劉爍埼，李 科，袁艷萍，陳中杰，李 楊

(中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

隨著城市軌道交通的發(fā)展，越來越多的城市開展地鐵工程的建設(shè)以及地鐵車輛的運用，而地鐵限界是保障車輛運行安全的重要一環(huán)，對整個車輛設(shè)計與工程建設(shè)都具有重要意義。原《地鐵限界標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ96-2003)已用于指導(dǎo)國內(nèi)地鐵限界設(shè)計長達(dá)15年，為國內(nèi)地鐵工程建設(shè)提供有力的指導(dǎo)。為了適應(yīng)地鐵多樣性發(fā)展，《地鐵限界標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ/T96-2018)已發(fā)布實施，用以替代原《地鐵限界標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ96-2003)。因目前大部分城市已運營線路的地鐵限界均采用2003版標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行指導(dǎo)設(shè)計，對于目前既有運營線路車輛的增購或線路的延長改造項目，須考慮增購車輛對既有線限界的適應(yīng)性或延長線與既有線路的貫通運營。因此，從車輛設(shè)計角度開展對2018版與2003版《地鐵限界標(biāo)準(zhǔn)》的對比，分析其對車輛限界計算所產(chǎn)生的影響，顯得十分必要。

1 地鐵限界標(biāo)準(zhǔn)對比分析

本文從基本定義、輸入條件、計算公式等方面進(jìn)行地鐵限界標(biāo)準(zhǔn)的對比分析?！兜罔F限界標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ96-2003)在本文中簡稱為03版標(biāo)準(zhǔn)，《地鐵限界標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ/T96-2018)在本文中簡稱為18版標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 基本定義分析

18版標(biāo)準(zhǔn)與03版標(biāo)準(zhǔn)的定義對比如表1所示。18版標(biāo)準(zhǔn)較03版標(biāo)準(zhǔn)在基本定義中的最大不同點在于明確了車輛限界是考慮在最高運行速度基礎(chǔ)上再附加10% 瞬時超速和懸掛故障因素產(chǎn)生的偏移量所形成的一種動態(tài)包絡(luò)線，其充分考慮了現(xiàn)有地鐵線路運行的實際狀況。03版標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備限界至車輛限界之間放置一系或二系懸掛故障因素，通?？刂栖囕v設(shè)計采用的是車輛限界，存在無法控制車輛懸掛故障帶來的侵限風(fēng)險；18版標(biāo)準(zhǔn)將一系或二系懸掛故障包含在車輛限界中考慮，將控制車輛懸掛故障帶來的侵限風(fēng)險，對車輛懸掛故障實施有效的限界控制。18版標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間車輛限界由于定義的工況涵蓋了瞬時超速及懸掛故障，相比03版標(biāo)準(zhǔn)，車輛限界將擴(kuò)大。

表1 各類限界定義對比表

1.2 規(guī)定的輸入條件

1.2.1 車輛限界輸入條件

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)定義分析，18版標(biāo)準(zhǔn)與03版標(biāo)準(zhǔn)在車輛限界輸入條件上的主要區(qū)別有以下幾點。

1)18版標(biāo)準(zhǔn)的車輛限界兼顧了3種區(qū)間最高速度等級80 km/h、100 km/h、120 km/h及8輛編組停站進(jìn)出站端最高速度70 km/h的廣域性，按運行區(qū)域不同，分區(qū)間車輛限界和車站計算站臺長度范圍內(nèi)附加車輛限界。而03版只針對單一的最高運行速度80 km/h，并且未考慮車站速度的特殊性及區(qū)間的瞬時超速，并且03版標(biāo)準(zhǔn)車輛限界按運行區(qū)間不同分為隧道內(nèi)與高架(地面)工況。

2)18版標(biāo)準(zhǔn)中對區(qū)間與車站計算站臺長度范圍內(nèi)的計算工況進(jìn)行明確規(guī)定，要求應(yīng)考慮一系或二系懸掛故障及最大允許運行側(cè)風(fēng)風(fēng)壓、車輛線路停放疊加地區(qū)實際線路強(qiáng)側(cè)風(fēng)；站臺區(qū)域?qū)τ谌T車輛須考慮停站開門工況，而03版標(biāo)準(zhǔn)車輛限界只考慮車輛區(qū)間的正常工況，且無車站計算站臺長度范圍內(nèi)附加車輛限界特殊工況的約定。

3)根據(jù)車輛限界定義以及規(guī)定，18版標(biāo)準(zhǔn)車輛限界的計算要素增加懸掛故障、隧道外側(cè)風(fēng)及曲線加寬校驗補償量，03版標(biāo)準(zhǔn)未有明確說明。18版標(biāo)準(zhǔn)車輛限界規(guī)定中考慮了03版標(biāo)準(zhǔn)未提及的車輛懸掛止擋對偏移量的限制作用。

4)18版標(biāo)準(zhǔn)將車輛偏移量的計算分為區(qū)間與車站計算站臺區(qū)域，并明確提出車站計算站臺長度范圍內(nèi)附加車輛限界的偏移量應(yīng)以車體與站臺及屏蔽門存在的相對位置關(guān)系的部分進(jìn)行計算，對03版標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行完善與補充。

從整體上看，18版標(biāo)準(zhǔn)車輛限界的輸入條件的規(guī)定相比03版標(biāo)準(zhǔn)而言，考慮的影響因素更為全面，對于03版標(biāo)準(zhǔn)中未能正確處理的內(nèi)容進(jìn)行了補充，具體內(nèi)容的解釋也更為詳細(xì)，適用范圍更為廣泛。從局部看，輸入條件的變化會直接影響計算過程(參數(shù)、公式)與計算輸出。

1.2.2 設(shè)備限界輸入條件

18版標(biāo)準(zhǔn)已將懸掛故障工況納入車輛限界內(nèi)考慮，此時車輛限界與設(shè)備限界之間的安全間距僅為安全余量，則在安全間距取值上比03版標(biāo)準(zhǔn)小，故兩版標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備限界輪廓基本相當(dāng)。對于曲線地段的設(shè)備限界應(yīng)在直線地段設(shè)備限界的基礎(chǔ)上進(jìn)行加寬、加高；相比03版標(biāo)準(zhǔn)加寬、加高計算時所需考慮的曲線幾何偏移、超高與欠超高因素、曲線軌道參數(shù)及車輛參數(shù)變化，18版標(biāo)準(zhǔn)所考慮的因素為曲線幾何偏移、曲線軌道參數(shù)變化，可見18版標(biāo)準(zhǔn)對于設(shè)備限界加寬與加高的計算減少了與車輛具體設(shè)計參數(shù)的關(guān)聯(lián)，更符合工程設(shè)計施工的實際情況。

1.3 計算公式對比

通過對18版標(biāo)準(zhǔn)與03版標(biāo)準(zhǔn)中計算公式的對比，分析計算過程中相關(guān)定義以及輸入條件的具體表達(dá)?，F(xiàn)以車體的橫向與豎向向上偏移量計算以及站臺區(qū)域計算公式為例進(jìn)行說明，其余部分計算公式可參照分析，計算參數(shù)的定義詳見標(biāo)準(zhǔn)說明。

1.3.1 區(qū)間運行偏移量計算公式對比

1)車體橫向偏移量計算。當(dāng)車體橫向平移與車體傾角所產(chǎn)生的橫向偏移方向相同時，18版標(biāo)準(zhǔn)計算公式如下：

03版標(biāo)準(zhǔn)計算公式如下：

2)車體豎向的偏移量計算。18版標(biāo)準(zhǔn)計算公式如下：

03版標(biāo)準(zhǔn)計算公式：

由以上偏移量計算公式對比分析可知，18版標(biāo)準(zhǔn)相較03版標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于區(qū)間各部分偏移量的計算中有以下幾點變化。

3)計算參數(shù)的增加。在車體與構(gòu)架豎向偏移計算中均增加因懸掛故障而引起的各部分橫向/豎向偏移量的影響參數(shù)ΔXt-xgpx、ΔXB-xgpx、ΔYB-xgpx1、ΔYB-xgpx2、ΔYt-xgpx1(由于懸掛故障引起的橫向/豎向偏移)，考慮由于曲線幾何偏移所導(dǎo)致車輛加寬量超出標(biāo)準(zhǔn)加寬量的情況，超出部分須作為偏移的補償量考慮，計算公式中引入曲線加寬校驗補償量ΔX′。

1.3.2 站臺區(qū)域車輛限界偏移量的計算

1)過站附加車輛限界橫向偏移量計算公式如下：

2)停站開門附加車輛限界偏移量計算公式如下：

由區(qū)間與站臺區(qū)域的橫向偏移量計算公式對比可知：與在區(qū)間按最高速度并附帶10%的瞬時超速時車輛的臨界穩(wěn)定狀態(tài)相比，過站時按規(guī)定的速度運行，此時車輛處于隨機(jī)穩(wěn)定狀態(tài)，即將一系與二系彈簧的影響進(jìn)行均方根值合成。

出于對站臺與車輛輪廓之間間隙的控制，以及實際項目執(zhí)行時車輛在停站開門過程中的實際對中狀態(tài)，18版標(biāo)準(zhǔn)不考慮車輛處于最不利位置對車輛橫向偏移的放大作用。

2 差異對比總結(jié)

通過從基本定義、輸入條件、計算公式(含參數(shù))等方面對18版標(biāo)準(zhǔn)與03版標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了對比分析，18版標(biāo)準(zhǔn)較03版標(biāo)準(zhǔn)在以下方面有所改變。

1)適用范圍更廣。其基本定義中的車輛限界兼顧了3種區(qū)間最高速度等級80 km/h、100 km/h、120 km/h及8輛編組停站進(jìn)出站端最高速度70 km/h的廣域性，按運行區(qū)域不同，分區(qū)間車輛限界和車站計算站臺長度范圍內(nèi)附加車輛限界，且18版標(biāo)準(zhǔn)適用車型更廣，特別是引入鼓型車，并對其限界的確定進(jìn)行了說明，適應(yīng)了城市軌道交通建設(shè)發(fā)展多樣性的趨勢。

2)補充完善了車輛限界適應(yīng)工況。在18版標(biāo)準(zhǔn)中考慮了區(qū)間實際運行中的瞬時超速及過站運行，將一系、二系懸掛故障包含在車輛限界中考慮，從而對車輛懸掛故障實施有效的限界控制；增加車站計算站臺長度范圍內(nèi)的附加車輛限界相關(guān)特殊工況的約定。

3)對參數(shù)的細(xì)化及計算公式進(jìn)行了優(yōu)化?？紤]到各參數(shù)對于偏移量實際產(chǎn)生的影響，18版標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了細(xì)化，如本文所提到的重力傾角附加系數(shù)S細(xì)化為只含一系影響的S1以及只含二系影響的S2，以及前文所述的部分隨機(jī)變量與非隨機(jī)變量之間的調(diào)整，由于標(biāo)準(zhǔn)定義及限界計算所規(guī)定的計及因素的增加引入新參數(shù)，使整個限界計算過程更完整，計算公式更符合車輛運行實際狀態(tài)。

4)對03版標(biāo)準(zhǔn)中未說明處理的問題進(jìn)行了補充。18版標(biāo)準(zhǔn)增加了對車站計算站臺長度范圍內(nèi)計算工況的說明，對上版未處理的車輛懸掛止擋對偏移量的限制作用，18版標(biāo)準(zhǔn)中也進(jìn)行了補充，從整體上看其在計算工況方面的說明較03版標(biāo)準(zhǔn)也更為詳細(xì)具體。

3 實踐應(yīng)用分析

根據(jù)以上所述兩版標(biāo)準(zhǔn)的差異與變化，對于車輛設(shè)計而言，18版標(biāo)準(zhǔn)由于考慮了車輛懸掛止擋對于偏移量的限制作用，通過計算分析實現(xiàn)了原03版標(biāo)準(zhǔn)隧道與地面/高架車輛限界的統(tǒng)一，更有助于外部接口的一致性以及工程施工的便利性。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)相互適應(yīng)性說明

由于18版標(biāo)準(zhǔn)與03版標(biāo)準(zhǔn)對車輛限界定義的不同，03版標(biāo)準(zhǔn)將故障工況包含在設(shè)備限界中考慮，而18版標(biāo)準(zhǔn)則定義其包含于車輛限界中，這必然將使18版標(biāo)準(zhǔn)車輛限界輪廓將大于03版標(biāo)準(zhǔn)車輛限界輪廓，兩版標(biāo)準(zhǔn)中車輛限界框?qū)Ρ热鐖D1所示。對于采用03版標(biāo)準(zhǔn)的既有線或延長線項目的車輛設(shè)計而言，若采用18版標(biāo)準(zhǔn)則存在超既有線車輛限界的情況。為解決由于新舊標(biāo)準(zhǔn)定義的差異所引出的新老車輛限界符合性矛盾，通常的處理方法有兩種：①車輛設(shè)計繼續(xù)沿用與既有線相同的限界標(biāo)準(zhǔn)。②若需要采用18版標(biāo)準(zhǔn)，則根據(jù)18版標(biāo)準(zhǔn)定義，設(shè)計車輛故障工況下動態(tài)包絡(luò)線與既有線設(shè)備限界進(jìn)行校核，且其計算結(jié)果與既有線設(shè)備限界之間的安全余量一般須滿足18版標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的間距要求。

圖1 兩版《地鐵限界標(biāo)準(zhǔn)》車輛限界框?qū)Ρ?/p>

3.2 計算運用分析

對于具體限界計算而言，采用18版標(biāo)準(zhǔn)計算須注意以下幾點：①鼓型車限界的等量擴(kuò)寬處理：由于18版標(biāo)準(zhǔn)中未包含鼓型車限界，須根據(jù)鼓型車輛的輪廓基于標(biāo)準(zhǔn)限界對局部鼓點處進(jìn)行等量擴(kuò)寬處理。②車輛懸掛止擋限制作用的判斷：根據(jù)具體的工況初步核實止擋位置處的位移以判斷是否止擋接觸，以充分考慮車輛自身結(jié)構(gòu)對偏移量的限制作用。③對于一系、二系橫向彈性變形量的合理取值：可根據(jù)簧系的特性以及車輛的受力(風(fēng)壓以及橫向振動加速度所產(chǎn)生的橫向力)理論計算出各工況下一、二系的橫向位移量，并可結(jié)合建模開展動力學(xué)仿真求得相關(guān)值進(jìn)行參考，進(jìn)一步保證取值的安全性，后續(xù)可通過實際線路的動力學(xué)試驗以及動態(tài)限界試驗進(jìn)一步驗證，以掌握車輛的實際運行狀態(tài)，并儲備相關(guān)數(shù)據(jù)以供類似項目借鑒。④站臺區(qū)域車輛計算部分的確定：站臺區(qū)域的計算主要校核車輛與站臺以及屏蔽門的相對位置關(guān)系，計算輪廓主要為車門或車輛側(cè)墻部分，其余部分一般按區(qū)間考慮，具體可根據(jù)計算工況需要選取確定。

4 結(jié)語

本文通過從基本定義、輸入條件、計算公式(含參數(shù))等方面對18版標(biāo)準(zhǔn)與03版標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了對比分析，得到了18版標(biāo)準(zhǔn)較03版標(biāo)準(zhǔn)對車型的適用性更廣、計算工況考慮因素更全面、計算參數(shù)與公式設(shè)置更合理的結(jié)論。并結(jié)合18版標(biāo)準(zhǔn)在具體執(zhí)行項目的實踐運用，對18版標(biāo)準(zhǔn)實際運用時的注意項點進(jìn)行了說明。經(jīng)過具體執(zhí)行項目驗證，18版標(biāo)準(zhǔn)的運用從車輛限界的角度實現(xiàn)了對車輛故障工況以及站臺處間隙的有效控制，后續(xù)將繼續(xù)通過項目運用對18版標(biāo)準(zhǔn)的使用情況進(jìn)行跟蹤檢驗。