悬挂式单轨车辆车体强度评估工况分析

引言

近年来 , 随着人口的增长和经济的发展 ,城市轨道交通得到迅速发展。悬挂式单轨作为现代城市新型交通形式 ,具有容量大、噪声小、乘坐舒适、零排放、能耗低、经济性高、对地面交通无影响、适应地形能力强等特点 ,在我国大量的中小城市和巨大的旅游市场中具有广阔的应用前景。

目前国内开通的悬挂式单轨线路较少 ,对悬挂式单轨交通的研究着重体现在对该制式的适应性上 ,文献分别对悬挂式单轨交通的应用现状、运输能力以及线路设计等关键技术展开了研究;具体到车辆上 ,更多的是围绕车辆的曲线通过能力和动力学分析进行。针对悬挂式单轨车辆车体结构的强度研究 , 目前还没有相关的文献可以借鉴。

本文基于对国内外轨道车辆强度标准的研究 ,参照悬挂式单轨车辆特殊的结构和线路 ,制定了悬挂式单轨车辆车体强度计算的参考工况和评估方法。

1 悬挂式单轨车体结构特点

与普通轨道交通车辆类似 ,悬挂式单轨车辆的车体结构也由车顶、侧墙、底架、端墙和司机室5个部件组成 ,但由于车体承载和受力方式与普通车辆差异较大 ,各部件的结构设计也带有悬挂式单轨车辆明显的特点。

悬挂式单轨车辆由于轴重限制 ,其车体必须采用轻量化设计。车顶结构是悬挂式单轨车辆的主承力部件 ,受到转向架的垂向拉伸以及轴向的拉伸和压缩载荷 ,结构上增加了枕梁、车钩安装和设备安装等接口 。转向架通过枕梁与车顶悬吊式连接 ,一般采用紧固件冷连接方式 , 同时在枕梁两侧设有防脱结构 ,用于悬吊装置失效时的二次防脱。车钩安装接口设置在车顶两端 ,用于纵向力的传递 。车顶设备主要采用托装结构 ,通过螺栓紧固在车顶两侧预设的通用接口上 。侧墙结构通过立柱与上下边梁连接 ,主要作用是将人员的载荷传递到车顶 ,故侧墙结构主要承受垂向拉伸载荷 。底架结构主要承受人员载荷 ,而不再受纵向载荷 。底架四角位置设有导向轮 ,用于进站时稳定车身 。端墙和司机室结构与传统轨道车辆类似。

2 悬挂式单轨车体结构特有计算工况

目前 ,对于轨道交通车辆车体强度评价 , 国内外的标准主要有:J1s E 7105、EN 12663、U1C 566、VDV 152、TB8T 1335等 。每种标准都可以分为五类载荷:垂向载荷、纵向载荷、扭转载荷、顶车载荷和运营载荷 。在选取评价标准时 , 需根据各个标准的适用车型、各自的适用范围以及分析对象的具体线路情况进行综合考虑。

不同于传统的轨道交通车辆 ,悬挂式单轨车辆车体与转向架具有特殊的连接结构 ,车辆的载荷传递路径与普通制式的轨道车辆有很大区别 。悬挂式单轨交通系统大多建立在旅游区和视野较开阔的风景区 ,受风载的影响较大 。 因此 ,悬挂式单轨车辆有很多特殊的工况需要单独计算。

2. 1 横风工况

悬挂式单轨车辆作为旅游线路的首选 ,一般选用高架运行,横风工况主要考核车辆在长期运行过程中 ,车体受到横风载荷的疲劳性能,一般取满载状态进行计算,载荷循环为±200N8m2。

2.2 坡道救援工况

悬挂式单轨车辆的最大爬坡能力能够达到60. ,在坡道救援过程中 ,车辆将会受到更大的弯曲载荷 ,本工况主要是模拟车辆坡道救援时 ,被救援车体弯曲状态下的力学性能。

2.3 防跌落工况

悬挂式单轨车体悬吊在转向架下方 ,为防止转向架连接部件断裂时车体直接掉落,设置了车体二次防护座。该工况主要考核在转向架连接座脱落的情况下二次防护座的力学性能 。2.4 导向装置疲劳工况

悬挂式单轨车辆进站过程中 ,为防止车辆横摆 ,通常在车体底架设置有导向轮 ,该导向轮有利于车辆平滑进站 ,减少车辆相对站台的摆动。从工作状态来看 ,该导向轮需要承受较大的横摆载荷 ,需对其进行疲劳寿命校核 ,参考车辆的最大横向疲劳载荷进行评估。

2.5 车辆吊运工况

悬挂式单轨车辆采用转向架安装座进行吊运作业 ,普通轨道车辆吊运是采用底架边梁起吊 ,在吊运过程中 ,两种制式的载荷传递路径不一致 。但该工况的约束条件与垂直过载工况一致, 同时载荷小于垂直过载工况 , 因此可以不单独校核。

3 悬挂式单轨车体结构评估工况推荐

通过对悬挂式单轨车体结构评估标准的分析 ,本文选取了EN 12663和VDV 152作为车体结构评估的参考标准: 并根据悬挂式单轨车辆的结构形式、载荷传递路径以及运行过程中可能受到的特殊载荷 ,制定了悬挂式单轨车辆车体结构的评估工况清单(表1) 。

车体静强度评估通过仿真计算和试验相结合的方式进行。计算应力结果均采用第四强度理论当量应力进行校核 ,静强度计算应力母材部位不超过材料许用应力 ,热影响区应力不超过标准给出的建议值:静强度试验通过对车体结构关键部位贴应变片 ,在试验台上施加工况的边界条件进行应力测试 ,测试应力需满足母材部位不超过材料的许用应力 ,热影响区应力不超过标准给出的建议值。针对防止跌落工况 ,计算时仅考虑材料的抗拉强度即可。

疲劳寿命评估采用有限元计算的方式进行验证 。采用疲劳分析中的疲劳极限法 ,参考EN 1%%%- 1-%标准给出的母材和焊缝s-N曲线进行评估。

刚度评估通过计算和试验相结合的方式进行验证 。车体的各阶自振频率通过有限元计算获得 ,模态试验采用多点激扰多点测量的方法获得车体结构的固有频率、阻尼比和固有振型 。通过有限元计算和试验获得的车体自振频率必须与转向架的浮沉、蛇行、点头等振动频率隔离 ,局部振动需与设备的振动频率进行隔离。

4 结语

本文依据EN 12663标准和VDV 152标准 ,并结合悬挂式单轨车辆实际生产、运行和故障救援等情况下的实际受载特点 ,制定了悬挂式单轨车辆车体结构的静强度、疲劳强度和刚度的评估方法 ,该方法具有普适性。