A 型車車輛限界和設備限界的確定

摘　要　結合地鐵限界國家行業標準的編制,介紹了標準中隧道內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、設備限界和建筑限界的計算方法,開發了基于For2 tran PowerStation 的車輛限界計算程序,降低了限界計算工作強度,提高了工作效率。對不同車輛和隧道結構斷面形式,有必要開發參數化和人機交互相結合的限界計算系統。關鍵詞　地鐵, 限界標準, 限界計算方法, A 型車中圖分類號　U
　　城市軌道交通限界規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,同時也規定了設備安裝位置及預留空間,是構成城市軌道交通安全運輸的基本保證之一,也是城市軌道交通設計的基礎[ 1 ] 。相對于高架與地面上車輛,隧道內車輛在城市地下運行,由于隧道斷面直徑小、設備安裝空間緊湊、軌道曲線半徑小、旅客乘座舒適性高等特點,給城市軌道交通車輛限界和設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,還關系到諸如隧道等各種建筑物的內部輪廓,對軌道交通系統的建設規模及其投入和產出有重大影響。為確保城市軌道交通限界的統一化、系列化和標準化,由沈培德教授組織有關專家,主持編制了地鐵限界國家行業標準[ 1 ] ,以期達到安全適用、經濟合理、技術先進的要求。
1 　A 型車計算車輛輪廓線和車輛限界計算用參數的確定
　　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 型車已運行多年,因此計算車輛輪廓線以上海車和廣州車為基礎,參照深圳車和南京車而確定,并考慮了車體側燈布置(如圖1 及表1 所示) 。另外,A 型車車輛限界計算用參數以能包絡以上各車型為前提,經過仔細斟酌而確定。

圖1 　A 型車(車寬3m) 計算車輛輪廓線
2 　城市軌道交通車輛限界計算
以前車輛限界計算采用國際聯盟頒布的U IC 505 國際標準。該標準是用于跨國界鐵路運輸的國際標準,其車輛限界計算是基于車輛基準輪廓線,在此基礎上計算出動態包絡線,再推算出設備限界。該標準中車輛限界計算考慮的因素較少,不能完全滿足城市軌道交通發展要求[2 ] 。因而德國于1997 年頒布了適用于城市軌道交通的Bostrab 國家標準。該標準中車輛限界直接由車輛制造輪廓線計算得出,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的前提下,無需考慮安全距離。德國Bostrab 標準計算方法比U IC 國際標準更適合軌道交通,更能適用于城市軌道交通車輛限界的確定[2 ] 。
基于以上兩種標準,參照文獻[ 3 ,4 ] , 確定了適合我國軌道交通建設和車輛運營實際情況的限界計算方法。
2. 1 　車輛限界計算原則
1) 限界是確定行車軌道周圍構筑物凈空的大小,以及管線和設備安裝相互位置的依據,是專業間共同遵守的技術規定,應經濟、合理、安全可靠。
2) 限界應依據車輛的輪廓尺寸和技術參數、軌道特性、受電方式、施工方法、設備安裝等綜合因素進行分析計算確定。

3) 車輛限界的計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,根據隧道內及地面運行環境不同,分為隧道內和高架線(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備限界內考慮加寬與加高。
5) 車輛限界的計算要素(偏移量),按其概率性質統一分為兩大類,即隨機因素和非隨機因素。對于非隨機因素按線性相加合成,而對隨機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偏移量。
6) 所有傾側角度引起的偏移量合成后其大小受限于車輛結構上的豎向止擋。橫向位移量和豎向位移量大小受限于車輛結構上的橫向止擋及豎向止擋。
7) 對于隧道內平直線、高架線(含地面線) 兩類車輛限界均采用統一的計算公式。計算操作時應根據不同類別情況合理選用不同的計算參數。
8) 車輛限界偏移量計算劃分為車體、轉向架、受電弓(三軌受流器) 等三部分分別計算。
9) 車輛限界一經制定,屬限界標準中重要的部分。車輛運行安全與否,必須根據本計算方法的基本規定進行計算,確定車輛動態包絡線是否超越車輛限界為準。
10) 本計算方法中涉及到的計算車輛輪廓線及計算參數僅供限界制定時使用,并非對車輛規格和參數作強制性規定。實際制造的車輛應以實際參數按本計算的基本規定驗算是否符合車輛限界。
2. 2 　車輛限界的計算要素
1) 車輛的制造誤差;
2) 車輛的維修限度;
3) 轉向架輪對處于軌道上的最不利運行位置;
4) 輪對相對于構架的橫向振動量;
5) 轉向架構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) 一系懸掛側滾位移量;
9) 二系懸掛側滾位移量;
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、設備限界及建筑限界的計算方法
以確定的計算車輛輪廓線控制點坐標為基礎, 計及上述各計算要素,制定出公式分別計算其橫向和垂向位移;將輪廓線控制點坐標加上(或減去) 對應點的縮減量值, 即可得到車輛限界控制點坐標[ 3 ,4 ] 。車體側部車輛限界加寬50 mm , 考慮了將來鼓形車的發展需要。由于車體運動時可能向左側滾或向右側滾,故應對兩種工況分別計算,取結果大者為最終車輛限界。如第6 點輪廓線坐標為(1 365 ,3 416) ,當車體橫向偏移和車體傾角產生的橫向偏移方向相同時,計算得其橫向偏移量為134 mm , 豎向向上偏移量為-2mm , 故得車輛限界坐標為(1 499 ,3 414) ;當車體橫向偏移和車體傾角產生的橫向偏移方向相反時,其橫向偏移量為-4 mm , 豎向向上偏移量為60 mm , 得車輛限界坐標為(1 361 ,3 476) 。由于第一工況產生限界能包絡后者,故取前者為該點最終車輛限界。車輛限界計算較復雜,計算工作量相當大,因此,計算時可將各公式利用Fortran PowerStation 編制成程序,運行后直接輸出輪廓線控制點及車輛限界控制點坐標值。程序運行流程如圖2 所示。
　　設備限界與車輛限界之間,應留安全間距。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 　車輛限界計算程序運行流程圖

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 ; 轉向架部分橫向及豎向間距為15～30 mm ; 站臺邊緣應留大于10 mm 的間距[ 5 ] 。計算得隧道內直線地段A 型車車輛限界及設備限界如圖3 及表2 、表3 所示。

圖3 　A 型車隧道內直線地段車輛限界與設備限界
　　水平曲線和豎曲線區間的設備限界應在直線設備限界的基礎上加寬和加高,其加寬和加高量亦按制定的統一公式計算[1 ] 。計算時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 點隧道內直線地段設備限界坐標為(1 570 ,3 452) ,當車體橫向加寬和過超高(或欠超高) 的偏移方向相同時,計算得其橫向偏移量為188 mm , 豎向向上偏移量為-43 mm , 得曲線地段設備限界坐標為(1 758 , 3 409) ;當車體橫向加寬和過超高(或欠超高) 的偏移方向相反時,計算得其橫向偏移量為40 mm , 豎向向上偏移量為43 mm , 得曲線地段設備限界坐標為(1 610 ,3 495) 。由于前者產生限界已包絡后者, 故取第一工況為該點曲線地段最終設備限界。
建筑限界與設備限界之間的空間,應充分考慮設備和管線安裝所需的尺寸,并預留可能產生的安裝誤差和變形20～50 mm 。無論有無設備安裝,其最小間距不小于200 mm[1 ] 。
　
表1 　A 型車(隧道內直線) 車輛限界坐標值m m

　　注:第0s″,1s″,2s″,3s″,4s″點為隧道內受電弓設備限界坐標值.
3 　結語
城市軌道交通限界計算所涵蓋的內容相當寬泛,所需知識面也很廣。由于國內外限界計算的方法很多,采用不同的計算方法得到的計算結果將完全不同。目前,我國城市軌道交通在限界的設計和計算方法方面,尚無統一標準[6 ] 。為適應我國城市軌道交通建設的發展,合理控制車輛通行的有效凈空斷面,降低工程造價,以及保障車輛的安全運行, 制定了適合我國國情的地鐵限界標準。
本文結合地鐵限界國家行業標準的編制,對標準中隧道內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、設備限界和建筑限界的計算方法作了簡單介紹;并利用Fortran PowerSta2 tion 編程計算降低了限界計算工作強度,但限界圖形還不能自動生成。由于將來各個城市軌道交通采用的車輛不盡相同,隧道結構斷面的形式也多種多樣,另外不同半徑曲線和不同號數道岔的限界也不相同,因此,有必要開發參數化和人機交互相結合的限界計算系統[ 7 ,8 ] 。該系統各功能模塊均由設計計算模塊和繪圖模塊組成,計算模塊完成設計計算工作,繪圖模塊利用AutoCAD 繪圖支撐軟件自動生成圖形,以減少設計人員繁瑣勞動,提高工作效率。

參考文獻

1 　沈培德,沈景炎,倪　昌. 地鐵限界標準. 上海:同濟大學,2003
2 　吳俊泉. 廣州地鐵1 號線車輛和隧道設備限界的確定. 城市軌道交通研究,2000(3) :41～44
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9 　羅湘萍,沈培德. 城市軌道交通車輛限界計算方法研究. 城市軌道