中低速磁浮列車車體強度設(shè)計及試驗研究

王峰 崔玉萌

由于磁浮車輛車體結(jié)構(gòu)形式特殊，現(xiàn)階段并沒有完全適用的標準或規(guī)范對車體靜強度進行明確規(guī)定，一般參考EN12663 P-IV中規(guī)定對其靜強度進行設(shè)計。本文旨在通過數(shù)值模擬分析，對車體靜載荷進行研究，并參考EN12663，依據(jù)磁浮列車結(jié)構(gòu)特點和靜載荷建模分析結(jié)果，確定中低速磁浮車體靜強度及靜強度試驗工況，并規(guī)定靜強度實驗方法，從而對仿真計算進行驗證，以確保中低速磁浮列車車體靜強度設(shè)計的準確性。

磁浮;車體結(jié)構(gòu);靜強度;實驗工況

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0 引言

軌道交通自主創(chuàng)新是國家通過實施“創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展”戰(zhàn)略全面支撐“制造強國”和“走出去”戰(zhàn)略的重要保障。當前，德國、日本、美國等國家正積極籌劃和發(fā)展各種形式的交通技術(shù)，日本開展了超導高速磁浮技術(shù)研究，并規(guī)劃東京至名古屋商業(yè)磁浮鐵路，美國開展了Magneplane、Hyperloop 等多種技術(shù)方案的研究。我國高速鐵路技術(shù)發(fā)展迅速，在世界鐵路行業(yè)具有重要地位，亟需在中速、高速磁浮交通領(lǐng)域深化研究，做好戰(zhàn)略技術(shù)儲備。

鑒于此，由于現(xiàn)有標準或規(guī)范中無針對磁浮列車車體強度設(shè)計的具體要求，在具體設(shè)計時只能參考EN12663 P-IV中的規(guī)定進行計算。本文根據(jù)中低速磁浮列車結(jié)構(gòu)特點及運營模式，進行理論建模和分析，從而對車體靜載荷進行研究分析，并參考EN12663，依據(jù)磁浮列車結(jié)構(gòu)特點和靜載荷建模分析結(jié)果，確定中低速磁浮車體靜強度試驗工況，并規(guī)定靜強度實驗方法，從而對仿真計算進行驗證，以確保中低速磁浮列車車體靜強度設(shè)計的準確性。

1 中低速磁浮車輛特點

磁浮列車是依靠電磁力使列車浮起，懸浮電磁鐵與軌道之間保持一定的氣隙而不與軌道接觸，沒有輪軌鐵路的磨擦，列車牽引依靠直線電機推動，磁浮列車具有以下特點：

（1）噪音低，有利于環(huán)境保護，乘坐平穩(wěn)舒適。列車運行時處于懸浮狀態(tài)，與軌道之間

無接觸，無輪軌系統(tǒng)之間相互作用引起振動，運行平穩(wěn)，舒適感強;

（2）爬坡能力大，轉(zhuǎn)彎半徑小，線路適應性強，爬坡能力可達70‰;

（3）運量較大，可滿足輕軌交通的運量需求。輕軌交通的運量標準為：1～3萬人次/單

向小時。中低速磁浮列車系統(tǒng)，可以達到3.2萬人次/單向小時，完全可以滿足輕軌交通系統(tǒng)載客量;

（4）抱軌運行，安全性好。列車“抱軌”運行，車軌一體，不會發(fā)生脫軌和翻車事故;

即使停電，車載電源維持懸浮，直到安全停車;線路適合高架，相對地下線路具有更高的安全性。

2 車體靜強度設(shè)計

磁浮列車結(jié)構(gòu)特點、運用環(huán)境與輪軌列車有很大差異，故車體結(jié)構(gòu)設(shè)計時應按照以下原則進行：

（1）車體應為整體承載結(jié)構(gòu);（2）車體結(jié)構(gòu)應能夠承受與運用要求相一致的最大載荷，不產(chǎn)生永久變形;（3）車體結(jié)構(gòu)應具備一定的剛度，滿足其安裝設(shè)備正常工作與運行過程中旅客乘坐舒適性的要求;（4）在保證強度和剛度的前提下，車體結(jié)構(gòu)應最大限度降低自重，車體結(jié)構(gòu)宜采用輕型材料，如鋁合金或復合材料;（5）車體主結(jié)構(gòu)設(shè)計壽命不應低于30年。

參考EN12663及磁浮列車的特性，在車體強度設(shè)計時，確定相應工況下設(shè)計時載荷，如下表1所示。本文主要針對以下工況堿性工況01、工況02、工況03建模分析，通過理論計算，以確定最終數(shù)值，其余工況04至工況08，可參考EN12663執(zhí)行。在計算工況明確后，進行仿真計算，然后根據(jù)本文提出靜強度實驗方法進行試驗，對過對比證明設(shè)計合理性。

在垂向載荷（m1+m4）g作用下，車體靜撓度不超過同一轉(zhuǎn)向架空簧支撐點距離的1‰。

在給定的載荷下車體總結(jié)構(gòu)不會發(fā)生破裂以及永久變形。材料的屈服強度與計算應力或者測試應力σ的比應大于或者等于1，即安全系數(shù)S大于或者等于1，

3 車體靜載荷實驗

工況01

車體結(jié)構(gòu)支撐在空簧位，首先在車體結(jié)構(gòu)上施加g×m1-g×m0垂向載荷，除質(zhì)量大的設(shè)備在其安裝位置施加集中載荷外，其余載荷均勻施加在地板上。然后在車鉤連接處施加320kN拉伸載荷。對實驗測得的數(shù)據(jù)進行處理，計算出對應于320kN拉伸載荷與垂向載荷g×m1組合實驗數(shù)據(jù)。

3.2工況02

車體結(jié)構(gòu)支撐在空簧位，首先在車體結(jié)構(gòu)上施加g×m1-g×m0垂向載荷，除質(zhì)量大的設(shè)備在其安裝位置施加集中載荷外，其余載荷均勻施加在地板上。然后在車鉤連接處施加400kN壓縮載荷。對實驗測得的數(shù)據(jù)進行處理，計算出對應于400kN壓縮載荷與垂向載荷g*m1組合實驗數(shù)據(jù)。

3.3工況03

車體結(jié)構(gòu)支撐在空簧位，在車體結(jié)構(gòu)上施加1.1g×（m1+m4）-g×m0垂向載荷，除質(zhì)量大的設(shè)備在其安裝位置施加集中載荷外，其余載荷均勻施加在地板上。對實驗測得的數(shù)據(jù)進行處理，計算出對應于垂直載荷1.1g×（m1+m4）的數(shù)據(jù)。

3.4工況04

車體機構(gòu)支撐在規(guī)定的頂車位/抬車，車體支撐在頂車/抬車位，在車體結(jié)構(gòu)上施加1.1g×m1-g×m0垂向載荷，除質(zhì)量大的設(shè)備在其安裝位置施加集中載荷外，其余載荷均勻施加在地板上。對實驗測得的數(shù)據(jù)進行處理，計算出對應于載荷1.1g×m1實驗數(shù)據(jù)。

3.5工況05

車體機構(gòu)支撐在規(guī)定的抬車位，首先在車體結(jié)構(gòu)上施加1.1g×m1-g×m0垂向載荷，除質(zhì)量大的設(shè)備在其安裝位置施加集中載荷外，其余載荷均勻施加在地板上，帶位移支撐的提升和抬車，相對于其它三個提升點，第四個提升點的垂直位移為10mm，對實驗測得的數(shù)據(jù)進行處理，計算出對應于載荷1.1g×m1實驗數(shù)據(jù)。

3.6工況06

車體結(jié)構(gòu)支撐在空簧位，首先在車體結(jié)構(gòu)上施加g×（m1+m4）-g×m0垂向載荷，除質(zhì)量大的設(shè)備在其安裝位置施加集中載荷外，其余載荷均勻施加在地板上。然后在車鉤連接處施加320kN拉伸載荷。對實驗測得的數(shù)據(jù)進行處理，計算出對應于320kN拉伸載荷與垂向載荷g×（m1+m4）組合實驗數(shù)據(jù)。

3.7工況07

車體結(jié)構(gòu)支撐在空簧位，首先在車體結(jié)構(gòu)上施加g×（m1+m4）-g×m0垂向載荷，除質(zhì)量大的設(shè)備在其安裝位置施加集中載荷外，其余載荷均勻施加在地板上。然后在車鉤連接處施加400kN壓縮載荷。對實驗測得的數(shù)據(jù)進行處理，計算出對應400kN壓縮載荷與垂向載荷g×（m1+m4）組合實驗數(shù)據(jù)。

通過對工況1至工況7的實驗，與相應工況下的仿真結(jié)果對比，驗證車輛的可靠性。

4 結(jié)語

經(jīng)過建模仿真計算，基于EN12663，提出對車體靜強度設(shè)計時的相應靜強度值要求，并在此基礎(chǔ)上，提出中低速磁浮車體靜強度試驗工況及靜強度的實驗方法。進而對仿真計算進行驗證，結(jié)果證明數(shù)值模擬結(jié)果具有較高的準確性，同時本文建模分析方法對小品種車的強大設(shè)計也具有一定借鑒意義。

[1] 孫加平，劉宇，李欣偉，等.基于EN12663標準的單車型低地板輕軌車載荷工況研究[J].鐵道車輛，2014（4）：32-34.

[2] 劉宇，王峰，蘇強，等.輕量化復合材料車體設(shè)計和分析[J].城市軌道交通研究，2018（1）：25-27.

[3] EN12663-1-2010，鐵路應用 鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求[S].

[4] TB/T 3451-2016 動車組車體結(jié)構(gòu)強度設(shè)計及試驗[S].

[5] CJ/T 375-2011 中低速磁浮交通車輛通用技術(shù)條件[S].

▲基金項目：國家重點基礎(chǔ)研究項目（2016YFB1200601）

作者簡介：王峰（1985—），男，安徽阜陽人，碩士研究生，工程師，研究方向：車體結(jié)構(gòu)及強度設(shè)計。

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