A 型車車輛限界和設(shè)備限界的確定

摘　要　結(jié)合地鐵限界國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的編制,介紹了標(biāo)準(zhǔn)中隧道內(nèi)直線段受電弓受流方式A 型車車輛輪廓線的確定以及車輛限界、設(shè)備限界和建筑限界的計(jì)算方法,開發(fā)了基于For2 tran PowerStation 的車輛限界計(jì)算程序,降低了限界計(jì)算工作強(qiáng)度,提高了工作效率。對不同車輛和隧道結(jié)構(gòu)斷面形式,有必要開發(fā)參數(shù)化和人機(jī)交互相結(jié)合的限界計(jì)算系統(tǒng)。關(guān)鍵詞　地鐵, 限界標(biāo)準(zhǔn), 限界計(jì)算方法, A 型車中圖分類號　U
　　城市軌道交通限界規(guī)定了軌道交通車輛和隧道的斷面形狀與凈空尺寸以及高架與地面建筑物的凈空尺寸,同時(shí)也規(guī)定了設(shè)備安裝位置及預(yù)留空間,是構(gòu)成城市軌道交通安全運(yùn)輸?shù)幕颈ＷC之一,也是城市軌道交通設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)[ 1 ] 。相對于高架與地面上車輛,隧道內(nèi)車輛在城市地下運(yùn)行,由于隧道斷面直徑小、設(shè)備安裝空間緊湊、軌道曲線半徑小、旅客乘座舒適性高等特點(diǎn),給城市軌道交通車輛限界和設(shè)備限界提出更高要求。
城市軌道交通限界不僅制約車輛外形尺寸,還關(guān)系到諸如隧道等各種建筑物的內(nèi)部輪廓,對軌道交通系統(tǒng)的建設(shè)規(guī)模及其投入和產(chǎn)出有重大影響。為確保城市軌道交通限界的統(tǒng)一化、系列化和標(biāo)準(zhǔn)化,由沈培德教授組織有關(guān)專家,主持編制了地鐵限界國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[ 1 ] ,以期達(dá)到安全適用、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)先進(jìn)的要求。
1 　A 型車計(jì)算車輛輪廓線和車輛限界計(jì)算用參數(shù)的確定
　　目前我國地下鐵道使用A 型車較多。最早使用A 型車的是上海地鐵1 號線,其次為廣州地鐵1 號線。已決定使用A 型車的有深圳和南京軌道交通線。由于上海地鐵和廣州地鐵線上A 型車已運(yùn)行多年,因此計(jì)算車輛輪廓線以上海車和廣州車為基礎(chǔ),參照深圳車和南京車而確定,并考慮了車體側(cè)燈布置(如圖1 及表1 所示) 。另外,A 型車車輛限界計(jì)算用參數(shù)以能包絡(luò)以上各車型為前提,經(jīng)過仔細(xì)斟酌而確定。

圖1 　A 型車(車寬3m) 計(jì)算車輛輪廓線
2 　城市軌道交通車輛限界計(jì)算
以前車輛限界計(jì)算采用國際聯(lián)盟頒布的U IC 505 國際標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)是用于跨國界鐵路運(yùn)輸?shù)膰H標(biāo)準(zhǔn),其車輛限界計(jì)算是基于車輛基準(zhǔn)輪廓線,在此基礎(chǔ)上計(jì)算出動態(tài)包絡(luò)線,再推算出設(shè)備限界。該標(biāo)準(zhǔn)中車輛限界計(jì)算考慮的因素較少,不能完全滿足城市軌道交通發(fā)展要求[2 ] 。因而德國于1997 年頒布了適用于城市軌道交通的Bostrab 國家標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)中車輛限界直接由車輛制造輪廓線計(jì)算得出,考慮了從軌枕到車輛頂部可能的全部偏移,在線路和車輛得到正常維修保養(yǎng)的前提下,無需考慮安全距離。德國Bostrab 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法比U IC 國際標(biāo)準(zhǔn)更適合軌道交通,更能適用于城市軌道交通車輛限界的確定[2 ] 。
基于以上兩種標(biāo)準(zhǔn),參照文獻(xiàn)[ 3 ,4 ] , 確定了適合我國軌道交通建設(shè)和車輛運(yùn)營實(shí)際情況的限界計(jì)算方法。
2. 1 　車輛限界計(jì)算原則
1) 限界是確定行車軌道周圍構(gòu)筑物凈空的大小,以及管線和設(shè)備安裝相互位置的依據(jù),是專業(yè)間共同遵守的技術(shù)規(guī)定,應(yīng)經(jīng)濟(jì)、合理、安全可靠。
2) 限界應(yīng)依據(jù)車輛的輪廓尺寸和技術(shù)參數(shù)、軌道特性、受電方式、施工方法、設(shè)備安裝等綜合因素進(jìn)行分析計(jì)算確定。

3) 車輛限界的計(jì)算是以平直線上混凝土整體道床和碎石道床的線路為基本條件,根據(jù)隧道內(nèi)及地面運(yùn)行環(huán)境不同,分為隧道內(nèi)和高架線(含地面線) 車輛限界兩種基本類型。
4) 曲線地段不同于上述兩種情況,增加的附加因素是在設(shè)備限界內(nèi)考慮加寬與加高。
5) 車輛限界的計(jì)算要素(偏移量),按其概率性質(zhì)統(tǒng)一分為兩大類,即隨機(jī)因素和非隨機(jī)因素。對于非隨機(jī)因素按線性相加合成,而對隨機(jī)因素按高斯概率分布采取均方值合成。將以上兩大類相加形成車輛的動態(tài)偏移量。
6) 所有傾側(cè)角度引起的偏移量合成后其大小受限于車輛結(jié)構(gòu)上的豎向止擋。橫向位移量和豎向位移量大小受限于車輛結(jié)構(gòu)上的橫向止擋及豎向止擋。
7) 對于隧道內(nèi)平直線、高架線(含地面線) 兩類車輛限界均采用統(tǒng)一的計(jì)算公式。計(jì)算操作時(shí)應(yīng)根據(jù)不同類別情況合理選用不同的計(jì)算參數(shù)。
8) 車輛限界偏移量計(jì)算劃分為車體、轉(zhuǎn)向架、受電弓(三軌受流器) 等三部分分別計(jì)算。
9) 車輛限界一經(jīng)制定,屬限界標(biāo)準(zhǔn)中重要的部分。車輛運(yùn)行安全與否,必須根據(jù)本計(jì)算方法的基本規(guī)定進(jìn)行計(jì)算,確定車輛動態(tài)包絡(luò)線是否超越車輛限界為準(zhǔn)。
10) 本計(jì)算方法中涉及到的計(jì)算車輛輪廓線及計(jì)算參數(shù)僅供限界制定時(shí)使用,并非對車輛規(guī)格和參數(shù)作強(qiáng)制性規(guī)定。實(shí)際制造的車輛應(yīng)以實(shí)際參數(shù)按本計(jì)算的基本規(guī)定驗(yàn)算是否符合車輛限界。
2. 2 　車輛限界的計(jì)算要素
1) 車輛的制造誤差;
2) 車輛的維修限度;
3) 轉(zhuǎn)向架輪對處于軌道上的最不利運(yùn)行位置;
4) 輪對相對于構(gòu)架的橫向振動量;
5) 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架相對于車體的橫向位移量;
6) 車輛的空重車撓度差及垂向位移量;
7) 軌道線路的幾何偏差(含維修限度);
8) 一系懸掛側(cè)滾位移量;
9) 二系懸掛側(cè)滾位移量;
10) 因車輛制造、載荷不對稱、軌道水平不平順等引起的偏斜。
2. 3 　車輛限界、設(shè)備限界及建筑限界的計(jì)算方法
以確定的計(jì)算車輛輪廓線控制點(diǎn)坐標(biāo)為基礎(chǔ), 計(jì)及上述各計(jì)算要素,制定出公式分別計(jì)算其橫向和垂向位移;將輪廓線控制點(diǎn)坐標(biāo)加上(或減去) 對應(yīng)點(diǎn)的縮減量值, 即可得到車輛限界控制點(diǎn)坐標(biāo)[ 3 ,4 ] 。車體側(cè)部車輛限界加寬50 mm , 考慮了將來鼓形車的發(fā)展需要。由于車體運(yùn)動時(shí)可能向左側(cè)滾或向右側(cè)滾,故應(yīng)對兩種工況分別計(jì)算,取結(jié)果大者為最終車輛限界。如第6 點(diǎn)輪廓線坐標(biāo)為(1 365 ,3 416) ,當(dāng)車體橫向偏移和車體傾角產(chǎn)生的橫向偏移方向相同時(shí),計(jì)算得其橫向偏移量為134 mm , 豎向向上偏移量為-2mm , 故得車輛限界坐標(biāo)為(1 499 ,3 414) ;當(dāng)車體橫向偏移和車體傾角產(chǎn)生的橫向偏移方向相反時(shí),其橫向偏移量為-4 mm , 豎向向上偏移量為60 mm , 得車輛限界坐標(biāo)為(1 361 ,3 476) 。由于第一工況產(chǎn)生限界能包絡(luò)后者,故取前者為該點(diǎn)最終車輛限界。車輛限界計(jì)算較復(fù)雜,計(jì)算工作量相當(dāng)大,因此,計(jì)算時(shí)可將各公式利用Fortran PowerStation 編制成程序,運(yùn)行后直接輸出輪廓線控制點(diǎn)及車輛限界控制點(diǎn)坐標(biāo)值。程序運(yùn)行流程如圖2 所示。
　　設(shè)備限界與車輛限界之間,應(yīng)留安全間距。直線地段安全間距的大小為15～100 mm 。其中:車體上肩部橫向間距為100 mm ; 車體下部橫向間距

圖2 　車輛限界計(jì)算程序運(yùn)行流程圖

為50 mm ; 車體頂部與底部間距為50 mm ; 車下懸掛物以下間距為50 mm ; 轉(zhuǎn)向架部分橫向及豎向間距為15～30 mm ; 站臺邊緣應(yīng)留大于10 mm 的間距[ 5 ] 。計(jì)算得隧道內(nèi)直線地段A 型車車輛限界及設(shè)備限界如圖3 及表2 、表3 所示。

圖3 　A 型車隧道內(nèi)直線地段車輛限界與設(shè)備限界
　　水平曲線和豎曲線區(qū)間的設(shè)備限界應(yīng)在直線設(shè)備限界的基礎(chǔ)上加寬和加高,其加寬和加高量亦按制定的統(tǒng)一公式計(jì)算[1 ] 。計(jì)算時(shí)需注意車體橫向加寬和過超高(或欠超高) 的偏移方向。如第6 點(diǎn)隧道內(nèi)直線地段設(shè)備限界坐標(biāo)為(1 570 ,3 452) ,當(dāng)車體橫向加寬和過超高(或欠超高) 的偏移方向相同時(shí),計(jì)算得其橫向偏移量為188 mm , 豎向向上偏移量為-43 mm , 得曲線地段設(shè)備限界坐標(biāo)為(1 758 , 3 409) ;當(dāng)車體橫向加寬和過超高(或欠超高) 的偏移方向相反時(shí),計(jì)算得其橫向偏移量為40 mm , 豎向向上偏移量為43 mm , 得曲線地段設(shè)備限界坐標(biāo)為(1 610 ,3 495) 。由于前者產(chǎn)生限界已包絡(luò)后者, 故取第一工況為該點(diǎn)曲線地段最終設(shè)備限界。
建筑限界與設(shè)備限界之間的空間,應(yīng)充分考慮設(shè)備和管線安裝所需的尺寸,并預(yù)留可能產(chǎn)生的安裝誤差和變形20～50 mm 。無論有無設(shè)備安裝,其最小間距不小于200 mm[1 ] 。
　
表1 　A 型車(隧道內(nèi)直線) 車輛限界坐標(biāo)值m m

　　注:第0s″,1s″,2s″,3s″,4s″點(diǎn)為隧道內(nèi)受電弓設(shè)備限界坐標(biāo)值.
3 　結(jié)語
城市軌道交通限界計(jì)算所涵蓋的內(nèi)容相當(dāng)寬泛,所需知識面也很廣。由于國內(nèi)外限界計(jì)算的方法很多,采用不同的計(jì)算方法得到的計(jì)算結(jié)果將完全不同。目前,我國城市軌道交通在限界的設(shè)計(jì)和計(jì)算方法方面,尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[6 ] 。為適應(yīng)我國城市軌道交通建設(shè)的發(fā)展,合理控制車輛通行的有效凈空斷面,降低工程造價(jià),以及保障車輛的安全運(yùn)行, 制定了適合我國國情的地鐵限界標(biāo)準(zhǔn)。
本文結(jié)合地鐵限界國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的編制,對標(biāo)準(zhǔn)中隧道內(nèi)直線段受電弓受流方式A 型車車輛輪廓線的確定以及車輛限界、設(shè)備限界和建筑限界的計(jì)算方法作了簡單介紹;并利用Fortran PowerSta2 tion 編程計(jì)算降低了限界計(jì)算工作強(qiáng)度,但限界圖形還不能自動生成。由于將來各個(gè)城市軌道交通采用的車輛不盡相同,隧道結(jié)構(gòu)斷面的形式也多種多樣,另外不同半徑曲線和不同號數(shù)道岔的限界也不相同,因此,有必要開發(fā)參數(shù)化和人機(jī)交互相結(jié)合的限界計(jì)算系統(tǒng)[ 7 ,8 ] 。該系統(tǒng)各功能模塊均由設(shè)計(jì)計(jì)算模塊和繪圖模塊組成,計(jì)算模塊完成設(shè)計(jì)計(jì)算工作,繪圖模塊利用AutoCAD 繪圖支撐軟件自動生成圖形,以減少設(shè)計(jì)人員繁瑣勞動,提高工作效率。

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