劉杰 李剛 劉曉芳 段麗芳

中車長春軌道客車股份有限公司 吉林長春 130062

1 車門的位置和數(shù)量對地鐵車輛車體扭轉(zhuǎn)頻率的影響原理

基于結(jié)構(gòu)力學、殼體力學的基本原理分析，高速運動過程中的機車車體剛度過低，會在外部作用力的影響下發(fā)生車體變形，進而車體振動頻率降低、設(shè)備共振強度變大，嚴重增加列車連接頭的疲勞強度。

對于車體剛度影響的形式表現(xiàn)為“整體彎曲剛度”和“整體扭曲剛度”兩種形式，車門作為機車設(shè)計的必要元素，其影響主要集中于后者，由此引入車體扭轉(zhuǎn)頻率的概念。結(jié)合我國地鐵列車的現(xiàn)實情況，主要包括A、B、C三種型號（A型長22.8米、寬3米，B型長19米、寬2.8米，C型長19米、寬2.6米），車門的位置、數(shù)量都會對列車扭矩剛度產(chǎn)生影響，基于這一原理，本文利用一階扭轉(zhuǎn)頻率計算理論推導，構(gòu)建車體鋼架構(gòu)扭轉(zhuǎn)頻率的簡化推導模型[1]。

2 車門的位置和數(shù)量對地鐵車輛車體扭轉(zhuǎn)頻率的理論推導

根據(jù)一階扭矩頻率計算理論，推到對象需要建立在線性數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)上，而地鐵車體車門數(shù)量、位置的二維變量矩陣，滿足該計算理論要求。同時，為了進一步簡化推導過程，計算過程高中可以將一個車體的“整體”，而車廂（車門載體）視為多端梁的串聯(lián)，根據(jù)彈簧懸掛頻率公式展開計算

對于直徑相等的等直軸來說，扭轉(zhuǎn)剛度表示產(chǎn)生單位扭轉(zhuǎn)所需要的扭矩：。

K為扭轉(zhuǎn)剛度，M為扭矩，φ為扭轉(zhuǎn)角，l為每段梁的長度。

如果實際軸端是由幾個不同軸端串聯(lián)成的，則整個軸端的扭轉(zhuǎn)剛度的倒數(shù)（即為柔度）具有可加性，可表示為：，式中K1、K2、K3……Kn表示各個串聯(lián)軸端的扭轉(zhuǎn)剛度。

3 車門的位置和數(shù)量對地鐵車輛車體扭轉(zhuǎn)頻率的計算對比

3.1 有限元模型構(gòu)建

本文中利用計算機建模軟件Hypermesh實施有限元建模操作，前提要求為準確性，即準確性是有限元模型是仿真分析的關(guān)鍵，這一概念下的“準確性”本質(zhì)上也包括仿真性，但考慮到后期采用ANSYS軟件進行測試，則需要一定程度上的改進，不能完全結(jié)合現(xiàn)實中的地鐵車體展開。同時，本文研究主要考慮車門對車體扭轉(zhuǎn)剛度的影響，選取某項目車體模型為原型建立車體的簡單模型。為了方便計算，所建立的模型計算時均用同一種材料，車體的基本參數(shù)如表1所示。

表1 車體材料參數(shù)

充分考慮車門位置對扭轉(zhuǎn)剛度的影響，以單門模式為基礎(chǔ)，在示例模型中門的位置離一位端端墻為1050mm，然后依次向二位端移動1000mm，由此得到多個計算模型，在離一位端11050mm處結(jié)束，確保每一個門之間的位置保持距離平等。

3.2 計算對比分析

鑒于篇幅關(guān)系，本文中不做過多的復雜運算，從直觀角度上觀察，多個車門方案的車體一階扭轉(zhuǎn)頻率的有限元計算結(jié)果符合研究目標，并且通過進一步計算，得到其一階扭轉(zhuǎn)頻率的理論計算結(jié)果，可以得知車門的位置離端墻越近則車體的一階扭轉(zhuǎn)頻率值越小，車體扭轉(zhuǎn)剛度也越小，在靠近中間位置扭轉(zhuǎn)頻率值達到最大，即車體扭轉(zhuǎn)剛度達到最大；相關(guān)論證結(jié)果在ANSYS中表現(xiàn)的更加明顯，其中較為典型的開3門、開4門、開5門情況下，所得到的結(jié)果如表2所示。

表2 開3、4、5車門數(shù)量下扭轉(zhuǎn)頻率

由得出的結(jié)果可知，隨著門的數(shù)量增加，一階扭轉(zhuǎn)頻率減小，即車體的扭轉(zhuǎn)剛度減小。

4 結(jié)語

通過案例計算得到了相同車體開一個車門且將車門開在不同位置下的一階扭轉(zhuǎn)頻率，和相同車體分別開不同個門情況下的一階扭轉(zhuǎn)頻率，得到了車門對扭轉(zhuǎn)剛度的影響規(guī)律，表明：（1）針對車門的位置分析表明，越靠近車體兩段則扭轉(zhuǎn)頻率就越小，越靠近車體中間位置扭轉(zhuǎn)頻率就越大。（2）針對車門的數(shù)量分析表明，車門數(shù)量與扭轉(zhuǎn)頻率成為反比關(guān)系；結(jié)合以上兩個結(jié)論，為了確保地鐵運行的安全性和穩(wěn)定性，一方面可以通過減少車體上車門的數(shù)量來提高扭轉(zhuǎn)剛度，另一方面，當車門數(shù)量一定的情況下，車門可以適當?shù)叵蜍圀w中間集中，以此提高車體的扭轉(zhuǎn)剛度。