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(yīng)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(yīng)用前景。

目前國內(nèi)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(yīng)性上 ,文獻分別對懸掛式單軌交通的應(yīng)用現(xiàn)狀、運輸能力以及線路設(shè)計等關(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力學(xué)分析進行。針對懸掛式單軌車輛車體結(jié)構(gòu)的強度研究 , 目前還沒有相關(guān)的文獻可以借鑒。

本文基于對國內(nèi)外軌道車輛強度標(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度計算的參考工況和評估方法。

1 懸掛式單軌車體結(jié)構(gòu)特點

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(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計。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 , 同時在枕梁兩側(cè)設(shè)有防脫結(jié)構(gòu) ,用于懸吊裝置失效時的二次防脫。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 ,用于進站時穩(wěn)定車身 。端墻和司機室結(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)特有計算工況

目前 ,對于軌道交通車輛車體強度評價 , 國內(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、頂車載荷和運營載荷 。在選取評價標(biāo)準(zhǔn)時 , 需根據(jù)各個標(biāo)準(zhǔn)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(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計算。

2. 1 橫風(fēng)工況

懸掛式單軌車輛作為旅游線路的首選 ,一般選用高架運行,橫風(fēng)工況主要考核車輛在長期運行過程中 ,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(dá)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(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車體直接掉落,設(shè)置了車體二次防護座。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站 ,減少車輛相對站臺的擺動。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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)評估工況推薦

通過對懸掛式單軌車體結(jié)構(gòu)評估標(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(jié)合的方式進行。計算應(yīng)力結(jié)果均采用第四強度理論當(dāng)量應(yīng)力進行校核 ,靜強度計算應(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:靜強度試驗通過對車體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位貼應(yīng)變片 ,在試驗臺上施加工況的邊界條件進行應(yīng)力測試 ,測試應(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(biāo)準(zhǔn)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(jié)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)向架的浮沉、蛇行、點頭等振動頻率隔離 ,局部振動需與設(shè)備的振動頻率進行隔離。

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際生產(chǎn)、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(jié)構(gòu)的靜強度、疲勞強度和剛度的評估方法 ,該方法具有普適性。