磁浮列車車體橫梁輕量化研究①

(同濟大學(xué)土木建筑學(xué)院建筑工程系，上海 200092)

0 引 言

磁浮列車是地面上最快的交通工具，具有安全性好、振動噪聲小、運營成本低、轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強等諸多優(yōu)勢[1～3]。從懸浮技術(shù)上分類，磁浮列車可以分為兩類：電磁懸浮(EMS)和電動懸浮(EDS)。常導(dǎo)電磁懸浮技術(shù)比較成熟，適用速度比較廣泛，目前我國和德國高速磁浮和低速磁浮均采用的為常導(dǎo)電磁懸浮技術(shù)[4]。

電磁懸浮利用的是安裝在懸浮架上的電磁鐵吸引軌道來提供懸浮力，單個電磁鐵的電磁力[5]如公式(1)所示，電磁鐵的懸浮能力與電流I的平方成正比，與懸浮間隙c的平方成反比，浮能力有限。故車體輕量化設(shè)計對磁浮列車載客能力的提高有非常重要的意義。一般車體輕量化從兩個方面著手，一是對車體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化使車體結(jié)構(gòu)布局更加合理[6]，二是新材料的使用，利用性能更好的材料替代原有材料達到輕量化的目的。文中主要對車體橫梁做了結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化。

(1)

F(c,i)為電磁吸力;μ0為磁導(dǎo)率;A為磁極面積;N為電磁線圈匝數(shù);i(t)線圈電流;c(t)為電磁鐵與軌道間隙

1 車體橫梁的優(yōu)化設(shè)計

優(yōu)化改進建立在上海臨港低速磁浮試驗線列車的基礎(chǔ)上。2005年2月，上海市啟動了中低速磁浮工程化試驗線項目，建設(shè)蘆潮港試驗基地，建成了1.7km上海臨港中低速磁浮試驗線和一列三節(jié)編組的工程化試驗列車[7]。

低速磁浮列車的橫梁是車體的核心部件，上部承載著縱梁和整個車體，下部通過滑臺連接空氣彈簧，在磁浮列車結(jié)構(gòu)中起著承上啟下的作用。以中車車廂為例，每節(jié)磁浮車廂有5個懸浮架，對應(yīng)有6根橫梁，如圖1所示原橫梁尺寸為2790mm×644mm×100mm，沒有經(jīng)過輕量化設(shè)計的車體橫梁每根重為115.23kg，6根橫梁總重為691.38kg。

由于橫梁上分布有直槽口，橫梁主要受力部分為橫梁兩側(cè)的箱型結(jié)構(gòu)，橫梁的寬度對橫梁的受力性能無太大作用。橫梁寬度的減小可以大大減輕橫梁自重，考慮到連接的限制和橫梁的整體穩(wěn)定性，將橫梁寬度重新設(shè)計為400mm，同時將2兩個直槽口變位3三個直槽口。

對于箱型梁，主要部位為上下翼緣，腹板部分采用蜂窩梁的設(shè)計思路，在腹板上開14個直徑為60mm的圓孔。輕量化橫梁設(shè)計如圖1-2所示總體尺寸為2790mm×400mm×100mm。經(jīng)測量新橫梁重60.31kg，6根橫梁總重361.86kg。相對原橫梁總重減輕329.52kg，輕了47.77%。

圖1 原車體橫梁 圖2 輕量化橫梁

2 輕量化橫梁有限元驗算

2.1 工況分析

2.1.1 荷載分析

車輛運行過程中的荷載是車體強度設(shè)計的依據(jù)。目前低速磁浮列車荷載還未形成統(tǒng)一的規(guī)范，但主要可以分為三大類分別為垂向荷載、縱向荷載、橫向荷載[8]，車體強度計算中需要考慮這些荷載的單獨作用和聯(lián)合作用[9]。 垂向荷載主要包括車體結(jié)構(gòu)質(zhì)量，車上設(shè)備質(zhì)量和乘客質(zhì)量。其中車體結(jié)構(gòu)質(zhì)量和車輛設(shè)備質(zhì)量按照現(xiàn)有臨港新城中低速磁浮列車車輛設(shè)計確定如表1所示。乘客質(zhì)量按標準荷載6人/平方(135人)和超員荷載9人/平方(166人)確定，其中每位乘客平均質(zhì)量按60kg進行計算。

表1 垂向荷載統(tǒng)計

由于磁浮列車的牽引和制動力是由每節(jié)車廂單獨提供，各個車廂之間傳遞的牽引和制動荷載很小故可以忽略不計，只需要考慮車體加速減速及爬坡帶來的慣性荷載，根據(jù)車體設(shè)計條件最大制動加速度為1.4m/s2。

橫向荷載主要是車體轉(zhuǎn)彎時候的離心力，低速磁浮列車最大時速為110km/h，平均運行速度為60～80km/h。最小轉(zhuǎn)彎半徑為50m。分別計算比較列車以15.0km/h速度通過最小半徑為50.0m的平曲線軌道(無軌道超高)、列車以60.0km/h速度通過半徑為70.0m的平曲線軌道(軌面傾角6°)兩種情況的離心加速度。計算公式如公式(2)、(3)所示，選取兩者最大值為a=2.92m/s2。

(2)

(3)

2.1.2 荷載組合

為了充分驗證輕量化設(shè)計的合理，選取了三種極端工況來做仿真分析。

工況1：車體自重+設(shè)備重量+超員乘客

工況2：工況1+緊急剎車

工況3：工況1+轉(zhuǎn)彎

2.2 模態(tài)分析

2.2.1 有限元模型

在上述車體設(shè)計過程中，建立了車體的三維模型，確定了橫梁的設(shè)計方案。由于車體主要構(gòu)件都為鋁合金型材，大部分為薄壁桿件采用實體單元模型難以劃分出高質(zhì)量的網(wǎng)格單元，采用殼單元進行仿真模擬。在SolidWorks中將車體殼體化，然后導(dǎo)入進ANSYS Workbench。除少量綴材，大部分零部件采用焊接的連接方式,主要材質(zhì)為鋁合金2014-T4。在ANSYS中對殼體分別賦上相應(yīng)的厚度然后進行網(wǎng)格劃分，最終形成的車體離散化模型如圖3所示，模型包含175398個單元和207525個節(jié)點。

圖3 有限單元模型

2.2.2 模態(tài)對比

與輪軌列車對車體頻率要求一樣[10～11]，磁浮列車車體自振頻率應(yīng)避開懸浮架的沉浮、點頭頻率[12]。而懸浮架的沉浮、點頭頻率都在10Hz以下，只需要將車體振動頻率控制在10Hz以上就可以滿足條件。

將兩種橫梁設(shè)計進車體，進行模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)車體剪切模態(tài)和車體垂彎模態(tài)非常接近。這兩中模態(tài)和頻率如圖4、圖5所示。

經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)橫梁結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計對車體模態(tài)基本沒有影響，如表2所示前10階模態(tài)，新車自振頻率比原車自振頻率下降幅度在0.5Hz內(nèi)，可以看出輕量化橫梁和原橫梁對車體結(jié)構(gòu)作用基本一樣。

表2 車體模態(tài)頻率對比結(jié)果(Hz)

圖4 原橫梁車體模態(tài)

圖5 輕量化橫梁車體模態(tài)

2.3 靜力分析

在荷載分析中，列出了三種比較極端的正常運行工況，模擬車體正常運行荷載及約束。為了保證列車的彎道通過性能，橫梁和走形機構(gòu)的連接分為兩種形式，6個橫梁編號依次為1～6，其中2、5號橫梁與走形機構(gòu)上的滑臺固接，1、3、4、6號橫梁與滑臺上的直線軸承連接，可以沿車體橫向自由滑動，在ANSYS中采用綁定和位移限制來模擬車體與走形機構(gòu)的連接，吊掛設(shè)備已均布質(zhì)量的方式分部在吊掛量上。

分別對上述的3種工況進行有限元模擬，得到車體的最大應(yīng)力和最大變形如表3所示，可以看出，輕量化設(shè)計的橫梁對車體的靜力計算同樣基本沒有影響，最大應(yīng)力增加值小于1MPa，最大變增加值小于0.1mm，幾乎沒有變化。

表3 車體最大應(yīng)力與車體最大變形

3 結(jié) 語

上述輕量化設(shè)計的車體橫梁完全能夠滿足低速磁浮列車運行要求，在不改變懸浮磁鐵懸浮能力的基礎(chǔ)上，橫梁的輕量化設(shè)計可以提高中車車廂329.52kg的運載能力，這對于懸浮能力有限的磁浮列車來說有重大意義。 由于文中只對車體橫梁結(jié)構(gòu)進行了輕量化設(shè)計，雖然有不錯的設(shè)計效果，但對于整車來說，輕量化設(shè)計還有很大的空間。

參考文獻:

[1] 楊新斌.中低速磁浮技術(shù)在城市軌道交通中的應(yīng)用[J].鐵道車輛, 2015, 53(4):30-32.

[2] 吳祥明.磁浮列車[M].上?？茖W(xué)技術(shù)出版社, 2003.

[3] 魏慶朝, 孔永健.磁懸浮鐵路系統(tǒng)與技術(shù)[M].中國科學(xué)技術(shù)出版社, 2003.

[4] Lee H W, Kim K C, Ju L.Review of maglev train technologies[J].IEEE Transactions on Magnetics, 2006, 42(7):1917-1925.

[5] 鄧小星.中低速磁浮車輛系統(tǒng)動力學(xué)性能研究[D].西南交通大學(xué), 2009.

[6] 許超, 趙洪倫, 劉凱杰.車體輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計策略及其實施[J].鐵道車輛, 2013, 51(4):18-20.

[7] 楊新斌, 羅世輝.上海中低速磁浮交通車輛的數(shù)字化研發(fā)[J].城市軌道交通研究, 2009, 12(12):48-52.

[8] 趙軍.中低速磁浮列車車體輕量化設(shè)計[D].西南交通大學(xué), 2017.

[9] 嚴雋耄, 傅茂海.車輛工程-第3版[M].中國鐵道出版社, 2008.

[10] 洪原山.鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范[M].中國鐵道出版社, 1996.

[11] 趙洪倫.軌道車輛結(jié)構(gòu)與設(shè)計[M].中國鐵道出版社, 2009.

[12] 梁鑫.磁浮列車車軌耦合振動分析及試驗研究[D].西南交通大學(xué), 2015.