朱剑月 王建 罗湘萍 沈培德 摘 要 结合地铁限界国家行业标准的编制,介绍了标准中隧道内直线段受电弓受流方式A 型车车辆轮廓线的确定以及车辆限界、设备限界和建筑限界的计算方法,开发了基于For2 tran PowerStation 的车辆限界计算程序,降低了限界计算工作强度,提高了工作效率。对不同车辆和隧道结构断面形式,有必要开发参数化和人机交互相结合的限界计算系统。关键词 地铁, 限界标准, 限界计算方法 城市轨道交通限界规定了轨道交通车辆和隧道的断面形状与净空尺寸以及高架与地面建筑物的净空尺寸,同时也规定了设备安装位置及预留空间,是构成城市轨道交通安全运输的基本保证之一,也是城市轨道交通设计的基础[ 1 ] 。相对于高架与地面上车辆,隧道内车辆在城市地下运行,由于隧道断面直径小、设备安装空间紧凑、轨道曲线半径小、旅客乘座舒适性高等特点,给城市轨道交通车辆限界和设备限界提出更高要求。
城市轨道交通限界不仅制约车辆外形尺寸,还关系到诸如隧道等各种建筑物的内部轮廓,对轨道交通系统的建设规模及其投入和产出有重大影响。为确保城市轨道交通限界的统一化、系列化和标准化,由沈培德教授组织有关专家,主持编制了地铁限界国家行业标准[ 1 ] ,以期达到安全适用、经济合理、技术先进的要求。
1 A 型车计算车辆轮廓线和车辆限界计算用参数的确定
目前我国地下铁道使用A 型车较多。最早使用A 型车的是上海地铁1 号线,其次为广州地铁1 号线。已决定使用A 型车的有深圳和南京轨道交通线。由于上海地铁和广州地铁线上A 型车已运行多年,因此计算车辆轮廓线以上海车和广州车为基础,参照深圳车和南京车而确定,并考虑了车体侧灯布置(如图1 及表1 所示) 。另外,A 型车车辆限界计算用参数以能包络以上各车型为前提,经过仔细斟酌而确定。
图1 A 型车(车宽3m) 计算车辆轮廓线
2 城市轨道交通车辆限界计算
以前车辆限界计算采用国际联盟颁布的U IC 505 国际标准。该标准是用于跨国界铁路运输的国际标准,其车辆限界计算是基于车辆基准轮廓线,在此基础上计算出动态包络线,再推算出设备限界。该标准中车辆限界计算考虑的因素较少,不能完全满足城市轨道交通发展要求[2 ] 。因而德国于1997 年颁布了适用于城市轨道交通的Bostrab 国家标准。该标准中车辆限界直接由车辆制造轮廓线计算得出,考虑了从轨枕到车辆顶部可能的全部偏移,在线路和车辆得到正常维修保养的前提下,无需考虑安全距离。德国Bostrab 标准计算方法比U IC 国际标准更适合轨道交通,更能适用于城市轨道交通车辆限界的确定[2 ] 。
基于以上两种标准,参照文献[ 3 ,4 ] , 确定了适合我国轨道交通建设和车辆运营实际情况的限界计算方法。
2. 1 车辆限界计算原则
1) 限界是确定行车轨道周围构筑物净空的大小,以及管线和设备安装相互位置的依据,是专业间共同遵守的技术规定,应经济、合理、安全可靠。
2) 限界应依据车辆的轮廓尺寸和技术参数、轨道特性、受电方式、施工方法、设备安装等综合因素进行分析计算确定。
3) 车辆限界的计算是以平直线上混凝土整体道床和碎石道床的线路为基本条件,根据隧道内及地面运行环境不同,分为隧道内和高架线(含地面线) 车辆限界两种基本类型。
4) 曲线地段不同于上述两种情况,增加的附加因素是在设备限界内考虑加宽与加高。
5) 车辆限界的计算要素(偏移量),按其概率性质统一分为两大类,即随机因素和非随机因素。对于非随机因素按线性相加合成,而对随机因素按高斯概率分布采取均方值合成。将以上两大类相加形成车辆的动态偏移量。
6) 所有倾侧角度引起的偏移量合成后其大小受限于车辆结构上的竖向止挡。横向位移量和竖向位移量大小受限于车辆结构上的横向止挡及竖向止挡。
7) 对于隧道内平直线、高架线(含地面线) 两类车辆限界均采用统一的计算公式。计算操作时应根据不同类别情况合理选用不同的计算参数。
8) 车辆限界偏移量计算划分为车体、转向架、受电弓(三轨受流器) 等三部分分别计算。
9) 车辆限界一经制定,属限界标准中重要的部分。车辆运行安全与否,必须根据本计算方法的基本规定进行计算,确定车辆动态包络线是否超越车辆限界为准。
10) 本计算方法中涉及到的计算车辆轮廓线及计算参数仅供限界制定时使用,并非对车辆规格和参数作强制性规定。实际制造的车辆应以实际参数按本计算的基本规定验算是否符合车辆限界。
2. 2 车辆限界的计算要素
1) 车辆的制造误差;
2) 车辆的维修限度;
3) 转向架轮对处于轨道上的最不利运行位置;
4) 轮对相对于构架的横向振动量;
5) 转向架构架相对于车体的横向位移量;
6) 车辆的空重车挠度差及垂向位移量;
7) 轨道线路的几何偏差(含维修限度);
8) 一系悬挂侧滚位移量;
9) 二系悬挂侧滚位移量;
10) 因车辆制造、载荷不对称、轨道水平不平顺等引起的偏斜。
2. 3 车辆限界、设备限界及建筑限界的计算方法
以确定的计算车辆轮廓线控制点坐标为基础, 计及上述各计算要素,制定出公式分别计算其横向和垂向位移;将轮廓线控制点坐标加上(或减去) 对应点的缩减量值, 即可得到车辆限界控制点坐标[ 3 ,4 ] 。车体侧部车辆限界加宽50 mm , 考虑了将来鼓形车的发展需要。由于车体运动时可能向左侧滚或向右侧滚,故应对两种工况分别计算,取结果大者为最终车辆限界。如第6 点轮廓线坐标为(1 365 ,3 416) ,当车体横向偏移和车体倾角产生的横向偏移方向相同时,计算得其横向偏移量为134 mm , 竖向向上偏移量为-2mm , 故得车辆限界坐标为(1 499 ,3 414) ;当车体横向偏移和车体倾角产生的横向偏移方向相反时,其横向偏移量为-4 mm , 竖向向上偏移量为60 mm , 得车辆限界坐标为(1 361 ,3 476) 。由于第一工况产生限界能包络后者,故取前者为该点最终车辆限界。车辆限界计算较复杂,计算工作量相当大,因此,计算时可将各公式利用Fortran PowerStation 编制成程序,运行后直接输出轮廓线控制点及车辆限界控制点坐标值。程序运行流程如图2 所示。
设备限界与车辆限界之间,应留安全间距。直线地段安全间距的大小为15～100 mm 。其中:车体上肩部横向间距为100 mm ; 车体下部横向间距
图2 车辆限界计算程序运行流程图 为50 mm ; 车体顶部与底部间距为50 mm ; 车下悬挂物以下间距为50 mm ; 转向架部分横向及竖向间距为15～30 mm ; 站台边缘应留大于10 mm 的间距[ 5 ] 。计算得隧道内直线地段A 型车车辆限界及设备限界如图3 及表2 、表3 所示。
图3 A 型车隧道内直线地段车辆限界与设备限界
水平曲线和竖曲线区间的设备限界应在直线设备限界的基础上加宽和加高,其加宽和加高量亦按制定的统一公式计算[1 ] 。计算时需注意车体横向加宽和过超高(或欠超高) 的偏移方向。如第6 点隧道内直线地段设备限界坐标为(1 570 ,3 452) ,当车体横向加宽和过超高(或欠超高) 的偏移方向相同时,计算得其横向偏移量为188 mm , 竖向向上偏移量为-43 mm , 得曲线地段设备限界坐标为(1 758 , 3 409) ;当车体横向加宽和过超高(或欠超高) 的偏移方向相反时,计算得其横向偏移量为40 mm , 竖向向上偏移量为43 mm , 得曲线地段设备限界坐标为(1 610 ,3 495) 。由于前者产生限界已包络后者, 故取第一工况为该点曲线地段最终设备限界。
建筑限界与设备限界之间的空间,应充分考虑设备和管线安装所需的尺寸,并预留可能产生的安装误差和变形20～50 mm 。无论有无设备安装,其最小间距不小于200 mm[1 ] 。
表1 A 型车(隧道内直线) 车辆限界坐标值 m m
注:第0s″,1s″,2s″,3s″,4s″点为隧道内受电弓设备限界坐标值.
3 结语
城市轨道交通限界计算所涵盖的内容相当宽泛,所需知识面也很广。由于国内外限界计算的方法很多,采用不同的计算方法得到的计算结果将完全不同。目前,我国城市轨道交通在限界的设计和计算方法方面,尚无统一标准[6 ] 。为适应我国城市轨道交通建设的发展,合理控制车辆通行的有效净空断面,降低工程造价,以及保障车辆的安全运行, 制定了适合我国国情的地铁限界标准。
本文结合地铁限界国家行业标准的编制,对标准中隧道内直线段受电弓受流方式A 型车车辆轮廓线的确定以及车辆限界、设备限界和建筑限界的计算方法作了简单介绍;并利用Fortran PowerSta2 tion 编程计算降低了限界计算工作强度,但限界图形还不能自动生成。由于将来各个城市轨道交通采用的车辆不尽相同,隧道结构断面的形式也多种多样,另外不同半径曲线和不同号数道岔的限界也不相同,因此,有必要开发参数化和人机交互相结合的限界计算系统[ 7 ,8 ] 。该系统各功能模块均由设计计算模块和绘图模块组成,计算模块完成设计计算工作,绘图模块利用AutoCAD 绘图支撑软件自动生成图形,以减少设计人员繁琐劳动,提高工作效率。
参考文献1 沈培德,沈景炎,倪 昌. 地铁限界标准. 上海:同济大学,2003
2 吴俊泉. 广州地铁1 号线车辆和隧道设备限界的确定. 城市轨道交通研究,2000(3) :41～44
3 罗湘萍. 全动态包络线地铁车辆限界研究. 铁道车辆,1997(9) :38 ～42
4 张定贤,范德明. 北京地铁限界研究. 上海:上海铁道学院,1988
5 陈钟麟. 地铁限界的制定与测试. 地下工程与隧道,1995(3) :26～ 30
6 王永宁,刘志义. 城市轨道交通建设的标准化问题. 城市轨道交通研究,2000(2) :12～13
7 徐博铭,周奇才. 地铁限界标准设计校核的CAD 系统研究. 上海铁道大学学报,1998(10) :84～87
8 施仲衡. 地下铁道设计与施工. 西安:陕西科学技术出版社,1997
9 罗湘萍,沈培德. 城市轨道交通车辆限界计算方法研究. 城市轨道