李 磊 李文斌 李鳳志

(中車大連機車車輛有限公司 遼寧 大連 116021)

0 序言

隨著城市化建設的快速發(fā)展，地鐵因其經(jīng)濟、快速、安全、節(jié)能等特點正逐步成為人們的重要出行方式[1-2]。貫通道系統(tǒng)是地鐵車輛上的重要部件，連接相鄰兩車廂，是車輛上靈活可動的部分，能提供給乘客一個安全舒適的通道。該結(jié)構(gòu)不僅應當滿足車輛運行的線路要求，同時應具有符合車輛整體要求的強度以及良好的隔音、隔熱、密封、長壽命、低維護成本和安全可靠性能。

下文著重介紹地鐵車輛的貫通道設計方案，貫通道的選型及結(jié)構(gòu)原理，技術(shù)參數(shù)及針對非標準A型軌道車輛的適應性方案等。通常，城市軌道地鐵車輛編組形式會對車輛在特定速度下連掛時的車鉤壓縮量產(chǎn)生較大影響，進而影響到貫通道系統(tǒng)的曲線通過能力，針對本項目的3節(jié)編組形式為DM-T-DM。

1 貫通道布置

該項目為3節(jié)編組列車，貫通道布置于兩節(jié)車廂中間連接位置，位于車鉤上部，如圖1所示。

圖1 貫通道布置示意圖

2 貫通道方案

2.1 方案確定

貫通道的方案設計需要綜合考慮運行線路條件、車體自身參數(shù)、車輛運動過程、車體與貫通道的連接結(jié)構(gòu)等因素[3]。經(jīng)過詳細的分析計算，確保貫通道的安裝位置及貫通道系統(tǒng)能適應車輛各種復雜的運行工況[2]。因項目線路運營條件較為苛刻，車場處最小的曲線通過半徑為R100 m，同時要求車輛能夠在10 km/h的運行速度下完成自動連掛，經(jīng)車鉤連掛能力計算可知，車間最大車鉤壓縮量高達200 mm。初步的設計方案中，要求貫通道在復合200 mm車鉤壓縮量的工況下，在R100 m入曲線時仍具有通過能力且不發(fā)生損壞。車輛正線運行時，最小通過曲線半徑為R120 m，同時還需考慮其他多種小半徑且無直線段過渡的S曲線運行工況。對比國內(nèi)常規(guī)曲線通過半徑R150 m復合車鉤壓縮幾十毫米、S曲線滿足R150 m-5 m-R150 m的工況而言，在本文所要研究的曲線通過工況下，貫通道各組成部分(頂板、踏渡板、側(cè)護板、安裝框、篷布等)的結(jié)構(gòu)方案及運動位置關(guān)系方案需進行大量優(yōu)化設計及校核工作。

2.2 車輛參數(shù)

經(jīng)過技術(shù)評審及車體結(jié)構(gòu)分析可以初步確定貫通道的結(jié)構(gòu)形式。影響貫通道的主要車體參數(shù)如下：車體長度，21 810 mm；車體寬度，2 900 mm；車體高度，3 550 mm；車端距離，920 mm；轉(zhuǎn)向架中心距，14 600 mm；轉(zhuǎn)向架最大橫向偏移量，50 mm；車鉤回轉(zhuǎn)中心距，2 460 mm。

根據(jù)設計經(jīng)驗及線路運行條件，初步確定貫通道需采用帶有車鉤支撐的分體式結(jié)構(gòu)；內(nèi)部側(cè)護板采用能夠滿足最小曲線半徑通過要求的三片式結(jié)構(gòu)；外部折棚采用雙層單波結(jié)構(gòu)；頂板采用插接結(jié)構(gòu)，踏渡板采用兩片式搭接結(jié)構(gòu)。

2.3 貫通道尺寸確定

確定貫通道的形式后，需要進一步明確貫通道的總體尺寸[2]。由于車輛高度和寬度分別為3 550 mm和2 900 mm，結(jié)合外部折棚連接框的位置，根據(jù)項目要求，初步確定貫通道主要技術(shù)參數(shù)如下：外部高度為2 570 mm；外部寬度為2 390 mm；凈通過高度為1 900 mm；凈通過寬度為(1 400±25) mm；隔聲量NRW≥36 dB(A)；傳熱系數(shù)K≤4.6 W·m-2·K-1。

此處貫通道系統(tǒng)的外部寬度會受到車端排水管布置的限制，同時應考慮曲線通過狀態(tài)下折棚可達到的極限位置以及車輛進入站臺后，貫通道折棚外邊緣距離站臺邊緣的間隙尺寸(需規(guī)避乘客墜落鐵軌的風險)，綜合分析得出較為合理的參數(shù)值。

2.4 接口分析

貫通道系統(tǒng)的安裝需與車體結(jié)構(gòu)相匹配，本項目車輛車體采用不銹鋼結(jié)構(gòu)，貫通道系統(tǒng)與車體之間的連接采用螺釘連接方式進行固定[3]，貫通道連接框與車體端墻的對應位置，車體側(cè)提供預置墊板，現(xiàn)場配鉆攻絲安裝螺釘框；貫通道下部踏渡板與車體底架之間的連接接口采用螺栓配鉆攻絲在端墻下部橫梁的預置墊板處，攻絲厚度需滿足螺釘安裝固定的基本標準要求，連接結(jié)構(gòu)如圖2所示；貫通道下方需進行車鉤支撐，此處應結(jié)合車鉤方案共同制定磨耗板的安裝位置，以保證貫通道和車鉤的正常工作，車鉤支撐的具體結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

圖2 連接結(jié)構(gòu)示意圖

3 曲線工況分析

3.1 基本參數(shù)分析

貫通道的設計首先要對車輛的運行狀況進行分析，主要影響因素包含線路參數(shù)、車輛參數(shù)、轉(zhuǎn)向架參數(shù)、車鉤參數(shù)。

(1)線路參數(shù)：主要指車輛運行線路條件，包含車場及正線最小曲線半徑、外軌超高、S曲線半徑及夾直線長度、線路最大坡度及緩和曲線。

(2)車輛參數(shù)：主要指車輛的固有尺寸參數(shù)，包含車輛長度、車輛寬度、轉(zhuǎn)向架中心距、車鉤安裝座定位等。

(3)轉(zhuǎn)向架參數(shù)：主要指車輛在運行過程中轉(zhuǎn)向架機構(gòu)的運行特點及狀態(tài)性能，包含一系簧高度、二系簧高度、轉(zhuǎn)向架橫動量以及轉(zhuǎn)向架過曲線柔性系數(shù)等。

(4)車鉤參數(shù)：主要指車鉤工作過程中的動作狀態(tài)，包含緩沖方式和結(jié)構(gòu)、回轉(zhuǎn)中心距，最大動作壓縮量以及最大動作拉伸量等。

以上參數(shù)均可影響車輛運行狀況下的位置關(guān)系，因而在進行貫通道的設計工作時，應當充分考慮實際的運行工況和可能出現(xiàn)的車輛故障工況，以保證車輛的安全運營。

常規(guī)工況下，要求貫通道系統(tǒng)能夠在極限小曲線及S曲線上運行時，滿足線路外軌超高、車鉤常規(guī)拉伸壓縮、上下坡道等狀態(tài)對貫通道造成的側(cè)滾、俯仰、拉壓等要求。

故障工況下，要考慮車輛轉(zhuǎn)向架二系簧爆裂時，對貫通道造成的車輛側(cè)滾以及鄰車高差要求。同時應適當考慮輪緣磨耗情況，并對可能出現(xiàn)的工況進行復合分析，用以綜合評估貫通道系統(tǒng)的曲線通過能力。

3.2 車體運行位置及貫通道運動狀態(tài)分析

按照車輛線路運行要求，運用CREO三維軟件繪制3個方向上的車輛運行極限工況，移動車輛位置，調(diào)整可變參數(shù)，尋找車輛曲線運行最惡劣位置，如圖4所示。

(a)圓曲線(R100 m)(b)S曲線(R173 m-0-R240 m)圖4 整個運行線路中惡劣工況下的車輛運行模擬結(jié)果

圖4為整個運行線路中惡劣工況下車輛運行模擬結(jié)果，以及各個工況下貫通道系統(tǒng)的運動位置。盡管上圖中的運行工況均已給出，但在進行計算模擬時仍需在此基礎上考慮多方向上的工況復合情況，包含但不限于車輛側(cè)滾和鄰車高差等。

貫通道的部件要適應車輛運行工況要求，通過貫通道運動工況的模擬，檢查貫通道頂板、踏渡板、側(cè)護板以及篷布等重要部件的運動情況，保證車輛運營時不出現(xiàn)干涉、拉托等現(xiàn)象，貫通道系統(tǒng)應在各曲線條件及復合工況條件下運用自如，因模擬計算與實際運行存在一定誤差[2]，要求貫通道系統(tǒng)產(chǎn)品需在三維試驗臺上進行各種工況的實際驗證，以保證其性能可靠。

經(jīng)過分析可知，貫通道頂板與踏渡板在小曲線半徑下需考慮可能出現(xiàn)的干涉問題；貫通道篷布設計時應考慮小曲線半徑下的最大拉伸量與壓縮量；車輛過豎曲線時，應考慮踏渡板運動狀態(tài)，能夠保證在線路要求的俯仰角工況下，仍能保證車輛運行時的乘客安全，不可出現(xiàn)較大縫隙，避免夾腳危險。

4 試驗驗證

貫通道位于兩節(jié)車廂的連接處，是連接兩車輛通道的重要組成部分，屬于車輛的柔性連接，因此要求貫通道具有良好的曲線通過能力。貫通道按照技術(shù)設計方案完成并試制出樣件，在三維曲線通過試驗臺上模擬各種運用工況，以驗證技術(shù)方案的可行性。貫通道通過曲線應滿足：

(1) 棚布的展開長度應大于通過曲線時的棚布實際展開長度，保證棚布不脫出和撕裂。

(2) 棚布的壓縮長度應小于通過曲線時的棚布實際壓縮長度。

(3) 側(cè)護板的拉伸長度應大于通過曲線時的側(cè)護板實際的拉伸長度，保證中間護板不脫出。

(4) 側(cè)護板的壓縮長度應小于通過曲線時的側(cè)護板實際的壓縮長度，保證無干涉現(xiàn)象。

(5) 踏、渡板搭接正常，渡板無掉落的可能。踏渡無干涉現(xiàn)象。

(6) 棚板搭接正常，中棚板無掉落的可能，棚板無干涉現(xiàn)象。

(7) 渡板連桿機構(gòu)轉(zhuǎn)動正常，無干涉現(xiàn)象。

(8) 棚板連桿機構(gòu)轉(zhuǎn)動正常，無干涉現(xiàn)象。

圖5和圖6為三維曲線通過試驗臺模擬典型小曲線運營工況下，貫通道各主要部件的實際狀態(tài)。

工況1：圓曲線(R100 m)

折棚拉伸量：100.1 mm<390 mm，折棚壓縮量：151.6 mm<240 mm；

側(cè)護板拉伸量：174.9 mm<280 mm，側(cè)護板壓縮量：170.9 mm<340 mm。

工況2： S曲線(R173 m-0-R240 m)

折棚拉伸量：23.6 mm<390 mm，折棚壓縮量：29.8 mm<240 mm；

側(cè)護板拉伸量：54.7 mm<280 mm。

圖5和圖6中的踏渡板和頂板均搭接正常，無干涉現(xiàn)象。踏渡板和頂板連桿機構(gòu)轉(zhuǎn)動均正常，無干涉卡死現(xiàn)象。

圖5 圓曲線(R100 m)上貫通道狀態(tài)

圖6 S曲線(R173 m-0-R240 m)上貫通道狀態(tài)

由以上數(shù)據(jù)和圖片可以看出，此貫通道具備通過典型圓曲線(R100 m)和S曲線(R173 m-0-R240 m)的能力，能夠滿足運用環(huán)境的需求。

貫通道設計完成并在三維曲線通過模擬試驗臺上模擬所有運行工況，驗證滿足設計要求，符合模擬運算結(jié)果。

5 實車驗證

車輛組裝后實現(xiàn)線上運營，針對惡劣運行工況下的貫通道系統(tǒng)工作狀態(tài)進行跟蹤，整個系統(tǒng)運行情況穩(wěn)定，曲線通過能力優(yōu)良，各項性能及參數(shù)滿足既定技術(shù)要求。水平圓曲線(R100 m)線路條件下，車輛篷布無過度拉伸情況，如圖7所示?？褪覂?nèi)部側(cè)護板及踏渡板位置配合良好，能夠在車輛通過小曲線半徑運行時依靠合理的運動軌跡避免產(chǎn)生過大的扭曲縫隙，有效保障乘客的乘坐安全，具體如圖8所示。

圖7 圓曲線(R100 m)貫通道實車狀態(tài)

6 結(jié)論

(1) 通過對城市軌道地鐵車輛貫通道系統(tǒng)的設計分析，結(jié)合車體結(jié)構(gòu)及運行情況，進行優(yōu)化設計，最終確定了貫通道方案。該方案通過模擬計算及試驗臺驗證，符合車輛運營和線路工況要求。

(2) 該型貫通道已完成在三維曲線通過試驗臺上模擬的所有運行工況運行試驗，滿足設計要求，符合模擬運算結(jié)果。且其設計、選型、仿真、試驗等過程對今后同類設計有指導與借鑒意義。

(3) 該貫通道已完成實車裝配與試運行，目前已經(jīng)正式在線運營，曲線通過能力完全滿足線路條件需求。