王 利 董 浩 王 琳 楊申森 劉 康

(中車唐山機(jī)車車輛有限公司，063035，唐山//第一作者，工程師)

車端跨接系統(tǒng)是城市軌道交通車輛編組實(shí)現(xiàn)電氣連接的重要部件,其功能主要是為了實(shí)現(xiàn)列車供電電路、控制信號(hào)及通信信號(hào)的連接?？缃泳€纜的曲線通過能力對(duì)車輛的安全運(yùn)營(yíng)起著至關(guān)重要的作用。因此,跨接線纜的安裝方案及長(zhǎng)度計(jì)算成為了車端跨接系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要一環(huán)。本文以伊茲密爾輕軌六軸低地板車輛為例,對(duì)其車端跨接方案與跨接線纜長(zhǎng)度的選取進(jìn)行了分析。

1 車端跨接線纜使用壽命分析

車端跨接線纜的安裝形式及長(zhǎng)度計(jì)算主要依托兩個(gè)必要條件：①不論車輛處于何種狀態(tài)，跨接線纜的最低點(diǎn)不應(yīng)超過車輛限界;②跨接線纜之間距離較穩(wěn)定，不會(huì)產(chǎn)生相互之間的摩擦。

車輛在運(yùn)行過程中，隨著線路曲線的變化，車端跨接線纜被動(dòng)地進(jìn)行伸展和收縮運(yùn)動(dòng)，因此跨接線纜的復(fù)雜受力運(yùn)動(dòng)情況成為影響跨接線纜使用壽命的重要因素[2]。

在車輛停放靜止?fàn)顟B(tài)下，取電纜上的任意一點(diǎn)O進(jìn)行受力分析(見圖1),該點(diǎn)所受力分別為P、T、G。其中，G表示線纜重力;P、T分別沿線纜軸線切線方向，設(shè)P、T與水平線的角度分別為α、β。

因車端跨接線纜是靜止的，處于平衡狀態(tài)，則：

在線纜上取最低點(diǎn)和固定點(diǎn)兩個(gè)有代表性的區(qū)域進(jìn)行分析。在跨接線纜的最低點(diǎn)位置，P與T近似為水平方向，兩者方向相反，且與G達(dá)到平衡狀態(tài)。因此處的平衡狀態(tài)可維持不變，故其受力對(duì)線纜的疲勞壽命影響可以忽略。

圖1 電纜靜止時(shí)的受力分析圖

在跨接線纜的固定點(diǎn)位置，線纜除受到P、T與G之外,還受到線纜固定接頭的鎖緊力，該鎖緊力垂直于線纜軸線方向。因此,在固定跨接線纜時(shí)，通常應(yīng)保持線纜的軸線與線纜固定處的平面垂直，并保證線纜在固定點(diǎn)附近只受到線纜自身重力引起的彎曲應(yīng)力，而未受到固定點(diǎn)施加的額外應(yīng)力。

當(dāng)車輛處于停放靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，線纜緊固接頭的固定面與線纜整體軸線垂直，線纜固定點(diǎn)附近不會(huì)受到額外的應(yīng)力，也不會(huì)造成線纜固定點(diǎn)附近的線纜形變。因此,線纜緊固接頭的鎖緊力不會(huì)對(duì)線纜的疲勞壽命造成影響。

當(dāng)車輛處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，在線纜的固定點(diǎn)附近，線纜會(huì)受到因車輛運(yùn)動(dòng)而造成的額外拉應(yīng)力和壓應(yīng)力。這兩種應(yīng)力的大小和方向隨著車輛的運(yùn)動(dòng)而時(shí)刻變化。因此,線纜固定點(diǎn)附近的線纜也會(huì)因此而發(fā)生形變，這對(duì)線纜的疲勞壽命影響很大。

由上可知，當(dāng)跨接電纜的長(zhǎng)度及安裝方式能滿足線纜兩端固定點(diǎn)間距離為最大或最小時(shí)，線纜固定點(diǎn)附近受到的額外彎曲應(yīng)力仍然很小，甚至近似為零，這樣可以極大提高跨接線纜的使用壽命。因此，跨接線纜的長(zhǎng)度及安裝方式的設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)是在線纜兩端固定點(diǎn)的距離為最大或最小時(shí)，線纜固定點(diǎn)附近受到的額外彎曲應(yīng)力仍然很小，甚至近似為零。

2 車輛的車端跨接方案確定及跨接線纜長(zhǎng)度選取方法

伊茲密爾輕軌六軸低地板車輛與傳統(tǒng)的地鐵A、B型車輛在車輛結(jié)構(gòu)方面存在諸多差異。不同車型車端跨接系統(tǒng)的參數(shù)對(duì)比如表1所示。

表1 不同車型車端跨接系統(tǒng)的參數(shù)對(duì)比表

2.1 確定車端跨接方案

由表1可知，伊茲密爾六軸低地板車輛的車端間距比傳統(tǒng)地鐵的A型車和B型車要大，且曲線通過半徑比傳統(tǒng)地鐵的A型車和B型車都要小,因此傳統(tǒng)的車端跨接模式不能滿足六軸低地板車輛的通過需求。伊茲密爾六軸低地板車輛的車端跨接方案采取的措施如下:在車輛端部設(shè)置車端箱，吊裝在底架上，內(nèi)設(shè)端子排；在車鉤的鉤頭部分設(shè)置特殊的跨接支架，跨接支架上固定連接器插座；連接器的插頭采用線纜連接到另一車輛的車端箱中,以此來實(shí)現(xiàn)跨接。

2.2 車輛工況模擬

模擬計(jì)算跨接線纜長(zhǎng)度時(shí),不需要考慮車輛偏移的影響，即在直線區(qū)段，設(shè)置車體的中心線與線路中心線重合；在曲線區(qū)段，設(shè)置車輛的心盤點(diǎn)在線路的中心線上。兩相鄰端車輛的車鉤在任何線路狀態(tài)下始終保持一條直線。以跨接線纜SC1為例(該線纜固定點(diǎn)距離車體縱向中心線830 mm，距離車體端墻20 mm，距離軌面630 mm)，采用該線纜來模擬車輛通過曲線時(shí)線纜固定點(diǎn)間的距離變化，并對(duì)其拉伸和壓縮狀態(tài)進(jìn)行分析。通過分析,得到以下結(jié)論:

2.2.1 車輛位于直線上

當(dāng)車輛位于直線上時(shí)，線纜SC1固定點(diǎn)間的距離為599 mm。根據(jù)車鉤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，單側(cè)車鉤的緩沖器最大壓縮長(zhǎng)度為55 mm，最大拉伸長(zhǎng)度為40 mm;線纜固定點(diǎn)間的最大距離為636 mm，最小距離為548 mm。

2.2.2 車輛通過R=30 m的圓曲線

圖2為車鉤處于未壓縮與未拉伸狀態(tài)時(shí)，車輛在R=30 m的圓曲線上的幾何狀態(tài)圖。通過該圖可測(cè)量線纜固定點(diǎn)間的距離變化。

由圖2可知，線纜SC1固定點(diǎn)間最近的距離為371 mm，最遠(yuǎn)的距離為834 mm。根據(jù)車鉤緩沖器的伸縮量進(jìn)行曲線模擬，可得到表2。

表2 車輛通過R=30 m圓曲線時(shí)線纜SC1固定點(diǎn)間的距離

2.2.3 車輛由直線進(jìn)入R=30 m的圓曲線

圖3為車鉤處于未壓縮與未拉伸狀態(tài)時(shí)，車輛由直線進(jìn)入R=30 m圓曲線的幾何狀態(tài)圖。根據(jù)以上的曲線模擬方法，得到表3。

尺寸單位:mm

圖2 車鉤處于不壓不拉狀態(tài)時(shí)車輛在R=30 m圓曲線上的幾何狀態(tài)圖

尺寸單位:mm

圖3 車鉤處于不壓不拉狀態(tài)時(shí)車輛由直線進(jìn)入R=30 m圓曲線的幾何狀態(tài)圖

表3 車輛由直線進(jìn)入R=30 m圓曲線時(shí)線纜SC1固定點(diǎn)間的距離

通過以上對(duì)車輛不同工況的模擬可以看出,線纜SC1固定點(diǎn)間最近端的最小距離為179 mm，線纜固定點(diǎn)間最遠(yuǎn)端的最大距離為1 047 mm。因此若這兩種情況下的跨接線纜長(zhǎng)度能滿足車輛運(yùn)行要求，則其他情況均可滿足，因此只需要計(jì)算這兩種極限情況下的跨接線纜長(zhǎng)度即可。

2.3 跨接線纜長(zhǎng)度選取方法

線纜SC1固定點(diǎn)配件的一端使用M25的電纜接頭固定在車端箱上，另一端連接到固定在車鉤支架上的連接器上。連接器端接頭使用消除應(yīng)力接頭，線纜的最小彎曲半徑按其直徑的5倍(60 mm)進(jìn)行計(jì)算。

跨接線纜長(zhǎng)度計(jì)算的基本原則是：線纜中心軸線與金屬接頭中心線相切，線纜固定點(diǎn)間的相對(duì)距離最近時(shí)，將線纜達(dá)到最小彎曲半徑作為計(jì)算條件，并以線纜彎曲最低點(diǎn)不超過最小安全距軌高度作為限制條件；線纜固定點(diǎn)間的相對(duì)距離最遠(yuǎn)時(shí)，線纜不因過短而產(chǎn)生拉伸受力。在車輛由直線進(jìn)入曲線的過程中，跨接線纜固定點(diǎn)間的最小距離為179 mm。圖4為跨接線纜彎曲模擬計(jì)算圖。由圖4 a)可知，跨接線纜長(zhǎng)度可近似由3段弧長(zhǎng)加2段直線段組成。經(jīng)計(jì)算，工況1下的線纜長(zhǎng)度為1 051 mm,線纜固定點(diǎn)間最遠(yuǎn)端的最大距離1 047 mm,該長(zhǎng)度小于1 051 mm，由此可知跨接線纜長(zhǎng)度滿足該工況的要求。

根據(jù)前文分析，當(dāng)線纜兩端固定點(diǎn)間的距離為最大或最小時(shí)，為了盡量減小線纜固定點(diǎn)附近受到的額外彎曲應(yīng)力，線纜的固定接頭需向軌面方向傾斜，傾斜角度根據(jù)線纜變換幅度來確定。圖4中測(cè)得電纜的變化幅度夾角約為70°，工程設(shè)計(jì)中，該變化幅度夾角取一半，使線纜兩端固定點(diǎn)間的距離為最大或最小時(shí)，線纜的變化幅度一致，受力形變均衡，如圖4 b)所示，此處忽略線纜固定點(diǎn)的變化對(duì)線纜最低點(diǎn)的影響。

經(jīng)計(jì)算，工況2下的線纜長(zhǎng)度約為1 026 mm,該長(zhǎng)度小于1 047 mm,由此可知跨接線纜長(zhǎng)度不滿足該工況的要求。因此將線纜SC1的固定高度調(diào)整為630 mm，如圖4 c)所示。經(jīng)計(jì)算,工況3下的跨接線纜長(zhǎng)度約為1 056 mm,該長(zhǎng)度小于1 047 mm，由此可知跨接線纜長(zhǎng)度滿足該工況的要求。在方案確定后，在車端箱內(nèi)對(duì)線纜保留適當(dāng)余量，再根據(jù)車輛小曲線試驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整，最終確定跨接線纜的安裝長(zhǎng)度為1 070 mm±10 mm。

單位:mm

圖4 跨接線纜彎曲模擬計(jì)算圖

3 結(jié)論

對(duì)車端跨接線纜的使用壽命進(jìn)行了分析，根據(jù)跨接線纜的變化特點(diǎn)，以及伊茲密爾輕軌特有的線路條件，提出了六軸低地板車輛的車端跨接方案，為低地板車輛的車端跨接設(shè)計(jì)提供了方向。通過車輛運(yùn)行工況模擬，闡述了在工程設(shè)計(jì)中跨接線纜長(zhǎng)度的計(jì)算方法，得出跨接線纜的理論長(zhǎng)度。在設(shè)計(jì)階段，對(duì)跨接線纜的長(zhǎng)度進(jìn)行了理論計(jì)算，對(duì)跨接系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)和車輛的型式試驗(yàn)都有指導(dǎo)意義。伊茲密爾輕軌六軸低地板車輛車端跨接系統(tǒng)已經(jīng)通過列車小半徑曲線試驗(yàn)驗(yàn)證，且滿足15 km/h的速度通過車輛段內(nèi)30 m小半徑曲線的要求，目前已經(jīng)在伊茲密爾輕軌項(xiàng)目裝車應(yīng)用。