0.   引言

磁浮列车行驶时脱离了与轨道的机械接触, 因此磁浮车辆具有很强的加速、制动以及爬坡能力; 线路采用架空形式, 且可以使用较大的坡度, 使磁悬浮高速铁路具有良好的适应地势的能力, 因而与环境具有较好的相容性^[1,2]。磁悬浮高速列车成为新型的交通运输工具, 为地面高速轨道交通开辟了新的领域。目前, 中国引进德国技术的上海高速磁浮轨道交通系统示范运营线已开通。在此基础上进行国产化研究, 为今后能自主发展创造了有利的条件。这项工作首先需了解磁浮列车的工作原理及运行状况, 然后再根据国情考虑今后国产化的车体结构。

1.   设计思路

磁悬浮列车的质量不像传统铁路那样集中作用在车轴或支撑点上, 而是分散地作用于磁悬浮列车的整个长度范围内, 对线路的冲击作用较小。但磁浮列车的运行速度达430 km/h, 列车运行阻力和列车交会空气压力波会给车体带来巨大压力, 对车体结构的设计及材料提出了更高的要求。如何保证车体结构既能满足强度、刚度要求, 又能使车体重量减轻, 有较高的防噪、防热和防燃烧性能, 还要考虑到车体制造、保养的经济性, 是目前国产化车体结构研制亟待解决的问题。

1.1   国产化车体的材质

国内采用普通钢材生产制造铁道车辆车体的技术已经非常成熟, 但一般车体钢结构重量仍为14 t左右, 参考国外磁浮列车车体结构重量为9 t左右^[3], 采用普通钢材的磁浮车体将难以达到轻量化的要求。而且由于速度的提高, 磁浮列车对车体的强度、刚度、耐腐性、密封性能也提出了更高的要求。因此, 磁浮列车车体材质的选取成为关键。

目前, 不锈钢和铝合金是国外高速客车车体最理想的材质。另外, 复合材料已用于制造车体的部分构件, 铝蜂窝板材也开始在新一代高速车辆上应用。用其制造的车体自重轻, 节能, 耐腐蚀性能好, 维修费用低, 使用寿命长。国内也已经开始将铝合金、不锈钢和玻璃钢应用在高速客车上。但由于不锈钢焊接变形大, 车体结构组装需尽量采用电阻焊点焊接头的形式, 制造工艺复杂, 车体的密封性能差, 因而主要应用于市郊列车和大量城市地铁; 铝合金能最大限度地减轻重量, 具有良好的耐腐蚀性及易于加工制造, 主要用于制造对减重要求高的高速列车和一些城市轻轨车辆; 玻璃钢因具有独特的易于造型性能, 主要用于高速车的流线形车头和车体部件; 而国产的铝合金蜂窝板材, 价格高, 目前主要在航空方面应用, 由于工艺方面的原因, 尚未在轨道车辆的车体结构上应用。目前, 国内已对多台客车和货车铝合金车体进行了设计和结构强度计算, 积累了一定经验, 因此, 国产化的磁浮车体应采用铝合金材质。

1.2   铝合金挤压型材截面形式

目前铝合金是高速客车的首选材料, 它的比重与弹性模量只相当于钢的1/3, 能极大限度地减轻车体自重, 但刚度小。而铝合金具有优越的延展性, 便于挤压成型, 可根据构件在结构中的位置及作用, 考虑到车体构件承受的应力水平, 设计成能最有效地发挥构件强度和刚度作用的型材。如闭口多室断面型材、各向异性的中空桁架式型材、内、外壁板间设有加强板梁的双层模压型材等, 使车体结构自重大为减轻的情况下仍具有高的强度与刚度。近几年来, 国内铝合金加工技术得到迅速发展。铝合金挤压型材已有多家铝型材厂开始小批量生产, 并已生产出车辆用大型复杂和特殊形状断面、宽幅带筋板材和空心型材, 底板宽度可做到600~700 mm。1998年, 试制了6005、7005两种地铁车辆用铝合金型材, 已通过力学性能和可焊性实验。

根据上海磁浮列车车体受力情况分析: 垂直载荷分散地作用于列车的整个长度范围内, 高速行驶时承受很大的空气压力, 因而车体采用了与车体等长的大型宽幅薄壁挤压双层模压型材(图 1)。因内、外壁板间内部设有夹层板梁, 提高了车体的刚度、疲劳强度及抗脆断能力。由于车体的应力较小, 原则上型材壁板的厚度可以进一步减薄, 由于受到国内挤压和矫直机加工设备性能的影响, 型材的最小壁厚受到限制。因为壁越薄, 型材的平直度、扭拧度和弯曲度等指标难以保证, 而且随着壁厚减薄, 挤压比越高, 挤压筒内套所受的载荷越大, 将增大挤压模具的破损率。结合中国大型宽幅铝合金挤压技术和挤压模具的实际情况, 车顶、侧墙、底架地板型材的壁厚和夹层筋板的壁厚设计为2.5 mm。

图  1  铝合金双层模压型材横截面

Figure  1.  Material cross-section of double-decker aluminum alloy

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2.   国产化车体结构设计方案

2.1   上海磁浮列车车体结构

上海磁浮列车采用玻璃钢材料制成的流线形车头, 车厢结构由预制的车顶、底板架、圆筒状车壁、端墙等大模块部件组装而成。各部件由型材铝梁、蜂窝铝板组成, 两者之间采用螺栓连接(图 2)。

图  2  上海磁浮列车车体结构

Figure  2.  Carbody structure of Shanghai maglev train

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其中车顶边梁、窗上梁、窗下梁、底架边梁、底架纵梁为与车体等长的铝型材; 窗间立柱、底架横梁、车顶横梁、侧车顶横梁、端部横梁为桁架式结构型材。各部件的组装通过焊接、螺栓和铆接的方式连接。夹层结构用螺栓和铆接两种方式与车厢底板相连, 用于安装各种抽屉式的机厢设备。悬浮架与车厢底板通过空气弹簧、摇臂、摆杆等机构连接。为保证车体的高强度超轻量设计要求, 车体使用了高强度铝合金材料、蜂窝铝板及玻璃钢等新材料。

2.2   国产化车体的结构设计

借鉴铝合金高速客车的经验, 国产化的高速磁浮列车车体结构形式, 采取将上海磁浮列车车体^[4]中采用蜂窝铝板的车顶、侧车顶、侧墙下部、地板均改用与车体等长的大型薄壁中空桁架结构挤压型材, 取消底架横梁、车顶横梁、侧车顶横梁; 保留底架边梁、底架中梁、端部横梁, 因为它们是专门研制, 用来承担支撑和导向力; 侧墙门立柱作为列车的逃生通道, 仍继续采用; 为保证车体具有良好的密封性, 仍沿用了窗上梁、窗下梁、侧墙窗间立柱。新车体结构的设计方案见图 3。

图  3  铝合金挤压型材车体结构

Figure  3.  Carbody structure of aluminum alloy

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国产化的铝合金磁浮列车车体采用大型宽幅薄壁挤压双层模压型材拼装而成, 具有以下特点。

(1) 纵向全部为与车体等长的宽幅中空多室横断面挤压型材, 型材间的连结全部是纵向焊缝, 以提高车体结构的疲劳强度、抗脆断和抗应力腐蚀能力。

(2) 横向无立柱和横向梁, 四壁皆为双层模压构件, 内外薄壁板间还有类似桁架斜杆的纵向板结构, 内外薄板间有一定厚度, 具有一定的隔音降噪效果。

(3) 焊缝设计采用搭对接方式, 即台阶伸出作垫板, 另一边插入表面与之形成对接, 保证焊接的质量。

(4) 在底架型材上挤压出安装地板和设备的槽钩, 侧墙、车顶型材也挤压出安装设备的槽钩, 简化了结构和焊接工作量。

为便于对比, 国产化车体结构外形及长、宽、高尺寸与上海磁浮列车头车相同。并对全部采用铝合金挤压型材组成的新车体结构进行有限元静力计算, 分析其强度和刚度。

3.   动力荷载的确定

由于高速磁浮列车中国是首次开展研究, 无技术规范或暂行规定, 如何合理确定由动力荷载^[5]转换后的静力荷载值, 是本次结构强度计算首先要解决的问题。磁浮列车车体结构既承受静力荷载, 又承受动力荷载, 其结构强度应保证在弹性变形范围以内, 属于线性问题范畴, 可以分别计算静力荷载和动力荷载的响应, 然后进行叠加得到总反应。参照轮轨系统列车车体结构设计规范, 提出了作用于高速磁浮列车的载荷及载荷组合工况^[6]。

3.1   列车垂直动力荷载

列车运行时由于轨道不平顺(几何不平顺、弹性变形) 及车厢底部空气动力作用, 导致车体振动而引起垂向、横向动力荷载, 其值需通过随机振动分析得出。因限于条件, 仅根据轨道几何不平顺技术条件^[7] (即“线路几何尺寸误差要求”), 按确定性振动进行了垂向动态响应分析, 得到在标准梁长30.96 m的列车以430 km/h速度运行时的振动响应, 车体结构出现的最大应力值为4.32 MPa, 见图 4^[3]。

图  4  垂直动力荷载下车体结构应力曲线

Figure  4.  Carbody structure stress under vertical dynamic load

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垂直动力荷载产生的最大应力值仅为垂直静力荷载最大应力值67.7 MPa的6.4%。由于引起垂向振动的多种因素未能计入, 进行结构计算时从安全考虑, 按轮轨系统列车取垂直动荷系数为0.3。

3.2   列车运行阻力

随着列车运行速度的提高, 空气阻力在运行总阻力中占的比重不断增大。通过对轮轨系统列车的研究, 列车时速200 km/h时, 空气阻力占总阻力的75%;当列车时速300 km/h时, 空气阻力占总阻力的85%~90%, 曲线及坡道阻力未计入。对于更高运行速度的磁浮列车, 除克服切割悬浮、导向磁场的作用力外, 主要是空气阻力, 其在运行总阻力中所占比重会更大, 因此, 必须考虑列车运行阻力对车体结构强度的影响。本计算中, 将磁浮列车最高运行速度430 km/h的空气阻力作为计算载荷, 头车按头车空气阻力值以压缩载荷作用于头车; 尾车按尾车空气阻力值以拉伸载荷作用于头车。

3.3   列车交会瞬态冲击载荷

列车是在地面上高速运行的长大物体, 在复线上两相对运动列车交会, 当一列车头、尾端经过另一列车时, 将会产生瞬态空气压力波, 分别称之为“头波”和“尾波” (图 5) ^[3], 以冲击载荷的形式作用于两列车交会的一侧。过大的交会空气压力波导致列车横向振动加大^[8], 将危及行车安全, 损坏车体结构和导向磁铁; 车厢气密性不良还会影响旅客舒适性。

图  5  列车交会空气压力波

Figure  5.  Air pressure pulse from two train passing by each other

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列车交会空气压力波是一种瞬态冲击载荷, 沿列车长度方向随时间逐点作用于列车侧面, 对于列车横向稳定性分析应按动态响应处理。由于列车交会时间很短, 车体侧面受到的第一个冲击载荷的影响还未消除, 第二个已经叠加, 因而在静力分析时, 交会空气压力波对车体结构的影响应考虑最危险情况, 将瞬态冲击载荷作为对车体侧面的正、负压荷载计入。根据对磁浮列车交会速度430 km/h时空气压力波实车试验结果, 列车交会冲击荷载的正压幅值取1500 Pa, 负压幅值取1700 Pa。

3.4   计算载荷工况

3.4.1   车体基本载荷

(1) 垂向静载荷。垂直静载荷包括车体自重、载重和设备重量。其中车体自重用材料比重按体积力计入, 载重和车体上部设备重量(共计14 t) 按均布载荷作用在车体底架上, 车体下部设备重量(共计15.5 t) 按均布载荷作用在夹层结构上。

(2) 垂向动载荷=1.3×垂直静载荷。

(3) 列车交会瞬态冲击载荷+1500 Pa。

(4) 列车交会瞬态冲击载荷-1700 Pa。

(5) 头车运行阻力为15 213N (在组合工况中对车体为压缩载荷)。

(6) 尾车运行阻力为32 323N (在组合工况中对车体为拉伸载荷)。

3.4.2   车体载荷组合工况

工况1:载荷(1)。

工况2:载荷(2)。

工况3:载荷(2) + (5)。

工况4:载荷(2) + (6)。

工况5:载荷(2) + (3) + (5)。

工况6:载荷(2) + (4) + (5)。

工况7:载荷(2) + (3) + (6)。

工况8:载荷(2) + (4) + (6)。

4.   国产化车体结构强度分析

4.1   静强度计算结果

工况1~3的最大应力未超过许用应力值。许用应力值按铁道车辆采用的6005A-T6铝型材(壁厚δ≤5 mm) 为136 MPa。工况4~7因考虑了非常规载荷列车交会空气压力波, 最大应力未超过屈服应力225 MPa, 不影响列车运行安全(表 1)。

表  1  八种载荷组合工况下车体的应力

Table  1.  Carbody stress under eight loads series  /MPa

工况	国产化车体		上海磁浮列车车体
	最大应力值	发生部位底架边梁	最大应力值	发生部位底架边梁
1	67.70	第6个支撑处	76.3	第3个支撑处
2	88.27	第6个支撑处	99.2	第3个支撑处
3	88.10	第6个支撑处	94.8	第4个支撑处
4	88.62	第6个支撑处	95.6	第4个支撑处
5	175.80	第1个支撑处	192.3	第1个支撑处
6	93.79	第6个支撑处	100.2	第6个支撑处
7	180.80	第1个支撑处	190.5	第1个支撑处
8	93.93	第6个支撑处	99.7	第6个支撑处

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4.2   模态分析结果

模态分析计算出车体前6阶固有频率见表 2。模态分析中, 国产化车体的一阶固有频率为11.796Hz。满足轮轨系统高速客车的规范中车体第一阶模态频率不得低于10 Hz的要求。

表  2  车体前6阶自振频率

Table  2.  Former six self-vibrancy frequencies of carbody  /Hz

阶次	国产化车体		上海磁浮列车车体
	频率	振型	频率	振型
1	11.796	侧墙一阶横向弯曲	6.6	侧墙一阶横向弯曲
2	12.582	车体点头	7.0	车体点头
3	15.488	车顶一阶扭转	9.6	车体一阶垂向
4	18.760	车体一阶垂向弯曲	10.0	车体局部
5	19.921	车体局部	10.4	车体抬头
6	20.130	车顶一阶扭转	13.3	车顶二阶扭转

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4.3   结果分析

(1) 国产化车体结构的有限元离散模型的质量为8.84 t, 仍轻于上海磁浮列车头车自重9.4 t。

(2) 车体结构静强度计算中, 两种车体结构的应力大小差别不大。如垂向静载荷工况国产化车体的最大应力为67.7 MPa, 上海磁浮列车结果为76.285 MPa。

(3) 模态分析中, 国产化车体的一阶固有频率为11.796 Hz, 上海磁浮列车的一阶固有频率为6.6 Hz。从模态分析理论得知, 一个系统在刚度矩阵不变的条件下, 减小质量, 系统的固有频率增大。但国产化车体在质量减小不大的情况下, 其一阶固有频率大大高于上海磁浮列车, 这似乎看起来与模态理论分析不相符合。

其实不然, 由铝合金挤压型材拼装成的磁浮列车车体结构有限元模型的质量虽然减小得不多, 但改变了车体结构的质量分布, 这样总质量矩阵和刚度矩阵同时改变, 得到了较大的固有频率。此结果表明, 合理设计车体结构, 不但减重, 而且改变结构的固有频率。

(4) 车体结构刚度的增加是否有利于多支点的磁浮列车运行平稳性, 需进一步进行动态分析。

5.   结语

高速磁浮列车车体国产化研究, 基于轮轨系统铝合金挤压型材车体结构研制的基础, 通过对上海磁浮列车产品的探索, 对其性能有了足够的认识, 从而奠定了高速磁浮列车车体国产化的基础。今后如能得到列车运行时磁悬浮力和电磁导向力的变化资料, 按随机振动理论, 建立其变化规律的功率谱密度, 作为产生振动的激扰源, 将车体作为弹性体进行车辆动态响应分析, 这样就能设计出运行品质更为优良的国产化高速磁浮列车车体。