A 型車(chē)車(chē)輛限界和設(shè)備限界的確定

摘　要　結(jié)合地鐵限界國(guó)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(chē)車(chē)輛輪廓線的確定以及車(chē)輛限界、設(shè)備限界和建筑限界的計(jì)算方法,開(kāi)發(fā)了基于For2 tran PowerStation 的車(chē)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(duì)不同車(chē)輛和隧道結(jié)構(gòu)斷面形式,有必要開(kāi)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(chē)中圖分類(lèi)號(hào)　U
　　城市軌道交通限界規(guī)定了軌道交通車(chē)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(duì)于高架與地面上車(chē)輛,隧道內(nèi)車(chē)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(chē)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(chē)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(duì)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(zhuān)家,主持編制了地鐵限界國(guó)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(chē)計(jì)算車(chē)輛輪廓線和車(chē)輛限界計(jì)算用參數(shù)的確定
　　目前我國(guó)地下鐵道使用A 型車(chē)較多。最早使用A 型車(chē)的是上海地鐵1 號(hào)線,其次為廣州地鐵1 號(hào)線。已決定使用A 型車(chē)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(chē)已運(yùn)行多年,因此計(jì)算車(chē)輛輪廓線以上海車(chē)和廣州車(chē)為基礎(chǔ),參照深圳車(chē)和南京車(chē)而確定,并考慮了車(chē)體側(cè)燈布置(如圖1 及表1 所示) 。另外,A 型車(chē)車(chē)輛限界計(jì)算用參數(shù)以能包絡(luò)以上各車(chē)型為前提,經(jīng)過(guò)仔細(xì)斟酌而確定。

圖1 　A 型車(chē)(車(chē)寬3m) 計(jì)算車(chē)輛輪廓線
2 　城市軌道交通車(chē)輛限界計(jì)算
以前車(chē)輛限界計(jì)算采用國(guó)際聯(lián)盟頒布的U IC 505 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)是用于跨國(guó)界鐵路運(yùn)輸?shù)膰?guó)際標(biāo)準(zhǔn),其車(chē)輛限界計(jì)算是基于車(chē)輛基準(zhǔn)輪廓線,在此基礎(chǔ)上計(jì)算出動(dòng)態(tài)包絡(luò)線,再推算出設(shè)備限界。該標(biāo)準(zhǔn)中車(chē)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(guó)于1997 年頒布了適用于城市軌道交通的Bostrab 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)中車(chē)輛限界直接由車(chē)輛制造輪廓線計(jì)算得出,考慮了從軌枕到車(chē)輛頂部可能的全部偏移,在線路和車(chē)輛得到正常維修保養(yǎng)的前提下,無(wú)需考慮安全距離。德國(guó)Bostrab 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法比U IC 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)更適合軌道交通,更能適用于城市軌道交通車(chē)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(guó)軌道交通建設(shè)和車(chē)輛運(yùn)營(yíng)實(shí)際情況的限界計(jì)算方法。
2. 1 　車(chē)輛限界計(jì)算原則
1) 限界是確定行車(chē)軌道周?chē)鷺?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(zhuān)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(chē)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(chē)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(chē)輛限界兩種基本類(lèi)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(chē)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(lèi),即隨機(jī)因素和非隨機(jī)因素。對(duì)于非隨機(jī)因素按線性相加合成,而對(duì)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(lèi)相加形成車(chē)輛的動(dòng)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(chē)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(chē)輛結(jié)構(gòu)上的橫向止擋及豎向止擋。
7) 對(duì)于隧道內(nèi)平直線、高架線(含地面線) 兩類(lèi)車(chē)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(lèi)別情況合理選用不同的計(jì)算參數(shù)。
8) 車(chē)輛限界偏移量計(jì)算劃分為車(chē)體、轉(zhuǎn)向架、受電弓(三軌受流器) 等三部分分別計(jì)算。
9) 車(chē)輛限界一經(jīng)制定,屬限界標(biāo)準(zhǔn)中重要的部分。車(chē)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(chē)輛動(dòng)態(tài)包絡(luò)線是否超越車(chē)輛限界為準(zhǔn)。
10) 本計(jì)算方法中涉及到的計(jì)算車(chē)輛輪廓線及計(jì)算參數(shù)僅供限界制定時(shí)使用,并非對(duì)車(chē)輛規(guī)格和參數(shù)作強(qiáng)制性規(guī)定。實(shí)際制造的車(chē)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(chē)輛限界。
2. 2 　車(chē)輛限界的計(jì)算要素
1) 車(chē)輛的制造誤差;
2) 車(chē)輛的維修限度;
3) 轉(zhuǎn)向架輪對(duì)處于軌道上的最不利運(yùn)行位置;
4) 輪對(duì)相對(duì)于構(gòu)架的橫向振動(dòng)量;
5) 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架相對(duì)于車(chē)體的橫向位移量;
6) 車(chē)輛的空重車(chē)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(chē)輛制造、載荷不對(duì)稱(chēng)、軌道水平不平順等引起的偏斜。
2. 3 　車(chē)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(chē)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(duì)應(yīng)點(diǎn)的縮減量值, 即可得到車(chē)輛限界控制點(diǎn)坐標(biāo)[ 3 ,4 ] 。車(chē)體側(cè)部車(chē)輛限界加寬50 mm , 考慮了將來(lái)鼓形車(chē)的發(fā)展需要。由于車(chē)體運(yùn)動(dòng)時(shí)可能向左側(cè)滾或向右側(cè)滾,故應(yīng)對(duì)兩種工況分別計(jì)算,取結(jié)果大者為最終車(chē)輛限界。如第6 點(diǎn)輪廓線坐標(biāo)為(1 365 ,3 416) ,當(dāng)車(chē)體橫向偏移和車(chē)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(chē)輛限界坐標(biāo)為(1 499 ,3 414) ;當(dāng)車(chē)體橫向偏移和車(chē)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(chē)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(chē)輛限界。車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)體上肩部橫向間距為100 mm ; 車(chē)體下部橫向間距

圖2 　車(chē)輛限界計(jì)算程序運(yùn)行流程圖

為50 mm ; 車(chē)體頂部與底部間距為50 mm ; 車(chē)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(tái)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(chē)車(chē)輛限界及設(shè)備限界如圖3 及表2 、表3 所示。

圖3 　A 型車(chē)隧道內(nèi)直線地段車(chē)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(chē)體橫向加寬和過(guò)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(chē)體橫向加寬和過(guò)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(chē)體橫向加寬和過(guò)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(wú)論有無(wú)設(shè)備安裝,其最小間距不小于200 mm[1 ] 。
　
表1 　A 型車(chē)(隧道內(nèi)直線) 車(chē)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(yǔ)
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(shí)面也很廣。由于國(guó)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(guó)城市軌道交通在限界的設(shè)計(jì)和計(jì)算方法方面,尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[6 ] 。為適應(yīng)我國(guó)城市軌道交通建設(shè)的發(fā)展,合理控制車(chē)輛通行的有效凈空斷面,降低工程造價(jià),以及保障車(chē)輛的安全運(yùn)行, 制定了適合我國(guó)國(guó)情的地鐵限界標(biāo)準(zhǔn)。
本文結(jié)合地鐵限界國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的編制,對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中隧道內(nèi)直線段受電弓受流方式A 型車(chē)車(chē)輛輪廓線的確定以及車(chē)輛限界、設(shè)備限界和建筑限界的計(jì)算方法作了簡(jiǎn)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(dòng)生成。由于將來(lái)各個(gè)城市軌道交通采用的車(chē)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(hào)數(shù)道岔的限界也不相同,因此,有必要開(kāi)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(dòng)生成圖形,以減少設(shè)計(jì)人員繁瑣勞動(dòng),提高工作效率。

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