis and calculation for the static strength through modeling， and ensuring experiment types and methods according to the EN12663 and the theoretical analysis result. And finally， this article demonstrate the rightness through the experiment to ensure that it is reasonable for the magnetic levitation car-body static strength with the mid-low speed.

magnetic levitation;car-body structure;static strength;experiment types