具有小曲线通过能力的轨道车辆贯通道系统方案设计

李 磊 李文斌 李凤志

(中车大连机车车辆有限公司 辽宁 大连 116021)

0 序言

随着城市化建设的快速发展，地铁因其经济、快速、安全、节能等特点正逐步成为人们的重要出行方式[1-2]。贯通道系统是地铁车辆上的重要部件，连接相邻两车厢，是车辆上灵活可动的部分，能提供给乘客一个安全舒适的通道。该结构不仅应当满足车辆运行的线路要求，同时应具有符合车辆整体要求的强度以及良好的隔音、隔热、密封、长寿命、低维护成本和安全可靠性能。

下文着重介绍地铁车辆的贯通道设计方案，贯通道的选型及结构原理，技术参数及针对非标准A型轨道车辆的适应性方案等。通常，城市轨道地铁车辆编组形式会对车辆在特定速度下连挂时的车钩压缩量产生较大影响，进而影响到贯通道系统的曲线通过能力，针对本项目的3节编组形式为DM-T-DM。

1 贯通道布置

该项目为3节编组列车，贯通道布置于两节车厢中间连接位置，位于车钩上部，如图1所示。

图1 贯通道布置示意图

2 贯通道方案

2.1 方案确定

贯通道的方案设计需要综合考虑运行线路条件、车体自身参数、车辆运动过程、车体与贯通道的连接结构等因素[3]。经过详细的分析计算，确保贯通道的安装位置及贯通道系统能适应车辆各种复杂的运行工况[2]。因项目线路运营条件较为苛刻，车场处最小的曲线通过半径为R100 m，同时要求车辆能够在10 km/h的运行速度下完成自动连挂，经车钩连挂能力计算可知，车间最大车钩压缩量高达200 mm。初步的设计方案中，要求贯通道在复合200 mm车钩压缩量的工况下，在R100 m入曲线时仍具有通过能力且不发生损坏。车辆正线运行时，最小通过曲线半径为R120 m，同时还需考虑其他多种小半径且无直线段过渡的S曲线运行工况。对比国内常规曲线通过半径R150 m复合车钩压缩几十毫米、S曲线满足R150 m-5 m-R150 m的工况而言，在本文所要研究的曲线通过工况下，贯通道各组成部分(顶板、踏渡板、侧护板、安装框、篷布等)的结构方案及运动位置关系方案需进行大量优化设计及校核工作。

2.2 车辆参数

经过技术评审及车体结构分析可以初步确定贯通道的结构形式。影响贯通道的主要车体参数如下：车体长度，21 810 mm；车体宽度，2 900 mm；车体高度，3 550 mm；车端距离，920 mm；转向架中心距，14 600 mm；转向架最大横向偏移量，50 mm；车钩回转中心距，2 460 mm。

根据设计经验及线路运行条件，初步确定贯通道需采用带有车钩支撑的分体式结构；内部侧护板采用能够满足最小曲线半径通过要求的三片式结构；外部折棚采用双层单波结构；顶板采用插接结构，踏渡板采用两片式搭接结构。

2.3 贯通道尺寸确定

确定贯通道的形式后，需要进一步明确贯通道的总体尺寸[2]。由于车辆高度和宽度分别为3 550 mm和2 900 mm，结合外部折棚连接框的位置，根据项目要求，初步确定贯通道主要技术参数如下：外部高度为2 570 mm；外部宽度为2 390 mm；净通过高度为1 900 mm；净通过宽度为(1 400±25) mm；隔声量NRW≥36 dB(A)；传热系数K≤4.6 W·m-2·K-1。

此处贯通道系统的外部宽度会受到车端排水管布置的限制，同时应考虑曲线通过状态下折棚可达到的极限位置以及车辆进入站台后，贯通道折棚外边缘距离站台边缘的间隙尺寸(需规避乘客坠落铁轨的风险)，综合分析得出较为合理的参数值。

2.4 接口分析

贯通道系统的安装需与车体结构相匹配，本项目车辆车体采用不锈钢结构，贯通道系统与车体之间的连接采用螺钉连接方式进行固定[3]，贯通道连接框与车体端墙的对应位置，车体侧提供预置垫板，现场配钻攻丝安装螺钉框；贯通道下部踏渡板与车体底架之间的连接接口采用螺栓配钻攻丝在端墙下部横梁的预置垫板处，攻丝厚度需满足螺钉安装固定的基本标准要求，连接结构如图2所示；贯通道下方需进行车钩支撑，此处应结合车钩方案共同制定磨耗板的安装位置，以保证贯通道和车钩的正常工作，车钩支撑的具体结构形式如图3所示。

图2 连接结构示意图

3 曲线工况分析

3.1 基本参数分析

贯通道的设计首先要对车辆的运行状况进行分析，主要影响因素包含线路参数、车辆参数、转向架参数、车钩参数。

(1)线路参数：主要指车辆运行线路条件，包含车场及正线最小曲线半径、外轨超高、S曲线半径及夹直线长度、线路最大坡度及缓和曲线。

(2)车辆参数：主要指车辆的固有尺寸参数，包含车辆长度、车辆宽度、转向架中心距、车钩安装座定位等。

(3)转向架参数：主要指车辆在运行过程中转向架机构的运行特点及状态性能，包含一系簧高度、二系簧高度、转向架横动量以及转向架过曲线柔性系数等。

(4)车钩参数：主要指车钩工作过程中的动作状态，包含缓冲方式和结构、回转中心距，最大动作压缩量以及最大动作拉伸量等。

以上参数均可影响车辆运行状况下的位置关系，因而在进行贯通道的设计工作时，应当充分考虑实际的运行工况和可能出现的车辆故障工况，以保证车辆的安全运营。

常规工况下，要求贯通道系统能够在极限小曲线及S曲线上运行时，满足线路外轨超高、车钩常规拉伸压缩、上下坡道等状态对贯通道造成的侧滚、俯仰、拉压等要求。

故障工况下，要考虑车辆转向架二系簧爆裂时，对贯通道造成的车辆侧滚以及邻车高差要求。同时应适当考虑轮缘磨耗情况，并对可能出现的工况进行复合分析，用以综合评估贯通道系统的曲线通过能力。

3.2 车体运行位置及贯通道运动状态分析

按照车辆线路运行要求，运用CREO三维软件绘制3个方向上的车辆运行极限工况，移动车辆位置，调整可变参数，寻找车辆曲线运行最恶劣位置，如图4所示。

(a)圆曲线(R100 m)(b)S曲线(R173 m-0-R240 m)图4 整个运行线路中恶劣工况下的车辆运行模拟结果

图4为整个运行线路中恶劣工况下车辆运行模拟结果，以及各个工况下贯通道系统的运动位置。尽管上图中的运行工况均已给出，但在进行计算模拟时仍需在此基础上考虑多方向上的工况复合情况，包含但不限于车辆侧滚和邻车高差等。

贯通道的部件要适应车辆运行工况要求，通过贯通道运动工况的模拟，检查贯通道顶板、踏渡板、侧护板以及篷布等重要部件的运动情况，保证车辆运营时不出现干涉、拉托等现象，贯通道系统应在各曲线条件及复合工况条件下运用自如，因模拟计算与实际运行存在一定误差[2]，要求贯通道系统产品需在三维试验台上进行各种工况的实际验证，以保证其性能可靠。

经过分析可知，贯通道顶板与踏渡板在小曲线半径下需考虑可能出现的干涉问题；贯通道篷布设计时应考虑小曲线半径下的最大拉伸量与压缩量；车辆过竖曲线时，应考虑踏渡板运动状态，能够保证在线路要求的俯仰角工况下，仍能保证车辆运行时的乘客安全，不可出现较大缝隙，避免夹脚危险。

4 试验验证

贯通道位于两节车厢的连接处，是连接两车辆通道的重要组成部分，属于车辆的柔性连接，因此要求贯通道具有良好的曲线通过能力。贯通道按照技术设计方案完成并试制出样件，在三维曲线通过试验台上模拟各种运用工况，以验证技术方案的可行性。贯通道通过曲线应满足：

(1) 棚布的展开长度应大于通过曲线时的棚布实际展开长度，保证棚布不脱出和撕裂。

(2) 棚布的压缩长度应小于通过曲线时的棚布实际压缩长度。

(3) 侧护板的拉伸长度应大于通过曲线时的侧护板实际的拉伸长度，保证中间护板不脱出。

(4) 侧护板的压缩长度应小于通过曲线时的侧护板实际的压缩长度，保证无干涉现象。

(5) 踏、渡板搭接正常，渡板无掉落的可能。踏渡无干涉现象。

(6) 棚板搭接正常，中棚板无掉落的可能，棚板无干涉现象。

(7) 渡板连杆机构转动正常，无干涉现象。

(8) 棚板连杆机构转动正常，无干涉现象。

图5和图6为三维曲线通过试验台模拟典型小曲线运营工况下，贯通道各主要部件的实际状态。

工况1：圆曲线(R100 m)

折棚拉伸量：100.1 mm<390 mm，折棚压缩量：151.6 mm<240 mm；

侧护板拉伸量：174.9 mm<280 mm，侧护板压缩量：170.9 mm<340 mm。

工况2： S曲线(R173 m-0-R240 m)

折棚拉伸量：23.6 mm<390 mm，折棚压缩量：29.8 mm<240 mm；

侧护板拉伸量：54.7 mm<280 mm。

图5和图6中的踏渡板和顶板均搭接正常，无干涉现象。踏渡板和顶板连杆机构转动均正常，无干涉卡死现象。

图5 圆曲线(R100 m)上贯通道状态

图6 S曲线(R173 m-0-R240 m)上贯通道状态

由以上数据和图片可以看出，此贯通道具备通过典型圆曲线(R100 m)和S曲线(R173 m-0-R240 m)的能力，能够满足运用环境的需求。

贯通道设计完成并在三维曲线通过模拟试验台上模拟所有运行工况，验证满足设计要求，符合模拟运算结果。

5 实车验证

车辆组装后实现线上运营，针对恶劣运行工况下的贯通道系统工作状态进行跟踪，整个系统运行情况稳定，曲线通过能力优良，各项性能及参数满足既定技术要求。水平圆曲线(R100 m)线路条件下，车辆篷布无过度拉伸情况，如图7所示。客室内部侧护板及踏渡板位置配合良好，能够在车辆通过小曲线半径运行时依靠合理的运动轨迹避免产生过大的扭曲缝隙，有效保障乘客的乘坐安全，具体如图8所示。

图7 圆曲线(R100 m)贯通道实车状态

6 结论

(1) 通过对城市轨道地铁车辆贯通道系统的设计分析，结合车体结构及运行情况，进行优化设计，最终确定了贯通道方案。该方案通过模拟计算及试验台验证，符合车辆运营和线路工况要求。

(2) 该型贯通道已完成在三维曲线通过试验台上模拟的所有运行工况运行试验，满足设计要求，符合模拟运算结果。且其设计、选型、仿真、试验等过程对今后同类设计有指导与借鉴意义。

(3) 该贯通道已完成实车装配与试运行，目前已经正式在线运营，曲线通过能力完全满足线路条件需求。