李磊 王天宇 李文斌
(中车大连机车车辆有限公司 辽宁大连 116021)
摘 要：基于城市轨道车辆运行线路的基本要求，以国际通用设计标准为依据，系统地介绍了城市轨道地铁车辆贯通道的设计方案。通过对车辆参数和线路运行条件的综合分析，阐述贯通道系统的设计和选型依据，保证贯通道系统性能可靠、易于维护，同时满足线路及运营的所有工况要求。
关键词：地铁车辆；贯通道；方案设计
中图分类号：U270.2
0 前言
随着城市化建设的快速发展，城市轨道地铁因其经济、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。
文中将着重介绍城市轨道地铁车辆的贯通道设计方案，贯通道的选型及结构原理，技术参数等。通常，城市轨道地铁车辆编组形式多采用 DM - T - DM的3节编组形式。由于线路条件的限制，结合当地运营情况和环境要求，本文以A型车为例进行研究和说明。城市轨道地铁车辆除了要满足人口众多的大载荷运营需求，同时还可能面临着线路条件复杂，车辆段曲线半径小，S曲线复杂等问题。本文通过多次的改进试验和验证，使贯通道系统能够完全满足车辆的运营需求，贯通道系统设计方案的完成进一步拓宽了城市轨道交通领域的技术水平。
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。
2 贯通道选型
2.1 方案确定
贯通道的方案设计需要综合考虑车体自身参数、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能适应车辆各种复杂的运行工况[2]。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R100m，同时要求车辆能够以10km/h的运行速度下完成自动连挂，经车钩连挂能力计算，得出结果需贯通道在该曲线工况下仍具有压缩量200mm的能力；正线运行时，最小通过曲线半径为R120m，同时复合多种小半径且无直线段过渡的S曲线运行工况。国内常规曲线通过半径为R150，压缩量仅为几十毫米；S曲线通长为R150m-5m-R150m。对于本文中所要研究的曲线通过工况，贯通道各组成部分（顶板、踏渡板、侧护板、安装框、篷布等）的结构及运动位置关系方案需严格校核。
经过技术评审及车体结构分析可初步确定贯通道的结构形式。影响贯通道的车体参数如表1所示。
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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；内部侧护板采用单片式结构或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U型结构；顶板与踏渡板均采用搭接结构。
2.2 贯通道总体尺寸确定
确定贯通道的形式后，需进一步对贯通道的总体尺寸进行明确[2]。由于车辆高度和宽度分别为3550mm和2900mm，结合外部折棚连接框的位置，根据项目要求，初步确定贯通道技术参数如表2所示。
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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找台边缘的间隙尺寸（需规避乘客坠入风险），综合分析得出较为合理的参数值。
2.3 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结构的对应位置，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；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。
3 运行工况分析
3.1 影响因素分析
贯通的设计首先要对车辆的的运行状况进行分析，主要影响因素包含车辆参数、转向架参数、车钩参数、线路参数几项，具体分析如下：
（1）车辆参数：主要是指车辆固有尺寸参数，包含车辆长度、车辆宽度、转向架中心距、车钩安装座定位等；
（2）转向架参数：主要是只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、转向架过曲线柔性系数等；
（3）车钩参数：主要是指车钩工作过程中的动作状态，包含缓方式及冲结构、回转中心距，动作最大压缩量、动作最大拉伸量等；
（4）线路参数：主要是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。
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，应当充分的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。
常规运行工况下要求贯通道系统能够在极限小曲线及S曲线工况下能够应对外轨超高、车钩常规拉伸压缩、上下坡道等状态下对贯通道造成的侧滚角、俯仰角、拉压等考验。
故障运行工况下要求考虑车辆转向架二系簧爆裂状况下可能引起的车辆侧滚及邻车高差工况，如有余力，应适当考虑轮缘磨耗情况，并对符合工况进行综合分析，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三维软件绘制三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，找寻到车辆曲线运行最恶劣位置，如图1所示。
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（a） R100m圆曲线 （b） 直线进R100m曲线
（c） R173m-0-R240m曲线 （d） R120m-10.54m-R190m S曲线
图1整个运行线路中的恶劣工况下的车辆运行模拟结果
图1为整个运行线路中的恶劣工况下的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以给出，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，贯通道系统应自如地满足各种工况及符合工况的要求，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，因此要求贯通道应具有良好的通过曲线能力。贯通道按照技术方案设计完成并试制出样件，在三维试验台上模拟各种运行工况，核实技术方案的可行性。贯通道通过曲线应满足下列条件：
（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。
R100m曲线上贯通道状态：折棚拉伸量为510.1-410=100.1mm<390mm，折棚压缩量410-258.4=151.6mm<240mm；侧护板拉伸量1002.9-828=174.9mm<280m，侧护板压缩量170.9mm<340mm。
直线进R100m曲线贯通道状态：折棚拉伸量：501-410=91mm<390mm；折棚压缩量：410-314.5=95.5mm<240mm；侧护板拉伸量：976.4-828=148.4mm<280mm； 侧护板压缩量：828-761.8=66.2mm<340mm。
S曲线(R173m-0m-R240m)上贯通道状态：折棚拉伸量：433.6-410=23.6mm<390mm；折棚压缩量：410-380.2=29.8mm<240mm ；侧护板拉伸量：882.7-828=54.7mm<280mm；
S曲线(R120m-10.54m-R190m)上贯通道状态：折棚拉伸量411.6-410=1.6mm<390mm；折棚压缩量：410-386.3=23.7mm<240mm ；侧护板拉伸量：868.7-828=40.7mm<280mm 。
上述状态下的踏板和棚板均搭接正常，无干涉现象。踏渡板和棚板连杆机构转动均正常，无干涉卡死现象。由此可知，以此贯通道可以满足各工况下的曲线通过能力要求，满足使用条件。
贯通道设计完成并试制出样件，在三维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 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）该型贯通道已通过在三维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。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。
参考文献
[1]李磊，臧兰兰，毕长生.城轨车辆一体式贯通道配套端墙结构设计及焊接工艺[J].机械制造文摘—焊接分册，2018（3）：25-30.
[2]卢先宝.一种B型地铁车辆一体式侧墙贯通道的研制[J].技术与市场，2017,24（11）：95-96.
[3]帅纲要,罗美清.土耳其伊兹密尔轻轨车辆贯通道设计与选型[J].电力机车与城轨车辆，2013，36(2):30-32.
作者简介：李磊，1986年出生，硕士，高级工程师。主要从事轨道交通产品设计行业。