车门的位置和数量对地铁车辆车体扭转频率的影响

刘杰 李刚 刘晓芳 段丽芳

中车长春轨道客车股份有限公司 吉林长春 130062

1 车门的位置和数量对地铁车辆车体扭转频率的影响原理

基于结构力学、壳体力学的基本原理分析，高速运动过程中的机车车体刚度过低，会在外部作用力的影响下发生车体变形，进而车体振动频率降低、设备共振强度变大，严重增加列车连接头的疲劳强度。

对于车体刚度影响的形式表现为“整体弯曲刚度”和“整体扭曲刚度”两种形式，车门作为机车设计的必要元素，其影响主要集中于后者，由此引入车体扭转频率的概念。结合我国地铁列车的现实情况，主要包括A、B、C三种型号（A型长22.8米、宽3米，B型长19米、宽2.8米，C型长19米、宽2.6米），车门的位置、数量都会对列车扭矩刚度产生影响，基于这一原理，本文利用一阶扭转频率计算理论推导，构建车体钢架构扭转频率的简化推导模型[1]。

2 车门的位置和数量对地铁车辆车体扭转频率的理论推导

根据一阶扭矩频率计算理论，推到对象需要建立在线性数据模型基础上，而地铁车体车门数量、位置的二维变量矩阵，满足该计算理论要求。同时，为了进一步简化推导过程，计算过程高中可以将一个车体的“整体”，而车厢（车门载体）视为多端梁的串联，根据弹簧悬挂频率公式展开计算

对于直径相等的等直轴来说，扭转刚度表示产生单位扭转所需要的扭矩：。

K为扭转刚度，M为扭矩，φ为扭转角，l为每段梁的长度。

如果实际轴端是由几个不同轴端串联成的，则整个轴端的扭转刚度的倒数（即为柔度）具有可加性，可表示为：，式中K1、K2、K3……Kn表示各个串联轴端的扭转刚度。

3 车门的位置和数量对地铁车辆车体扭转频率的计算对比

3.1 有限元模型构建

本文中利用计算机建模软件Hypermesh实施有限元建模操作，前提要求为准确性，即准确性是有限元模型是仿真分析的关键，这一概念下的“准确性”本质上也包括仿真性，但考虑到后期采用ANSYS软件进行测试，则需要一定程度上的改进，不能完全结合现实中的地铁车体展开。同时，本文研究主要考虑车门对车体扭转刚度的影响，选取某项目车体模型为原型建立车体的简单模型。为了方便计算，所建立的模型计算时均用同一种材料，车体的基本参数如表1所示。

表1 车体材料参数

充分考虑车门位置对扭转刚度的影响，以单门模式为基础，在示例模型中门的位置离一位端端墙为1050mm，然后依次向二位端移动1000mm，由此得到多个计算模型，在离一位端11050mm处结束，确保每一个门之间的位置保持距离平等。

3.2 计算对比分析

鉴于篇幅关系，本文中不做过多的复杂运算，从直观角度上观察，多个车门方案的车体一阶扭转频率的有限元计算结果符合研究目标，并且通过进一步计算，得到其一阶扭转频率的理论计算结果，可以得知车门的位置离端墙越近则车体的一阶扭转频率值越小，车体扭转刚度也越小，在靠近中间位置扭转频率值达到最大，即车体扭转刚度达到最大；相关论证结果在ANSYS中表现的更加明显，其中较为典型的开3门、开4门、开5门情况下，所得到的结果如表2所示。

表2 开3、4、5车门数量下扭转频率

由得出的结果可知，随着门的数量增加，一阶扭转频率减小，即车体的扭转刚度减小。

4 结语

通过案例计算得到了相同车体开一个车门且将车门开在不同位置下的一阶扭转频率，和相同车体分别开不同个门情况下的一阶扭转频率，得到了车门对扭转刚度的影响规律，表明：（1）针对车门的位置分析表明，越靠近车体两段则扭转频率就越小，越靠近车体中间位置扭转频率就越大。（2）针对车门的数量分析表明，车门数量与扭转频率成为反比关系；结合以上两个结论，为了确保地铁运行的安全性和稳定性，一方面可以通过减少车体上车门的数量来提高扭转刚度，另一方面，当车门数量一定的情况下，车门可以适当地向车体中间集中，以此提高车体的扭转刚度。