輕軌列車用緩沖器動(dòng)態(tài)阻抗特性研究

王玉梅， 揭長(zhǎng)安， 張艷杰， 馬衛(wèi)華

(1.天津機(jī)輛軌道交通裝備公司，天津300232;2.西南交通大學(xué)機(jī)車車輛研究所，四川成都610031)

0 前言

車輛動(dòng)力仿真在設(shè)計(jì)階段可以預(yù)測(cè)車輛運(yùn)行性能，進(jìn)行方案篩選和優(yōu)化參數(shù)，同樣可以研究所采用的零部件對(duì)車輛各項(xiàng)運(yùn)行性能的影響和優(yōu)化車輛性能，現(xiàn)利用車輛縱向動(dòng)力學(xué)方法分析緩沖器的動(dòng)態(tài)阻抗特性對(duì)車體縱向沖動(dòng)的影響［1］。

緩沖器的容量決定于沖擊車和被沖擊車的質(zhì)量以及和沖擊時(shí)兩車的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，車輛質(zhì)量愈大，沖擊速度愈高，則要求緩沖器的容量也愈大［1］。國(guó)外密接式車鉤緩沖裝置的緩沖器容量都比較小，沙庫(kù)自動(dòng)密接式車鉤緩沖裝置的緩沖器容量為17～22 kJ，而日本高速列車車鉤緩沖裝置的緩沖器容量卻不超過(guò)10 kJ［2］，然而，目前國(guó)內(nèi)沒(méi)有理論方法準(zhǔn)確計(jì)算輕軌車輛所需的緩沖器容量，而是參考鐵道客車的標(biāo)準(zhǔn)提出了輕軌車輛用緩沖器的性能指標(biāo)為≤30 kJ。與國(guó)外車鉤緩沖裝置相比，在確定合理的緩沖器容量與恰當(dāng)?shù)膭偠惹€，改善鉤緩裝置緩和列車沖擊的性能方面還要進(jìn)一步完善和提高。

城軌車輛采用了動(dòng)力分散的模式，且編組數(shù)量較少，在正常工況下，鉤緩裝置受力較小，所以利用動(dòng)力學(xué)分析方法，計(jì)算緩沖器動(dòng)態(tài)阻抗特性改變前后的列車縱向沖動(dòng)，在滿足性能和安全要求的前提下，輕軌用緩沖器的動(dòng)態(tài)阻抗力和容量可以適當(dāng)減小。

1 車輛動(dòng)力學(xué)模型建立

根據(jù)密接式鉤緩裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合天津地鐵車輛，建立了詳細(xì)的列車動(dòng)力學(xué)模型。天津地鐵一般采用4節(jié)或6節(jié)編組，對(duì)于4節(jié)編組來(lái)說(shuō)，采用兩動(dòng)兩拖的組合方式。一節(jié)動(dòng)車和一節(jié)拖車組成一個(gè)基本單元，中間通過(guò)半永久車鉤連接，兩個(gè)單元之間通過(guò)半自動(dòng)車鉤連接在一起，半主動(dòng)車鉤具有緩沖器和車鉤自動(dòng)復(fù)位裝置，而相連接的兩個(gè)半永久鉤緩系統(tǒng)，僅有一個(gè)緩沖器，無(wú)自動(dòng)復(fù)位裝置。對(duì)于6節(jié)編組的列車模型，采用3動(dòng)、3拖的方式組成。在本次分析中，為了研究鉤緩系統(tǒng)對(duì)列車縱向沖動(dòng)的影響，采用6節(jié)編組列車模型，應(yīng)用SIMPACK建立列車模型［3-4］。

2 緩沖器動(dòng)態(tài)阻抗特性對(duì)列車縱向沖動(dòng)的影響

2.1 縱向沖擊響應(yīng)

對(duì)于城軌車輛來(lái)說(shuō)，由于采用了動(dòng)力分散模式，同時(shí)，列車編組數(shù)量較小，一般采用4節(jié)編組或6節(jié)編組，因而，在正常運(yùn)行工況下，鉤緩系統(tǒng)受力較小，因而從這個(gè)角度考慮，緩沖器的動(dòng)態(tài)阻抗力和緩沖器容量可以適當(dāng)降低。圖1、圖2為實(shí)際緩沖器阻抗特性及改進(jìn)后的阻抗特性曲線。

圖1 實(shí)際緩沖器阻抗特性

圖2 改進(jìn)后緩沖器阻抗特性

圖1中顯示緩沖器的最大阻抗力為680 kN，圖2中顯示改進(jìn)后的最大阻抗力為500 kN。

由于列車采用動(dòng)力分散模式，因而3個(gè)動(dòng)車都提供啟動(dòng)牽引力，通過(guò)計(jì)算，每輛車所受的車鉤力如圖3所示，最大車鉤力小于50 kN，所以在以下計(jì)算工況中取縱向沖擊力的極限值為50 kN。

由城軌列車的設(shè)計(jì)參數(shù)可知，緩沖器的初壓力≤30 kN，對(duì)于動(dòng)力分散的城軌列車來(lái)說(shuō)，緩沖器的初壓力越小越有利于降低列車啟動(dòng)時(shí)的縱向沖動(dòng)以及改善列車對(duì)縱向沖擊，尤其是小沖擊的緩沖。

圖3 動(dòng)力分散模式啟動(dòng)工況下的車鉤力

因此，選擇最惡劣的工況進(jìn)行分析，即分析30 kN初壓力時(shí)，在50 kN的縱向沖擊力作用下，動(dòng)態(tài)阻抗特性改進(jìn)前后各車的縱向加速度的響應(yīng)情況如圖4、圖5。

圖4 改進(jìn)前車體二縱向加速度

圖5 改進(jìn)后車體二縱向加速度

顯然，緩沖器動(dòng)態(tài)阻抗特性改進(jìn)前后，對(duì)車體縱向沖擊的加速度響應(yīng)沒(méi)有明顯變化，但是車體在受到?jīng)_擊后的響應(yīng)值有所減小，有利于改善列車的縱向沖擊現(xiàn)象。適當(dāng)降低緩沖器動(dòng)態(tài)阻抗特性能夠滿足列車運(yùn)行要求。

2.2 僅有動(dòng)車制動(dòng)時(shí)的縱向沖擊響應(yīng)

由于輕軌列車采用動(dòng)力分散式，在制動(dòng)工況下，動(dòng)車、拖車均制動(dòng)時(shí)，車鉤力比采用動(dòng)力集中式的最大車鉤力要小的多。但是僅動(dòng)車提供制動(dòng)力時(shí)所受車鉤力比所有車輛均提供制動(dòng)力的情況下要大，以動(dòng)力分散式僅動(dòng)車提供制動(dòng)力時(shí)的工況進(jìn)行計(jì)算。

首先給出既有緩沖器特性下的計(jì)算結(jié)果，如圖6、圖7所示。

采用改進(jìn)緩沖器阻抗特性方案時(shí)的結(jié)果如圖8、圖9。

圖6 各車鉤所受車鉤力

圖7 車體縱向振動(dòng)加速度(車體六為例)

圖8 改進(jìn)后各車鉤所受車鉤力

圖9 改進(jìn)后車體縱向振動(dòng)加速度(以車體六為例)

在制動(dòng)工況下，緩沖器動(dòng)態(tài)阻抗特性改進(jìn)前后，各車體所受車鉤力及縱向沖擊的加速度沒(méi)有明顯變化，因此適當(dāng)降低緩沖器動(dòng)態(tài)阻抗特性能夠滿足列車運(yùn)行要求。

3 結(jié)論

通過(guò)建立6編組輕軌車輛的動(dòng)力學(xué)模型，分析了動(dòng)態(tài)阻抗特性改進(jìn)前后各車的縱向沖動(dòng)和僅有動(dòng)車制動(dòng)時(shí)車鉤力和縱向振動(dòng)加速度，結(jié)果表明，改變后的動(dòng)態(tài)阻抗特性使車體受到?jīng)_擊后的響應(yīng)有所減小，有利于改善列車的縱向沖擊現(xiàn)象，改善鉤緩裝置的受力情況，為以后緩沖器動(dòng)態(tài)阻抗特性的選擇提供了一種思路，在滿足要求的前提下，可以降低緩沖器的動(dòng)態(tài)阻抗力和容量，不僅可以改善列車的縱向沖動(dòng)，提高緩沖器的使用壽命，而且能夠降低制造成本。

［1］蔣有緒，傅茂海.車輛工程［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2008.

［2］李瑞淳.高速列車及提速列車車鉤緩沖裝置研究［J］.鐵道機(jī)車車輛，2004，24(6):15.

［3］繆炳榮.Simpack動(dòng)力學(xué)分析基礎(chǔ)教程［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，2007.

［4］Mohle N.Performance study of polymer spring for faiveily automatic coupler draft gear［R］.Datong:NCR Datong Electric Locomotive Co.，LTD.，2008.