伊茲密爾輕軌六軸低地板車輛的車端跨接方案確定與跨接線纜長度選取方法

王 利 董 浩 王 琳 楊申森 劉 康

(中車唐山機車車輛有限公司，063035，唐山//第一作者，工程師)

車端跨接系統是城市軌道交通車輛編組實現電氣連接的重要部件,其功能主要是為了實現列車供電電路、控制信號及通信信號的連接。跨接線纜的曲線通過能力對車輛的安全運營起著至關重要的作用。因此,跨接線纜的安裝方案及長度計算成為了車端跨接系統設計的重要一環。本文以伊茲密爾輕軌六軸低地板車輛為例,對其車端跨接方案與跨接線纜長度的選取進行了分析。

1 車端跨接線纜使用壽命分析

車端跨接線纜的安裝形式及長度計算主要依托兩個必要條件：①不論車輛處于何種狀態，跨接線纜的最低點不應超過車輛限界;②跨接線纜之間距離較穩定，不會產生相互之間的摩擦。

車輛在運行過程中，隨著線路曲線的變化，車端跨接線纜被動地進行伸展和收縮運動，因此跨接線纜的復雜受力運動情況成為影響跨接線纜使用壽命的重要因素[2]。

在車輛停放靜止狀態下，取電纜上的任意一點O進行受力分析(見圖1),該點所受力分別為P、T、G。其中，G表示線纜重力;P、T分別沿線纜軸線切線方向，設P、T與水平線的角度分別為α、β。

因車端跨接線纜是靜止的，處于平衡狀態，則：

在線纜上取最低點和固定點兩個有代表性的區域進行分析。在跨接線纜的最低點位置，P與T近似為水平方向，兩者方向相反，且與G達到平衡狀態。因此處的平衡狀態可維持不變，故其受力對線纜的疲勞壽命影響可以忽略。

圖1 電纜靜止時的受力分析圖

在跨接線纜的固定點位置，線纜除受到P、T與G之外,還受到線纜固定接頭的鎖緊力，該鎖緊力垂直于線纜軸線方向。因此,在固定跨接線纜時，通常應保持線纜的軸線與線纜固定處的平面垂直，并保證線纜在固定點附近只受到線纜自身重力引起的彎曲應力，而未受到固定點施加的額外應力。

當車輛處于停放靜止狀態時，線纜緊固接頭的固定面與線纜整體軸線垂直，線纜固定點附近不會受到額外的應力，也不會造成線纜固定點附近的線纜形變。因此,線纜緊固接頭的鎖緊力不會對線纜的疲勞壽命造成影響。

當車輛處于運行狀態時，在線纜的固定點附近，線纜會受到因車輛運動而造成的額外拉應力和壓應力。這兩種應力的大小和方向隨著車輛的運動而時刻變化。因此,線纜固定點附近的線纜也會因此而發生形變，這對線纜的疲勞壽命影響很大。

由上可知，當跨接電纜的長度及安裝方式能滿足線纜兩端固定點間距離為最大或最小時，線纜固定點附近受到的額外彎曲應力仍然很小，甚至近似為零，這樣可以極大提高跨接線纜的使用壽命。因此，跨接線纜的長度及安裝方式的設計出發點是在線纜兩端固定點的距離為最大或最小時，線纜固定點附近受到的額外彎曲應力仍然很小，甚至近似為零。

2 車輛的車端跨接方案確定及跨接線纜長度選取方法

伊茲密爾輕軌六軸低地板車輛與傳統的地鐵A、B型車輛在車輛結構方面存在諸多差異。不同車型車端跨接系統的參數對比如表1所示。

表1 不同車型車端跨接系統的參數對比表

2.1 確定車端跨接方案

由表1可知，伊茲密爾六軸低地板車輛的車端間距比傳統地鐵的A型車和B型車要大，且曲線通過半徑比傳統地鐵的A型車和B型車都要小,因此傳統的車端跨接模式不能滿足六軸低地板車輛的通過需求。伊茲密爾六軸低地板車輛的車端跨接方案采取的措施如下:在車輛端部設置車端箱，吊裝在底架上，內設端子排；在車鉤的鉤頭部分設置特殊的跨接支架，跨接支架上固定連接器插座；連接器的插頭采用線纜連接到另一車輛的車端箱中,以此來實現跨接。

2.2 車輛工況模擬

模擬計算跨接線纜長度時,不需要考慮車輛偏移的影響，即在直線區段，設置車體的中心線與線路中心線重合；在曲線區段，設置車輛的心盤點在線路的中心線上。兩相鄰端車輛的車鉤在任何線路狀態下始終保持一條直線。以跨接線纜SC1為例(該線纜固定點距離車體縱向中心線830 mm，距離車體端墻20 mm，距離軌面630 mm)，采用該線纜來模擬車輛通過曲線時線纜固定點間的距離變化，并對其拉伸和壓縮狀態進行分析。通過分析,得到以下結論:

2.2.1 車輛位于直線上

當車輛位于直線上時，線纜SC1固定點間的距離為599 mm。根據車鉤結構設計，單側車鉤的緩沖器最大壓縮長度為55 mm，最大拉伸長度為40 mm;線纜固定點間的最大距離為636 mm，最小距離為548 mm。

2.2.2 車輛通過R=30 m的圓曲線

圖2為車鉤處于未壓縮與未拉伸狀態時，車輛在R=30 m的圓曲線上的幾何狀態圖。通過該圖可測量線纜固定點間的距離變化。

由圖2可知，線纜SC1固定點間最近的距離為371 mm，最遠的距離為834 mm。根據車鉤緩沖器的伸縮量進行曲線模擬，可得到表2。

表2 車輛通過R=30 m圓曲線時線纜SC1固定點間的距離

2.2.3 車輛由直線進入R=30 m的圓曲線

圖3為車鉤處于未壓縮與未拉伸狀態時，車輛由直線進入R=30 m圓曲線的幾何狀態圖。根據以上的曲線模擬方法，得到表3。

尺寸單位:mm

圖2 車鉤處于不壓不拉狀態時車輛在R=30 m圓曲線上的幾何狀態圖

尺寸單位:mm

圖3 車鉤處于不壓不拉狀態時車輛由直線進入R=30 m圓曲線的幾何狀態圖

表3 車輛由直線進入R=30 m圓曲線時線纜SC1固定點間的距離

通過以上對車輛不同工況的模擬可以看出,線纜SC1固定點間最近端的最小距離為179 mm，線纜固定點間最遠端的最大距離為1 047 mm。因此若這兩種情況下的跨接線纜長度能滿足車輛運行要求，則其他情況均可滿足，因此只需要計算這兩種極限情況下的跨接線纜長度即可。

2.3 跨接線纜長度選取方法

線纜SC1固定點配件的一端使用M25的電纜接頭固定在車端箱上，另一端連接到固定在車鉤支架上的連接器上。連接器端接頭使用消除應力接頭，線纜的最小彎曲半徑按其直徑的5倍(60 mm)進行計算。

跨接線纜長度計算的基本原則是：線纜中心軸線與金屬接頭中心線相切，線纜固定點間的相對距離最近時，將線纜達到最小彎曲半徑作為計算條件，并以線纜彎曲最低點不超過最小安全距軌高度作為限制條件；線纜固定點間的相對距離最遠時，線纜不因過短而產生拉伸受力。在車輛由直線進入曲線的過程中，跨接線纜固定點間的最小距離為179 mm。圖4為跨接線纜彎曲模擬計算圖。由圖4 a)可知，跨接線纜長度可近似由3段弧長加2段直線段組成。經計算，工況1下的線纜長度為1 051 mm,線纜固定點間最遠端的最大距離1 047 mm,該長度小于1 051 mm，由此可知跨接線纜長度滿足該工況的要求。

根據前文分析，當線纜兩端固定點間的距離為最大或最小時，為了盡量減小線纜固定點附近受到的額外彎曲應力，線纜的固定接頭需向軌面方向傾斜，傾斜角度根據線纜變換幅度來確定。圖4中測得電纜的變化幅度夾角約為70°，工程設計中，該變化幅度夾角取一半，使線纜兩端固定點間的距離為最大或最小時，線纜的變化幅度一致，受力形變均衡，如圖4 b)所示，此處忽略線纜固定點的變化對線纜最低點的影響。

經計算，工況2下的線纜長度約為1 026 mm,該長度小于1 047 mm,由此可知跨接線纜長度不滿足該工況的要求。因此將線纜SC1的固定高度調整為630 mm，如圖4 c)所示。經計算,工況3下的跨接線纜長度約為1 056 mm,該長度小于1 047 mm，由此可知跨接線纜長度滿足該工況的要求。在方案確定后，在車端箱內對線纜保留適當余量，再根據車輛小曲線試驗進行調整，最終確定跨接線纜的安裝長度為1 070 mm±10 mm。

單位:mm

圖4 跨接線纜彎曲模擬計算圖

3 結論

對車端跨接線纜的使用壽命進行了分析，根據跨接線纜的變化特點，以及伊茲密爾輕軌特有的線路條件，提出了六軸低地板車輛的車端跨接方案，為低地板車輛的車端跨接設計提供了方向。通過車輛運行工況模擬，闡述了在工程設計中跨接線纜長度的計算方法，得出跨接線纜的理論長度。在設計階段，對跨接線纜的長度進行了理論計算，對跨接系統的方案設計和車輛的型式試驗都有指導意義。伊茲密爾輕軌六軸低地板車輛車端跨接系統已經通過列車小半徑曲線試驗驗證，且滿足15 km/h的速度通過車輛段內30 m小半徑曲線的要求，目前已經在伊茲密爾輕軌項目裝車應用。