基于ADAMS/RAIL的直線電機(jī)徑向轉(zhuǎn)向架曲線通過(guò)性能分析

0 前 言

20世紀(jì)90年代以后，城市軌道交通在我國(guó)大中型城市迅速發(fā)展，各種先進(jìn)的地鐵轉(zhuǎn)向架開(kāi)始陸續(xù)引入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。其中，廣州、北京已經(jīng)先后開(kāi)始建設(shè)和運(yùn)營(yíng)直線電機(jī)軌道交通系統(tǒng)。這種系統(tǒng)具有車型小、爬坡能力強(qiáng)、曲線通過(guò)能力優(yōu)等特點(diǎn)，特別適合于具有特殊線路條件城市發(fā)展軌道交通的需要，因此對(duì)其曲線導(dǎo)向能力的研究，有利于提高城市軌道運(yùn)營(yíng)維護(hù)水平，對(duì)交通制式合理選型和規(guī)劃具有積極推動(dòng)作用。

1 直線電機(jī)軌道交通系統(tǒng)概述

從1985年加拿大多倫多開(kāi)通第一條直線電機(jī)軌道交通系統(tǒng)至今，已在5個(gè)國(guó)家建成11條線路,總里程超過(guò)200km。在國(guó)外，擁有直線電機(jī)地鐵技術(shù)的主要有加拿大龐巴迪以及日本川崎、日立三家公司，龐巴迪公司的技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到多個(gè)國(guó)家。加拿大溫哥華市的skytrain系統(tǒng)是運(yùn)用直線電機(jī)車輛的典范，到2002年底，龐巴迪公司為該系統(tǒng)制造的MK系列車輛已成功、可靠運(yùn)行10億公里。開(kāi)發(fā)直線電機(jī)車輛的國(guó)家還有日本，日本在引進(jìn)skytrain技術(shù)的同時(shí)，開(kāi)發(fā)了東京12—000、大阪70等系列車輛。在我國(guó)，廣州地鐵4、5號(hào)線則首次采用直線電機(jī)軌道交通系統(tǒng)。

目前，直線電機(jī)軌道交通系統(tǒng)中的直線感應(yīng)電機(jī)的額定功率都不高(100～200kW)，與感應(yīng)板之間的氣隙約8～13mm。由于直線電機(jī)軌道交通系統(tǒng)每臺(tái)轉(zhuǎn)向架下只能裝一臺(tái)電機(jī)，單車功率與旋轉(zhuǎn)電機(jī)地鐵相距甚遠(yuǎn)(2×180～220kW/轉(zhuǎn)向架)，因此目前都采用全動(dòng)車編組。其車體一般采用整體承載式大型鋁合金擠壓型材或不銹鋼，重量可比碳素鋼降低30%～35%，車輛定距和軸距都不大，屬于中等運(yùn)量。直線電機(jī)軌道交通系統(tǒng)主要采用第三軌供電(約占55%)和架空接觸供電(約占45%)，供電電壓分為DC750V和DC1500V。

由于是非粘著的驅(qū)動(dòng)方式，直線電機(jī)軌道交通系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

(1)可以實(shí)現(xiàn)徑向曲線通過(guò)；

(2)爬坡性能優(yōu)良；

(3)建筑成本??；

(4)噪聲低。

由于城市軌道交通大都建在市區(qū)，線路曲線半徑小，因此，良好的曲線通過(guò)性能是評(píng)價(jià)系統(tǒng)優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。本文以廣州市軌道交通4、5號(hào)線引進(jìn)的直線電機(jī)BM3000型車輛為研究原型，研究車輛在有無(wú)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)下的曲線動(dòng)力學(xué)性能。

2 BM3000型轉(zhuǎn)向架簡(jiǎn)介

BM3000型直線電機(jī)徑向轉(zhuǎn)向架是龐巴迪(Bombardier)公司設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。BM3000轉(zhuǎn)向架采用自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)來(lái)滿足廣州4、5號(hào)線小曲線半徑的要求。BM3000型直線電機(jī)徑向轉(zhuǎn)向架 如圖1所示。

圖1 BM3000型轉(zhuǎn)向架示意

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架采用內(nèi)置方式的焊接鋼結(jié)構(gòu)，降低自重。輪對(duì)采用整體碾鋼輪。軸箱體采用鋁合金制造。每個(gè)軸箱采用兩個(gè)圓錐螺旋形橡膠彈簧，二系懸掛位于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架和搖枕之間。

直線感應(yīng)電機(jī)懸掛于BM3000轉(zhuǎn)向架的橫跨于輪對(duì)軸箱的支撐梁上。每個(gè)支撐梁支撐在左右兩個(gè)軸箱上，直線電機(jī)屬于簧下質(zhì)量。支撐梁兩端配備橡膠關(guān)節(jié)，提供電機(jī)定子一定的彈性，降低其運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)，滿足轉(zhuǎn)向架在允許范圍內(nèi)的彎曲和扭曲。直線電機(jī)懸掛在支撐梁的吊臂上，吊臂焊接在支撐梁上，1位輪對(duì)支撐梁設(shè)三個(gè)吊臂，2位輪對(duì)支撐梁設(shè)兩個(gè)吊臂，形成直線電機(jī)的5點(diǎn)懸掛。直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)通過(guò)吊臂傳遞給直線電機(jī)連接節(jié)點(diǎn)。牽引力和制動(dòng)力通過(guò)牽引桿傳遞到構(gòu)架，再通過(guò)中心牽引裝置由搖枕傳遞到車體。

3 系統(tǒng)仿真模型介紹

本系統(tǒng)模型采用A DA M S軟件搭建，其中，ADAMS/Rail(鐵道模塊)是由美國(guó)MDI公司、荷蘭鐵道組織(NS)、Delft工業(yè)大學(xué)以及德國(guó)ARGECARE公司合作開(kāi)發(fā)的，專門(mén)用于研究鐵路機(jī)車、車輛、列車和線路相互作用的動(dòng)力學(xué)分析軟件。ADAMS/Rail可以方便快速地建立完整的、參數(shù)化的機(jī)車車輛或列車模型以及各種子系統(tǒng)和線路模型，并根據(jù)分析目的不同而定義相應(yīng)的接觸模型，可以進(jìn)行機(jī)車車輛動(dòng)力學(xué)等問(wèn)題的研究。

3.1 車體模型

模型以不帶司機(jī)室的B車為模板，并將車體看作剛體，分別設(shè)置車體的長(zhǎng)、寬、高，其主要技術(shù)參數(shù)為：

車體長(zhǎng)×寬×高 16 840mm×2 890mm×3 625mm

地板高度 930mm

軸重≤13t

建成后的車體模型如圖2。

圖2 車體模型示意

3.2 直線電機(jī)轉(zhuǎn)向架模型

采用與實(shí)際直線電機(jī)定子結(jié)構(gòu)相同的等效方形板來(lái)近似模擬直線電機(jī)的電磁力激勵(lì)，其質(zhì)量、質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量均與實(shí)際電機(jī)定子相符。方形板端部分別與左右軸箱采用橡膠彈性元件聯(lián)接，模擬實(shí)際的支撐梁與軸箱的橡膠關(guān)節(jié)，并設(shè)置一定的橫向自由度，允許直線電機(jī)有少量的橫向位移。

直線感應(yīng)電機(jī)懸掛于橫跨于輪對(duì)軸箱的支撐梁上。每個(gè)支撐梁支撐在左右兩個(gè)軸箱上。直線電機(jī)懸掛在支撐梁的吊臂上，吊臂焊接在支撐梁上，視為剛性連接，共有5個(gè)吊臂，形成直線電機(jī)的5點(diǎn)懸掛。

添加直線電機(jī)后的轉(zhuǎn)向架模型見(jiàn)圖3。

圖3 直線電機(jī)轉(zhuǎn)向架模型示意

3.3 轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)模型

徑向轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)思路即盡量減小構(gòu)架對(duì)輪對(duì)的搖頭約束，使前、后輪對(duì)通過(guò)蠕滑作用或相應(yīng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)作用，確保其在通過(guò)曲線時(shí)趨于徑向位置，同時(shí)還應(yīng)避免對(duì)車輛橫向穩(wěn)定性產(chǎn)生的不利影響。

按照導(dǎo)向原理的不同，徑向轉(zhuǎn)向架可分為自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架和迫導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架。

廣州地鐵4、5號(hào)線使用的BM3000型直線電機(jī)徑向轉(zhuǎn)向架本身并沒(méi)有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，在本文中，先后建立了自導(dǎo)向、迫導(dǎo)向型式的機(jī)構(gòu)。

自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如下：在前后輪對(duì)輪軸上分別加上一個(gè)傳動(dòng)桿件，傳動(dòng)桿件為剛體，桿件和輪軸之間不限制相對(duì)旋轉(zhuǎn)（輪軸方向?yàn)檩S），但限制輪軸與桿件間的橫向位移等自由度。在轉(zhuǎn)向架中部，兩個(gè)傳動(dòng)桿件之間采用一個(gè)彈簧裝置連接，并在此處增加一個(gè)阻尼器。為了保證添加的桿件不影響轉(zhuǎn)向架的幾何特性，將傳動(dòng)桿件的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量設(shè)置為很小的數(shù)值。中間的彈簧、阻尼質(zhì)量不計(jì)。

經(jīng)多次分析比較，初選自導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)圖4。

圖4 自導(dǎo)向轉(zhuǎn)向架模型

迫導(dǎo)向機(jī)構(gòu)由6根導(dǎo)向桿組成，分別與前后輪對(duì)輪軸及車體相連。各導(dǎo)向桿間為鉸接，橫向布置的導(dǎo)向桿通過(guò)中心銷裝置與構(gòu)架相聯(lián)，并不限制橫向?qū)驐U與構(gòu)架的相對(duì)旋轉(zhuǎn)。

導(dǎo)向桿的實(shí)際布置型式見(jiàn)圖5。

圖5 迫導(dǎo)向轉(zhuǎn)向架模型

3.4 線路模型

線路由直線段、緩和曲線段和圓曲線段所組成。直線和圓曲線通過(guò)緩和曲線平滑地連接。曲率可以采用沿線路展開(kāi)距離的函數(shù)來(lái)表示。ADAMS/RAIL采用三次拋物線方程自動(dòng)數(shù)值擬合出緩和曲線，立面線形設(shè)置采用直線型順坡模式。

仿真中采用的線路參數(shù)為線路全長(zhǎng)400m：50m直線—50m緩和曲線—200m圓曲線—50m緩和曲線—50m直線；圓曲線半徑150m；圓曲線上超高值取120mm，緩和曲線上采用直線形超高變化。車輛曲線運(yùn)行速度為勻速，通過(guò)速度V=50km/h。

4 曲線通過(guò)動(dòng)力學(xué)性能分析

模型計(jì)算參數(shù)選用上廣州4、5號(hào)線車型數(shù)據(jù)作為參考，對(duì)無(wú)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、自導(dǎo)向、迫導(dǎo)向轉(zhuǎn)向架車輛的曲線通過(guò)性能指標(biāo)進(jìn)行仿真研究，并依據(jù)GB5599-85進(jìn)行評(píng)定。

4.1 輪對(duì)橫向位移對(duì)比

各種導(dǎo)向型式直線電機(jī)車輛的一位輪對(duì)橫移量變化趨勢(shì)相同，且數(shù)值變化較小，這主要是由于仿真模型中所添加的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)主要作用于輪對(duì)的縱向，對(duì)橫向參數(shù)影響較?。ㄒ?jiàn)圖6）。

圖6 一位輪對(duì)橫向位移比較

4.2 輪對(duì)橫向力對(duì)比

在進(jìn)入緩和曲線的過(guò)程中，自導(dǎo)向型式直線電機(jī)車輛較無(wú)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)直線電機(jī)車輛略小，在進(jìn)入圓曲線后，二者數(shù)值基本相等；迫導(dǎo)向型式直線電機(jī)車輛由于采用導(dǎo)向桿鉸接方式，剛度值較大，因而引起輪對(duì)橫向力大幅增加（見(jiàn)圖7）。

圖7 一位輪對(duì)橫向力比較

4.3 輪對(duì)沖角對(duì)比

在進(jìn)入圓曲線后，無(wú)導(dǎo)向型式直線電機(jī)車輛1位輪對(duì)沖角值為0.13°左右，自導(dǎo)向型式直線電機(jī)車輛較無(wú)導(dǎo)向型式直線電機(jī)車輛略小，數(shù)值大約為0.12°，迫導(dǎo)向直線電機(jī)車輛超過(guò)輪對(duì)徑向位置（見(jiàn)圖8）。

圖8 一位輪對(duì)沖角比較

4.4 輪對(duì)脫軌系數(shù)對(duì)比

無(wú)導(dǎo)向、自導(dǎo)向型式直線電機(jī)車輛脫軌系數(shù)變化不大，其值在0.25附近，迫導(dǎo)向型式直線電機(jī)車輛一位輪對(duì)左輪脫軌系數(shù)增大至0.3，各值均在允許范圍內(nèi)（見(jiàn)圖9）。

圖9 一位輪對(duì)脫軌系數(shù)比較

4.5 輪對(duì)輪重減載率對(duì)比

進(jìn)入圓曲線后，無(wú)導(dǎo)向型式直線電機(jī)車輛輪重減載率約為0.2；由于自導(dǎo)向機(jī)構(gòu)主要在橫向位置起作用，因而自導(dǎo)向型式直線電機(jī)車輛該位置輪重減載率變化不明顯，其值也在0.2附近；迫導(dǎo)向型式直線電機(jī)車輛輪重減載率則大于0.3，各值均未超過(guò)允許范圍（見(jiàn)圖10）。

圖10 一位輪對(duì)輪重減載率比較

5 結(jié) 論

本文建立了常規(guī)無(wú)導(dǎo)向、自導(dǎo)向、迫導(dǎo)向直線電機(jī)車輛模型，并在ADAMS/Rail的平臺(tái)上對(duì)各種導(dǎo)向型式直線電機(jī)車輛曲線通過(guò)性能進(jìn)行了仿真分析，可以看出：

(1)自導(dǎo)向、迫導(dǎo)向型式直線電機(jī)車輛較常規(guī)無(wú)導(dǎo)向直線電機(jī)車輛曲線通過(guò)動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)有所提高，導(dǎo)向能力一定程度上得到改善；

(2)迫導(dǎo)向機(jī)構(gòu)對(duì)曲線通過(guò)導(dǎo)向性能影響非常明顯，但其控制精度往往受到連桿磨耗等因素的影響，需要注意調(diào)整和維護(hù)。

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