(1)车辆限界的概念

城市轨道交通车辆的限界限定了车辆与隧道的断面形状与净空尺寸,限定了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。

限界是限定车辆运行及轨道周围构筑物超越的轮廓线。限界分车辆限界、设备限界和建筑限界3种,是工程建设、管线和设备安装位置等必须遵守的依据。规定限界的目的,主要是防止车辆在直线或曲线上运行时与各种建筑物及设备发生接触,以保证车辆安全通行。在设计城市轨道交通车辆时,其横断面的形状和尺寸要与隧道或线路所留出的空间相适应,为此对车辆横断面轮廓尺寸必须有一限制。车辆限界就是一个限制车辆横断面最大允许尺寸的轮廓图形。无论空车或重车直线地段运行时,所有突出和悬挂部分都应容纳在限界之内。因此,车辆限界是车辆在正常运行状态下形成的最大动态包络线。

建筑限界和设备限界是建筑物或设备距轨道中心和轨面所允许的最小尺寸所形成的轮廓。车辆限界与建筑和设备限界之间,必须留出一定的、为确保行车安全所需的空间,这个空间考虑了以下因素：

①车辆制造公差引起的上下、左右方向的偏移或倾斜。

②车辆在名义载荷作用下弹簧受压引起的下沉,以及弹簧由于性能上的误差可能引起的超量偏移或倾斜。

③由于各部分磨耗或永久变形而造成的车辆下沉,特别是左右侧不均匀磨耗或变形而引起的车辆倾斜与偏转。

④由于轮轨之间以及车辆自身各部分存在的横向间隙而造成车辆与线路间可能形成的偏移。

⑤车辆在走行过程中因运动中力的作用而造成车辆相对线路的偏移。它包括曲线区段运行时实际速度与线路超高所要求的运行速度不一致而引起的车体倾斜；以及车辆在振动中也会产生上下、左右各个方向的位移。

⑥线路在列车反复作用下可能产生的变形,包括轨道产生的随机不平顺现象等。

在城市地面下运行的地铁车辆相对于高架与地面上的其他城市轨道交通车辆而言,由于隧道断面直径小、设备安装空间紧凑、轨道曲线半径小、旅客乘坐舒适性高等特点,因此车辆限界和设备限界的要求更高。

(2)限界名词术语

1)基准坐标系

基准坐标系是与线路的纵向中心线相垂直的平面内的一个二维直角坐标,该坐标的第一坐标轴与两根钢轨在名义位置且无磨耗时的顶面相切,第二坐标轴垂直于前者,并与左右两根钢轨的名义位置等距离。

2)偏移及偏移量

在基准坐标系内,车辆横断面上各点,因车辆本身原因或线路原因,在运行中离开原来在基准坐标系中所定义的设计位置称为偏移,偏移以mm为单位称为偏移量。在第一坐标方向的偏移为横向偏移,在第二坐标方向的偏移称为竖向偏移。

3)曲线几何偏移量

车辆在曲线上运行时,线路中心线是曲线,车辆纵向中心线是直线,两者不可能完全重合。车辆纵向中心线上各点在水平投影图上偏移线路中心线的距离称为曲线几何偏移,简称曲线偏移。其中,车辆定距以内的车辆纵向中心线上各点向曲线的内侧偏离称为内侧偏移；车辆定距以外的车辆纵向中心线上各点,向曲线的外侧偏离称为外侧偏移。因此,车辆在竖曲线上产生的曲线偏移也称为竖曲线偏移。

4)计算车辆

认定具有某一横断面轮廓尺寸和水平投影轮廓尺寸及认定结构的车辆在地铁及轻轨线路上运行,并使用该车辆作为确定车辆限界及设备限界尺寸的依据,该车辆称为计算车辆。在地铁及轻轨线路上实际运行的新车和旧车只要符合车辆限界及其纳入限界的校核,就能通行无阻,不必与计算车辆取得一致。

(3)地铁限界

1)地铁车辆限界

地铁车辆限界是基准坐标系中的一个轮廓线,是车辆在正常运行状态下形成的最大动态包络线。车辆及轨道线路各尺寸在具有最不利公差及磨耗时(包括两次维修期间所发生的尺寸偏差)、车辆在运动中处于最不利位置、涉及了由各要素引起的车辆各部位的统计最大偏移后均应容纳在轮廓内。《地铁设计规范》规定了钢轨钢轮、标准轨距系列的地铁限界,包括车辆限界。直线地段车辆限界分为隧道内车辆限界和高架或地面线车辆限界,后者应在前者的基础上,另加当地最大风荷载引起的横向和竖向偏移量。受电弓或受流器限界是车辆限界的组成部分。

我国最早建成的北京地铁车辆横截面尺寸为2650mmX3509mm(宽X高),与莫斯科地铁车辆相仿。1990年以后,为充分利用限界,增加载客量,将车辆截面扩大为“鼓形”,车体最宽处达2800mm。这期间新建的上海地铁采用了与香港地铁相近的大型车体,车体的尺寸达到22000mmX3000mmX3800mm(长X宽X高),这样就有了A型、B型车之分。《地铁设计规范》(GB50157-2003)对两种车型的车辆限界经计算做了新的界定。其中有接触网受电的A型限界(计算车辆车宽3m)、接触轨受电的B1型限界(计算车辆车宽2.8m)和接触网受电的B2型限界(计算车辆车宽2.8m)3类,适用于运行速度不超过100km/h地铁工程。运行速度超过100km/h的地铁工程,亦可参照执行。如图2.19所示是A型车隧道内直线地段车辆轮廓、车辆限界、设备限界图,对应车辆轮廓、车辆限界坐标见表2.8、表2.9.A型车高架或地面直线地段的车辆限界和B1型、B2型车的车辆限界参见《地铁设计规范》(GB50157-2003)。

表2.8　A型车辆轮廓坐标　　单位：mm

注：表中第0～13点是车体上的控制点；第13～15点是转向架上的控制点；第16,17点为车轮踏面上的控制点；第18,19点为轮缘上的控制点；第22,23点为连接在车轴上的齿轮箱点；第20,21,24,25点为连接在转向架构架上的车载信号设备的最低点；第26～29点为信号灯预留位置；第0s,1s,2s,3s,4s点为隧道内受电弓控制点；第0k,1k,2k点是车顶空调器点。

表2.9　A型车辆限界坐标　　单位：mm

续表

2)地铁设备限界

地铁设备限界是基准坐标系中位于车辆限界外的一个轮廓线,是用以限制设备安装的控制线。除另有规定外,建筑物及地面固定设备的任一部分,即使涉及了它们的刚性和柔性运动在内,均不得向内侵入此限界,接触轨限界属于设备限界的辅助限界。A型车(鼓形)隧道内直线地段设备限界如图2.17所示,对应设备坐标见表2.10.

图2.17　A型车(鼓形)隧道内直线地段车辆轮廓、车辆限界、设备限界图

表2.10　A型车辆设备限界坐标　　单位：mm

设备限界和车辆限界之间留有一定的间隙,这个间隙主要作为未涉及因素的安全留量,按照限界制定时的规定某些偏移量计入此间隙。计算车辆曲线上和竖曲线上的曲线偏移也计入这个间隙内,因此,设备限界在水平曲线上需要加宽,在竖曲线上需要加高。

3)地铁建筑限界

地铁建筑限界是基准坐标系中位于设备限界外的一个轮廓线,是在设备限界基础上,考虑了设备和管线安装尺寸之后的最小有效断面。它规定了地下铁道隧道的形状、尺寸、位置,地下车站及站台位置以及地面建筑物(包括接触网支柱、声屏障和站台屏蔽门等)的位置,涉及施工误差、测量误差及结构永久变形在内,任何永久性建筑物均不得向内侵入此限界。建筑限界和设备限界之间的空间应能安排各种电缆线、消防水管及消防栓、动力箱、信号箱及信号灯、照明灯、扩音器、通风管、架空线及其固定设备。地铁建筑限界应理解为建筑物的最小尺寸,比地铁建筑限界大的隧道、高架桥等建筑应认为是符合地铁建筑限界的。

【任务实施】

以如图2.18所示的西安地铁渭河车辆段库内限界检测装置为例进行说明。

图2.18　西安地铁2号线车辆限界门

(1)设备用途及功能

西安地铁车辆段库内限界检测装置是进行西安地铁车辆段车辆限界试验的重要设备,是按车辆轮廓线坐标(含允许制造公差)、线路实际误差、库内限界检测装置制造及安装误差设计车辆轮廓检测装置检测模板的尺寸。西安地铁库内限界检测装置有超限报警功能。列车在AW0载荷条件下,通过调车机车推送以3～5km/h的速度通过库内限界检测装置,车辆轮廓线与检测模板不发生接触,则为合格。车辆轮廓线任意部位与检测装置模板发生接触或碰撞,触动限位开关装置,发出声光指示,提示车辆轮廓超限,对超限部位和超限尺寸作记录并进行整改。整改后的车辆再次通过库内限界检测装置的检测,直到检测合格。

(2)设备的性能与操作

西安地铁库内限界检测装置严格按照《地下铁道设计规范》(GB50157-2003)和西安地铁的车辆轮廓线坐标(含允许制造公差)、线路实际误差、库内限界检测装置设计、制造,符合西安地铁车辆限界图。如图2.19所示,是库内限界检测设备的操作盘。库内限界检测装置采用两侧对称结构,旋臂式框架结构,采用螺栓固定于安装位置,为可拆结构。工作时,检测模板垂直于列车车辆,不工作时,检查测模板与列车车辆平行,方便于其他列车的通行,采用人工转动的方式完成转换,快速夹钳固定。

图2.19　库内限界操作盘与操作机构

设备配置相应的传感器,满足一旦车辆进入通过,便系统开始工作,如有超限就自行发出声光报警。检测模板分为固定板和活动板两部分,活动板边缘镶橡胶条。活动板共分为12块板组成,当车辆轮廓线与任意检测模板发生接触时,相应检测模板产生晃动,触动限位开关装置,发出声光指示,提示车辆轮廓超限。

(3)设备主要技术规格及参数

与轨道垂直的方向　分辨率4mm　测量误差2mm

与地面垂直的方向　分辨率4mm　测量误差2mm