摘 要： 地铁车辆的扶手能起到维持乘客站立平衡和缓解乘客疲劳的作用。 文章结合上海轨道交通 11号线车辆扶手结构，对地铁车辆扶手进行强度分析计算，为扶手设计提供理论依据。

关键词： 地铁车辆； 扶手； 强度分析

 

      立柱扶手杆起到维持乘客站立平衡和缓解乘客疲劳的作用，其结构样式体现车辆特色，布局和形式多种多样。 每条线路车辆的立柱扶手结构和采用的材质都会有所不同，在确定结构样式前需要对其进行强度分析，以验证立柱扶手强度是否能够达到设计要求。上海轨道交通11 号线车辆的侧扶手采用悬臂结构，本文对使用铝合金材质的侧扶手结构进行强度分析。

 

      立柱扶手多采用铝合金管和不锈钢管制成， 其直径一般在32~38 mm 之间， 铝合金管多采用阳极氧化进行表面处理，不锈钢管表面采用拉丝处理。上海轨道交通11 号线车辆的立柱扶手采用的是直径为 38 mm、表面经过阳极氧化的铝合金管。为防止车辆运行过程中产生的摇晃和震动对乘客造成不便，将由于偶然原因产生的危害降到最低，在座椅上方、贯通道两侧、车厢两端都设置了扶手， 并对受力部位最恶劣的座椅侧扶手进行强度分析计算，以确保扶手满足安全要求。

 

      标准UIC 566《车体及车体部件的载荷 》第 2.1.1.2条中规定“扶手纵向、水平和垂直三个方向的载荷大于750 N。 ”

 

      为了确保站立的乘客不干扰座位的乘客， 座椅上方侧扶手设计为弯曲结构。 侧扶手由顶部连接座、 侧扶手弯拉杆、T 型接头和横拉杆 组 成 （见图1）。 横拉杆和侧扶手弯拉杆分别采用直径为32 mm 和 38 mm 的铝合金管，顶部连接座和T 型接头采用铸铝结构。材质的具体参数如表1 所示。

      车辆运行过程中， 侧扶手弯拉杆和顶部连接座在拉应力F_a和剪切应力F_b作用下容易失效，受力情况如图2 所示。

      有限元模型如图3 所示， 模型中忽略了较小的圆角、倒角等细节，忽略这些元素基本不会对所关心的计算结果产生较大影响，但是可以减小计算量。 模型中部件的建立是用CATIA 软件来实现的，而装配、计算及结果处理是通过ABAQUS 有限元软件来实现的。 顶部连接座采用线性六面体单元，侧扶手弯拉杆和横拉杆采用Continue shell 单元，T 型接头采用线性四面体单元。

      由于地铁车辆载客量大，扶手受力情况复杂多样，在上海轨道交通11 号线车辆设计过程中对侧扶手的受力进行模拟实验， 计算载荷考虑 4 种工况：1） 根据UIC 566 标准要求加垂直力 F₁、水平力 F₂和纵向力F₃，大小均为750 N；2）在工况一的基础上，考虑车辆冲击振动情况，设置工况二 F₂=1 470 N，工况三 F₃=1 470 N；3）考虑到车辆满载的情况设置工况四：侧扶手横拉杆组成施加两个900 N 的竖直载荷和 1 300 N/m 的均布载荷。

      连接座与侧扶手弯拉杆、侧扶手弯拉杆与T 型接头、T型接头与横拉杆的连接部位均采用TIE 约束，顶部连接座采用全约束。通过有限元计算与分析，各零件工况一的应力分布情况如图4～图 7 所示。 其中顶部连接座最大应力分布在内孔上边沿处， 侧扶手弯拉杆最大应力分布在与T 型接头接触的位置；T 型接头最大应力分布在与弯拉杆接触的内表面边沿。

      表2 中列出了各种工况各种部件的应力情况 ，并计算出相应的安全系数。从计算结果上看，连接座的安全系数比较小：工况1、 工况 2 和工况 3 中最大的为2.73，在工况 4 仅为 1.02。 侧扶手弯拉杆、T 型接头、横拉杆的安全系数都在2.04 以上，能满足要求，安全性能比较好。

      通过强度分析计算得出以下结论：1）在工况1、2和3 条件下，模型各个部件等效应力低于屈服应力值，结构强度符合设计要求；2）工况4 条件下，顶部连接座底部边缘有小部分应力接近屈服应力值，连接座底部在实际结构中是通过紧固件固定在车体上的，因此，侧扶手结构强度是相对安全的。

 

      立柱扶手是城轨车辆内部结构的重要组成部分，每个项目立柱扶手的造型各异而且材质要求不尽相同， 除了要满足人机工程学要求外还需要充分考虑结构强度，以保证在车辆的任何运行状况下的乘客安全。该项目的立柱扶手采用轻量化的铝合金材质， 在项目前期必须对该结构进行模拟论证计算， 结果表明该项目侧扶手结构能够满足各种复杂工况下的使用要求，而且在运行中得到了充分验证。

 

[1] UIC 566 OR-1993，车体及车体部件的载荷[S]．

[2] 王 超，徐伯初． 地铁车辆内部空间设计研究综述[D]． 四川：西南交[2] 通大学，2007．

[3] 董石羽． 中外地铁列车内空间设计比较研究探议[J]． 装饰，2008（2）．