跨座式單軌“?8?運營?+?8?救援”列車車體結構優化分析

肖靜飛

摘 要：重慶市軌道交通跨座式單軌列車將由4 輛、6 輛編組擴編為 8 輛編組，相應的救援列車也將擴編到 8 輛編組。為滿足“8 運營 + 8 救援”列車救援要求，需要對既有車體結構進行整體優化。首先對“8 運營 + 8 救援”列車最惡劣救援工況下車體承受荷載進行分析，獲得其須承受的最大載荷，然后對既有列車的車體結構進行優化設計;有限元分析表明，優化設計后的車體結構滿足“8 運營 + 8 救援”列車救援要求。

關鍵詞：跨座式單軌;救援列車;車體結構;優化設計;有限元分析

1 救援列車縱向受力分析

根據重慶市軌道交通跨座式單軌在救援工況下“8 運營+ 8救援”的列車編組特點，按照GB 50458-2008《跨座式單軌交通設計規范》中單軌線路最大坡道為60‰，對“8運營+8救援”列車在坡道上的縱向受力進行計算分析，計算工況如下。

（1）工況1，救援列車處于平道，運營列車處于50‰坡道上。

（2）工況2，救援列車處于平道，運營列車處于60‰坡道上。

（3）工況3，救援列車處于50‰坡道，運營列車也處于50‰坡道上。

（4）工況4，救援列車處于60‰坡道，運營列車也處于60‰坡道上。

工況1和工況2屬于平道救援，工況3和工況4屬于坡道救援。“8運營+ 8救援”列車編組示意圖如圖 1 所示（圖中緩沖器斷面按照前后順序依次編號為1～15），其在坡道上的縱向受力計算結果如表1所示。由表1可知，當救援列車處于平道，運營列車處于60‰ 坡道上，且運營列車為滿載（超員，AW3）工況時，最大車鉤力出現在8號車鉤，為466 kN，屬于最惡劣的救援工況。

以上計算結果表明，原有單軌列車車體的最大壓縮設計載荷350 kN已無法滿足極限工況下最大車鉤力466kN的要求，為此本文建議車體的最大縱向壓縮和拉伸載荷采用日本490 kN標準，并對既有單軌列車車體結構進行優化設計。

2 車體結構選材

本文通過優化既有單軌列車車體的局部結構和材料選型提高車體的強度，以適應“8運營+ 8救援”列車的所有救援工況。為此，優化選用中空大型鋁合金擠壓型材，并組焊而成，使其在使用期限內能承受正常載荷的作用而不產生永久變形和疲勞損傷，優化選用的車體結構材料性能參數如表2所示。

3 車體結構強度有限元分析

3.1 有限元模型

本次有限元分析基于歐盟EN 12663-1：2010《鐵路應用-鐵道車輛的車體結構要求-第 1 部分：機車和客車（及貨車的替換法）》中對車輛車體結構的要求，并綜合考慮跨座式單軌“8 運營+ 8救援”列車運行工況，對優化后的車體結構進行剛度和靜強度有限元計算分析。

為確保計算的準確性，模型構成以任意4節點薄殼單元為主，3 節點薄殼單元為輔。頭車和中間車有限元模型如圖2所示。

3.2 計算分析參數及工況

3.2.1 結構剛度

參考CJ/T 287-2008《跨座式單軌交通車輛通用技術條件》，需考查車輛在整備狀態和最大超員狀態下的車體撓度，分別計算車輛在AW0與AW3狀態下底架邊梁的垂向靜撓度和地板橫梁的最大位移變形量，并校核是否滿足要求，即車體剛度在AW0與AW3狀態下，車體底架邊梁的垂向靜撓度小于車輛定距的 1/1 000，地板橫梁的最大位移變形量不超過車輛定距的1/250。

3.2.2 結構靜強度

根據歐盟EN 12663-1：2010標準的要求，完成頭車、中間車的車體靜強度分析，重點考察車體重要部件（如枕梁、底架邊梁、牽引梁等）的受力情況。

3.2.3 計算工況

依照計算要求，在所有計算工況作用下，車體各部件的Von-Mises應力均不得大于部件所用材料的許用應力。車體靜強度計算的載荷工況如下。

（1）計算工況1，車輛整備重量（AW0）的垂直負載：鋁結構重量以重力加速度形式施加，設備重量施加于設備懸掛處，其余重量均布在地板上。

（2）計算工況2，車輛超載重量（AW3）的垂直負載：載荷施加方法同計算工況1，乘客的重量均布在非座椅區域的地板上。

（3）計算工況3，車輛最大垂向負載（1.3×AW3）：載荷施加方法同計算工況2，垂向載荷以1.3×AW3（包括乘客和車）計算。

（4）計算工況4，AW0 +車鉤座縱向壓縮工況：垂向載荷施加方法同計算工況1，縱向壓縮載荷（490 kN）作用于一位端的車鉤處。

（5）計算工況5，AW0 +車鉤座縱向拉伸工況：垂向載荷施加方法同計算工況1，縱向拉伸載荷（490 kN）作用于一位端的車鉤處。

（6）計算工況6，AW3 +車鉤座縱向壓縮工況：垂向載荷同計算工況2，縱向壓縮載荷（490 kN）作用于一位端的車鉤處。

（7）計算工況7，AW3 +車鉤座縱向拉伸工況：垂向載荷同計算工況2，縱向拉伸載荷（490 kN）作用于一位端的車鉤處。

（8）計算工況8，架車工況（1.1×AW0）：載荷施加方法同計算工況1，垂向載荷以 1.1×AW0計算，并在中心銷孔位置加載轉向架重量。

3.3 邊界條件

車體靜強度典型計算工況1和計算工況4的位移邊界條件（約束）示意圖分別如圖3和圖4所示。

3.4 評估方法

3.4.1 剛度

依據CJ/T 287-2008技術條件的要求，車輛定距為9600mm，車體剛度在AW3狀態下，底架邊梁的垂直靜撓度不超過車輛定距的1/1 000，即9 600×1/1 000 = 9.6 mm，地板橫梁的最大位移量不超過車輛定距的1/250，即9600×1/250 = 38.4 mm。