地铁车体结构垂向总载荷和纵向力取值的探讨.docx
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地铁车体结构垂向总载荷和纵向力取值的探讨
地铁车体结构垂向总载荷和纵向力取值的探讨
王旭东
（）北京交通大学机电学院,北京100044
摘要针对我国地铁车辆车体强度载荷值不统一的现状,通过与国内外地铁强度规范的比较及计算分析,并
考虑安全性和经济性,提出我国地铁车体的垂向载荷和纵向力的建议值。
关键词地铁车辆,车体结构,垂向载荷,纵向力
中图分类号:
U271192132文献标志码:
A
1前言1993年制造的北京地铁1号线DK鼓形地铁车从20车体结构是地铁车辆重要的受力部件,它的承载开始,超员按每平方米站立8人计算。
能力与自重对车辆的安全、能耗等性能有重要的影响。
（）2伊朗德黑兰地铁车目前,我国尚没有制订地铁车辆车体强度规范,各城1997,1999年长春客车厂向伊朗德黑兰出口了地
这就市建设地铁时要求的车体强度载荷值也不统一,铁车。
车体设计时执行日本JISE7105标准,纵向力增加造成了车体及配件种类多,且不能互换的问题,为490kN,车辆载重超员按每平方米站立10人来计算,了车辆制造与使用的成本,不利于地铁车辆的标准化、
由于伊朗人体重较大,故每个人按70kg来考虑。
系列化。
笔者参加了GB7928《地铁车辆通用技术条
（）3近些年新造的地铁车件》的修订工作,该标准中增加了车体纵向力和垂向
近些年,我国许多新建或续建地铁的城市虽然仍载荷值的内容,但是GB7928是一个推荐性的通用标
选择B型车,但受上海、广州A型车的影响,车体纵准,不可能对车体强度计算载荷、试验载荷等内容作
向压缩力都取得比较大。
例如武汉轨道交通1线车体全面、细致的规定。
因此,应尽快制定我国地铁车辆
纵向压缩力取980kN,天津滨海快轨线车辆取800kN。
车体强度规范。
本文对垂向总载荷和纵向力进行了探
上述车辆载重超员人数按每平方米站立9人计算。
北讨,为制定强度规范提供参考。
京地铁八通线、新的天津地铁1号线车体纵向压缩力2我国地铁车车体载荷值的现状
分别为490kN和500kN,车辆载重超员人数按每平方目前,我国地铁车辆按照外形尺寸分为A型车
米站立8人计算。
（（）车体长约22m,车辆最大宽度3m和B型车车体纵向力/kN车体载重/kg冲击速联挂速压缩拉伸强度规范超员人乘客质3表1我国主要地铁车车体强度载荷值度/km度/地铁线车型）长19m,车辆最大宽度218m。
表1列出了我国制造3（）/kg参照量数/人-1-1?
hkmh?
-1-2人?
m?
与使用的A、B型车车体强度载荷值。
从表1中可以北京1、2号线定员的B2451473-60TB1335平壤地铁天看出各城市的地铁车体强度载荷值差别较大。
115倍津地铁
211A型地铁车（北京1号线DK20TB1335、）车B2451473-860JISE7105目前,上海、广州的A型地铁车车体纵向压缩力北京复八线、13号线B800640312960JISE7105与我国铁路客车的纵向压缩力相当,高达1200kN。
车天津滨海快轨线B500400515860JISE7105新天津1号线北B490-55860JISE7105辆载重按每平方米站立9人计算。
车体设计时执行德京八通线德黑兰B490-5-1070JISE7105国标准VDV-152《符合BOStrab用于公共交通轨道车1、2号线A1200-315960VDV152上海1、2号线辆结构要求》。
广州1号线VDV152、A1200980315960广州2号线EN12663212B型地铁车武汉轨道交通1JISE7105、?
24kJB10007603960号线EN12663（）1早期的北京、平壤和天津地铁车车体设计时注:
3冲击速度指缓冲器吸收能量所允许的最大冲击速度,大于该速度司机室底架变形吸能。
参照执行TB1335《铁道车辆强度计算
表2国内外车体强度规范对照表3国内外铁道车辆车体强度规范的比较分析
中国日本欧洲德国VDV152日本和欧洲的地铁车辆制造技术比较发达,他们
BOStrab符合TB1335-1996JISE7105-铁EN12663适用的车体强度规范均被我国地铁车辆的设计、运用部门用于公共交通于铁道车辆车道车辆强度计1989算及试验鉴轨道车辆结构体结构要求定规铁道车辆强度范试验方法要求使用。
表2中列出了在我国设计、试验中较常用的4/市座椅数×750持定期票[市郊客车:
:
地铁车郊的:
座椅数+有效面积×[座椅数+有[座椅数+有垂垂直静个标准。
由表2可见:
?
日本车体强度规范载荷值最+有效面积×7]×效面积×10]5000+司机×效面积×载荷5,10×70kg65kg+车体自×60kg+车体800+车体自直低,并且该规范直接使用材料的屈服强度作为许用应+车体自重自重重重总二系为钢弹013二系为空垂向动力;?
欧洲的车体强度规范纵向力要高得多,相当于013查表格一般取簧:
013二系为气弹簧:
012载荷系载空气弹簧:
011数日本的2倍,所以欧洲的地铁车、客车的安全性好,荷σσσσssss许用应客车:
11511151125力但车体的自重大;?
我国铁路行业标准的纵向力数值P客车1500?
仅提供计算公压缩力客车:
1180地铁车:
490客式P地铁车:
?
介于二者之间,但由于许用应力的安全系数达到115,车及新干线客800车:
980P轻型地铁?
因此折算纵向力达到1770kN,比欧洲标准还要高。
车:
400纵垂向总载荷包括两部分:
垂向静载荷和垂向动载--:
980客车拉伸力-4垂向总载荷的分析向σs许用应σ荷。
σσsss客车:
1115力115力P客车1725411垂向静载荷?
地铁车:
490折算压客车:
1770P地铁车:
新干线客车:
?
3缩力地铁车辆的垂向静载荷由车体自重、车辆载重组-980920P轻型地铁?
成。
地铁车辆载重的计算中,每个人质量按60kg计算车:
460注:
3折算压缩力为压缩力乘以许用应力中的安全系数。
已经形成共识,主要争议在于每平方米站立的人数按5纵向力的分析
几人算?
由表1和表2可见日本按10人算,我国A、列车在起动、制动和牵引力骤变过程中以及车辆
（）B型车和伊朗德黑兰地铁车B型车分别按9、8人联挂冲击过程中,车辆之间都会产生较大的纵向力。
（）或9人和10人计算。
为了统一购车合同中车辆载纵向力通过车钩缓冲装置作用在车体底架牵引梁上,客能力和强度设计中垂直载荷的计算,建议我国车辆
使车体产生偏心压缩或拉伸变形。
缓冲器可延长冲击载重按每平方米9人计算。
力增长的时间,从而降低冲击力的峰值,故缓冲器的412垂向动载荷
性能对纵向力有很大影响。
目前,世界各国以及我国在日本标准中,二系为空气弹簧时垂向动荷系数
各型地铁车辆的设计中,对纵向力取值差异较大,见按011取值,为钢弹簧时垂向动荷系数取013;在欧洲
表1和表5。
下面通过对缓冲器容量计算与德国标准标准中,一般取013,二系为空气弹簧时垂向动荷系
提供的纵向力计算方法,来探讨纵向力的合理取值。
数取012。
我国早期生产的北京、平壤和天津地铁车,
511地铁车最大纵向力发生在冲击工况二系为空气弹簧时,垂向动荷系数取011,这些车经
目前,各城市的地铁车辆招标文件中,一般都标过了多年的使用,车体强度经受住了考验。
因此建议
明车体纵向压缩载荷值、联挂速度、能量吸收,即1垂向动荷系数的取值参照日本标准,即二系为空气弹簧时垂向动荷系数按011取值,为钢弹簧时垂向动荷列空载状态列车以一定的速度与另1列处于停放制动系数取013状态的列车冲击时,车钩缓冲装置能有效吸收的碰撞413垂向载荷的许用应力许用应力为材料的屈服极
能量。
上述3项要求之间存在着关联性。
地铁列车由限除以安全系数。
安全
若干全动车或若干动车与拖车联挂而成。
一般采用固系数的取值对于车体强度至关重要。
由表2可见在德
定编组,车辆之间分解、联挂的次数较少。
头车采用国标准中,实际上每平方米按815人计算,安全系数
全自动或半自动密接式车钩,以便于与其它列车实现取1125;日本标准中,每平方米按10人计算,安全系
联挂;车辆之间往往采用半永久牵引杆相连。
数取1。
我国城市交通拥挤的状况与日本相似,如果
车辆动力学的研究认为:
“两列车冲击时最大纵向每平方米取9人、动荷系数参照日本标准,建议安全
力产生于直接冲击的两辆车之间的车钩缓冲装置中,,”。
地铁列车发生冲击时有两种情况?
车系数取113,这样车体强度要求略高于日本、德国,
辆联挂时,列车分解后的再次联挂;救援时,1列救而目前,大容量的地铁缓冲器的容量一般也低于30kJ。
援空车与1列超员的事故列车之间的联挂冲击;?
事考虑到地铁车辆联挂速度是可控制的,建议仍维持目
前的3,5km/h的联挂速度。
故状态时列车之间的冲击,在车辆段内调车时,容易
513车体纵向力值的计算发生1列空载状态列车以一定的速度与另1列处于停
德国标准VDV152提供了车辆冲击时纵向力Fxend放制动状态列车的碰撞冲击,一般称为事故状态。
由
的计算方法,以及由此可求出车体强度的纵向力F。
xwk于前者的速度是可以控制的,当以较小的速度联挂时,对于两列型号相同的空车,当1列车向另1列处于停纵向力值较小;事故状态时的冲击速度是难于控制的,放制动状态的列车冲击时计算公式如下
n因此,地铁车体最大纵向力发生在这种碰撞过程中,21?
000v0μ（υ）F+?
g]?
?
m[N]=xendrbii?
51184?
S并且直接冲击的两辆头车承受纵向力最大,从头车向xendi=j
Sxend2后的各车辆间作用力呈递减趋势。
υ]=biS+S+?
+Sxixendx2512缓冲器容量的计算每一种缓冲器都有一定容量F=111×Fxwkxend
和行程,当联挂、冲式中i———序号;击速度增大到一定程度,缓冲器被压死,不再起缓冲n———冲击时主、被动列车的车辆数目,数量不作用,多余的动能直接作用于车体,产生了刚性冲击。
等时,取较大的;
两列车联挂时,两辆头车之间的缓冲器变形最大,其m———车辆自重,kg;i
υ———车辆的减速系数;bi它各车的缓冲器变形较小。
在车辆动力学中,两辆车
v———冲击速度,km/h;0之间的冲击属于一种非完全弹性冲击,假设有质量分
S———两头车缓冲器总行程之和,mm;xend据动量守恒定理可以计算出头车缓冲器的容量E。
别为M和M的两辆车,分别以v、v的速度运动1212
S———除头车之外,相邻车辆之间的缓冲器总行xiMM1212（）v>v,冲击后两车联挂并以相同的速度运动,根12（）v-v=E=?
124M+M12程之和,mm;1112（）Mv-v?
?
?
μ112———被冲击车辆停放制动的车轮与轨道之间的r22M1+1M2摩擦系数;
2令相对速度v=v-v,代入上式得g———重力加速度,g=9181m/s。
从上式可见车12
MM1122辆冲击时的纵向力与冲击速度和缓E=?
v=4M+M12冲器的行程有关,冲击速度愈高,缓冲器行程愈小,1112?
?
?
Mv1产生的纵向力愈大。
表4列出了不同工况下纵向力计22M1+1M2算值。
计算结果表明:
?
随着列车编组数量的增加,
上式表明缓冲器的容量取决于联挂两车的质量和冲击产生的纵向力只有少量的增加;?
冲击速度对纵相对速度。
质量愈大、相对速度愈高,要求缓冲器的向力的影响起决定作用;?
当速度一定时,A型车承容量也愈大。
当被冲击车辆的速度v为零时,并且两2受的冲击力略大于B型车。
车质量相等时,每个缓冲器能够吸收冲击初始动能的514纵向力取值的探讨四分之一。
表1列出了我国早期的北京、天津和朝鲜平壤地目前,地铁用户提出的联挂、冲击速度主要有:
铁纵向力仅为245kN,这些车辆已安全运行30年。
近容量/kJM/tM/t车型冲击型式123、5、8、12km/h和15km/h。
下面分别对A、B型车表3不同工况下缓冲器容量计算值3km/h5km/h8km/h12km/h15km/h
进行计算,两种车轴重分别为16t、14t,重车分别按383813011615017814639235282空-空A38411411150291456612310314964空-重64t、56t取值,空车分别取38t、36t。
表4列出了我国363112816822122501008011236空-空BA、B型车在不同联挂速度下缓冲器容量计算值。
冲击3656319310192271956218998126空-重速度为5km/h时,要求缓冲器的容量9,12kJ;当冲击速度超过时要求缓冲器的容量大于。
（μ）表4不同工况下车体纵向力值计算值取=013r地铁车则取1200kN,这主要德方考虑撞车时,头F/kN自重/txwkS车xend编组数量33型/mmM、Mc3km/h5km/h8km/h12km/h15km/hT车具有三级能量吸收措施:
第一级,当冲击速度小于M+T+T+M383473×223936266012721892CC8km/h,仅依靠缓冲器弹性变形和内部阻尼吸能;第M+M+T+C383473×225438570213532012T+M+MCA二级,当冲击速度8,15km/h,由缓冲器中压溃管等M+M+T+T+C383473×225939271613792051T+T+M+MC易损件屈服变形、断裂破坏吸能;第三级,当冲击速M+T+T+M363273×222734362612071794CC
M+M+T+C度15,25km/h,车体司机室底架塑性变形区屈服变形363273×224136466512811904T+M+MCB
M+M+T+T+吸能。
显而易见,这种考虑过分追求车体的安全性,C363273×224637167713051941T+T+M+MC必然要在经济上付出代价。
3M-动车;Mc-带司机室动车;T-拖车。
几年将纵向力提高到490,1200kN,其结果是提高了515纵向力的许用应力取值
安全系数,却使车体自重显著增加。
目前,国外先进日本标准纵向力取值为490kN,许用应力安全系的地铁车辆都力求轻量化。
轻量化可以节约原材料,数为1;欧洲标准许用应力安全系数取1115。
考虑我降低造价,同时降低运用能耗和线路维修等费用,这国材质与国外仍有差距,故建议许用应力的安全系数笔费用不可小视。
取112。
表4中计算结果表明当缓冲器行程为73mm时,16结论和建议列空载状态列车以5km/h的速度与另1列处于停放制通过对国内外地铁车车体垂向载荷、纵向力的分动状态的列车碰撞时,车体纵向力小于400kN。
综合析比较,本文认为车体的安全必须得到保证,但是并考虑表3的计算结果以及参照日本标准,建议A型、非载荷值越大越好,而是要综合考虑经济性与安全性,B型地铁车车体纵向力都取490kN。
一旦冲击速度超有一个合理的取值。
在制定地铁车体强度规范时,对过5km/h时,可以借鉴欧洲的设计理念,由车体司机于A、B两种车型,建议在车辆垂向总载荷计算时,室底架的塑性变形区局部屈服变形吸收能量。
超员人数按每平方米9人计算;二系弹簧为空气弹簧
表5中列出了日本制造的地铁车与德国制造的广时动荷系数取111,为钢弹簧时取113;许用应力的安州地铁车车体结构自重对照表。
由表5可见日本国内全系数取113。
纵向力取490kN,许用应力的安全系数的车辆轻量化水平要高得多,根本原因是其强度规范取112。
的纵向力取值仅为343,490kN;而德国制造的广州在我国地铁建设日益升温的今天,地铁车体强度
JR营团仙台市新加坡广州广州表5日本制造地铁车与广州地铁车车体结构自重对照表规范的制定既是一项迫切的工作,也是一项复杂的工6000系1000系1号线2号线381系地铁
制造时间/年1969197319851986199820021作,需要地铁车辆的制造、使用和研究等方面的人员VDV1521符合BOStrab用于公共交通轨道车辆结构要求S1195002080021250221002210022100车体长/mm2S1EN126631适用于铁路的铁道车辆车体结构要求共同努力去完成。
280029002880310030003000车体宽/mm31JISE71051铁道车辆强度试验方法SM车M车M车M车Tc车M车车体结构参考文献41约7800约85004360458056206970GB79281地铁车辆通用技术条件S质量/kg
51200120014904903431200TB13351铁道车辆强度计算及试验鉴定规范S纵向力/kN德国设计模德国日本日本日本日本6王福天1车辆系统动力学M1北京:
中国铁道出版社,制造块化结构备注19941
DiscussiononValueofVerticalTotalLoadandLongitudinalForceof
CarBodyStructureinSubwayWANGXu-dong
（）SchoolofMechanicalandElectronic,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,ChinaAbstract:
Theloadvalueofcarbodyintensionisnotonsubwayvehiclesinourcountry.Throughthecomputationalanalysisandcomparisonwiththestandardandintensityondomesticandinternationalsubwayvehicles,therecommendatoryvalueofverticalloadandlongitudinalforceofthesubwaycarbodyisputforwardinourcountry1Thesecurityandeconomyisolsoconsidered.
Keywords:
subwayvehicles,carbodystructure,verticalload,longitudinalforce
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