陳 雷，黃運(yùn)華

（西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

0 引言

100%低地板有軌電車自20世紀(jì)80年代問世以來，以其低能耗、低污染、方便旅客上下車等優(yōu)點(diǎn)，在很多國家都得以迅速發(fā)展。在中國發(fā)展100%低地板有軌電車，對解決中國當(dāng)前城市交通擁堵、環(huán)境污染嚴(yán)重等問題具有積極意義［1］。本文利用SIMPACK多體動(dòng)力學(xué)軟件對四模塊100%低地板有軌電車進(jìn)行建模和動(dòng)力學(xué)性能分析。

1 100%低地板有軌電車結(jié)構(gòu)形式

100%低地板有軌電車根據(jù)其運(yùn)量的不同，具有不同的編組形式。本文的研究對象為四模塊編組的100%低地板有軌電車，由四節(jié)車體組成，兩節(jié)車為一組，整列車共兩組。有軌電車采用單車型結(jié)構(gòu)形式，每一節(jié)車體中部正下方都安裝有轉(zhuǎn)向架。車輛為三動(dòng)一拖的編組，其中1、4車為帶有司機(jī)室的動(dòng)車，2車為動(dòng)車，3車為拖車。為了實(shí)現(xiàn)100%低地板，車輛全部采用獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向架，其中動(dòng)車的獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架為縱向耦合形式，以提高車輛直線運(yùn)行穩(wěn)定性。車體通過不同的鉸接裝置使四節(jié)車的地板面貫通，整列車的地板面距軌面高為300mm。車輛的最高運(yùn)行速度為80km/h。

圖1為100%低地板有軌電車的鉸接編組形式。1、2車為一組，3、4車為一組。組內(nèi)車與車之間的下部鉸接結(jié)構(gòu)采用固定鉸，上部采用轉(zhuǎn)動(dòng)鉸，單過道連接，允許車與車?yán)@z軸相對轉(zhuǎn)動(dòng)，B、G為固定鉸，A、F為轉(zhuǎn)動(dòng)鉸，組與組間的上部鉸接結(jié)構(gòu)采用縱向拉桿，以傳遞縱向力，下部采用雙鉸接結(jié)構(gòu)，前后車體可以分別相對于雙鉸接裝置繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)。E、D為雙鉸接結(jié)構(gòu)，C為縱向拉桿。

2 動(dòng)力學(xué)模型的建立

2.1 獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪建模

傳統(tǒng)輪對的左、右車輪與車軸是作為一個(gè)整體壓裝在一起的，具有相同的繞y軸旋轉(zhuǎn)的角速度，用SIMPACK建模時(shí)，只需定義一個(gè)剛體，使其具有輪軌接觸運(yùn)動(dòng)副即可。與傳統(tǒng)輪對不同，獨(dú)立車輪的兩側(cè)車輪可以以不同的角速度繞軸橋旋轉(zhuǎn)，在用SIMPACK建模時(shí)，首先建立一個(gè)剛體模型代表軸橋，定義其具有輪軌接觸運(yùn)動(dòng)副，與一系懸掛連接，然后建立兩個(gè)剛體模型分別代表左、右兩側(cè)車輪，通過繞y軸旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)約束裝配在軸橋兩端［2］。

圖1 100%低地板有軌電車編組和鉸接形式

2.2 轉(zhuǎn)向架建模

轉(zhuǎn)向架的基本組成部分有軸橋輪組、構(gòu)架，彈性懸掛元件、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置等，其中軸橋?yàn)橹胁肯掳冀Y(jié)構(gòu)以降低地板面高度，彈性懸掛元件包括橡膠簧、螺旋圓簧、橫向減振器、垂向減振器等。動(dòng)力轉(zhuǎn)向架還包括牽引電機(jī)和齒輪傳動(dòng)裝置。用SIMPACK建模時(shí)，首先建立軸橋輪組和構(gòu)架模型，然后建立一系橡膠簧、二系鋼彈簧單元和二系橫向、垂向減振器。對于動(dòng)力轉(zhuǎn)向架建模，還需建立牽引電機(jī)和齒輪箱模型，并通過齒輪箱力元將轉(zhuǎn)向架一側(cè)前、后車輪耦合起來［3］。

2.3 車組建模

用SIMPACK建模時(shí)，將固定鉸處理成x、y、z三個(gè)位移方向的大剛度彈簧力元，以限制車與車之間x、y、z三個(gè)方向的相對位移；將轉(zhuǎn)動(dòng)鉸處理成x、y方向的大剛度彈簧力元，以傳遞車體間的縱向力和橫向力；將縱向拉桿處理成x方向的大剛度彈簧力元，只傳遞縱向力［4］。整車動(dòng)力學(xué)模型如圖2所示。

圖2 整車動(dòng)力學(xué)模型

3 100%低地板有軌電車動(dòng)力學(xué)性能分析

3.1 100%低地板有軌電車穩(wěn)定性

本文研究的100%低地板有軌電車的動(dòng)車轉(zhuǎn)向架為縱向耦合獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向架。相比全獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向架，將同一側(cè)前、后車輪耦合起來，可以產(chǎn)生縱向蠕滑力，因此縱向耦合獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向架具有更好的導(dǎo)向性［5］。

本文采用非線性法分析100%低地板有軌電車的穩(wěn)定性。首先讓車組在不平順的軌道上運(yùn)行一段距離，然后去除激勵(lì)，讓列車在光滑無激勵(lì)的軌道上運(yùn)行，觀察其橫向位移是否收斂到零線位置。激勵(lì)采用美國六級譜。圖3、圖4分別為車組運(yùn)行速度為228km/h和229km/h時(shí)七位輪組的橫向位移。從圖3、圖4可知：車組的運(yùn)行速度為228km/h時(shí)，輪組橫向位移經(jīng)過一段時(shí)間振蕩后能夠回到零線位置；而當(dāng)車組的運(yùn)行速度為229km/h時(shí)，輪組橫向位移已無法回到中心位置，且出現(xiàn)一定程度的小幅振蕩。由此可知，車組的蛇行失穩(wěn)臨界速度為228km/h，完全能夠滿足100%低地板有軌電車80km/h的最高運(yùn)行速度要求。

3.2 100%低地板有軌電車平穩(wěn)性

本文的平穩(wěn)性計(jì)算參照GB/T 5599－1985《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》進(jìn)行。按照此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)平穩(wěn)性指標(biāo)W≤2.50時(shí)，車輛的平穩(wěn)性等級為優(yōu)；當(dāng)2.50＜W≤2.75時(shí)，車輛的平穩(wěn)性等級為良好。將加速度傳感器安裝在車體中部，即轉(zhuǎn)向架正上方的車體地板面上，為了全面地反映整列車的舒適性狀況，在每節(jié)車前、后兩端端部的地板面上也安裝加速度傳感器。仿真時(shí)，先讓車輛在一定距離的無激勵(lì)軌道上運(yùn)行，然后在足夠長的不平順軌道上運(yùn)行。軌道譜采用美國六級譜。平穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果見圖5～圖8和表1。表1中，前端表示車體中部地板面前方4m位置，后端表示車體中部地板面后方4m位置。從圖5～圖8和表1的計(jì)算結(jié)果可以看出，100%低地板有軌電車在80km/h的速度范圍內(nèi)，其橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)都小于2.5，平穩(wěn)性等級達(dá)到優(yōu)秀，滿足GB/T 5599－1985的要求。

圖3 228km/h速度下七位輪組的橫向位移

圖4 229km/h速度下七位輪組的橫向位移

圖5 1車地板面中部平穩(wěn)性指標(biāo)

圖6 2車地板面中部平穩(wěn)性指標(biāo)

圖7 3車地板面中部平穩(wěn)性指標(biāo)

圖8 4車地板面中部平穩(wěn)性指標(biāo)

3.3 100%低地板有軌電車曲線通過性

100%低地板有軌電車在城市中運(yùn)行，必須能夠安全地通過城市中的小半徑曲線。本文的曲線通過性能計(jì)算選擇了3種不同半徑值的圓曲線，分別為25m、36m和50m。各曲線的計(jì)算參數(shù)見表2。曲線通過速度是按曲線欠超高值為75mm計(jì)算得出。仿真時(shí)，在軌道上設(shè)置美國六級譜不平順。

根據(jù)GB/T 5599－1985計(jì)算車輛通過曲線時(shí)的脫軌系數(shù)、輪對沖角、輪軌橫向力和輪重減載率。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，脫軌系數(shù)不得大于1.0；輪重減載率不得大于0.60；動(dòng)力轉(zhuǎn)向架和非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架的輪軌橫向力目標(biāo)值分別為29.27kN、28.31kN。經(jīng)仿真計(jì)算，得到各曲線通過性能指標(biāo)，見表3、表4、表5。

表1 100%低地板有軌電車在不同速度等級下車體端部的平穩(wěn)性指標(biāo)

表2 各曲線計(jì)算參數(shù)

表3 車輛通過25m半徑圓曲線時(shí)的曲線通過性能指標(biāo)

表4 車輛通過36m半徑圓曲線時(shí)的曲線通過性能指標(biāo)

從表3、表4、表5中可以看出：車組通過小半徑曲線時(shí)，脫軌系數(shù)最大值為0.516，輪軌橫向力最大值為19.305kN，輪重減載率最大值為0.474，各曲線通過性能指標(biāo)均在標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍以內(nèi)，說明100%低地板有軌電車具有良好的曲線通過性能，能夠安全地通過城市中的小半徑曲線。

表5 車輛通過50m半徑圓曲線時(shí)的曲線通過性能指標(biāo)

4 結(jié)論

本文利用SIMPACK多體動(dòng)力學(xué)軟件建立了100%低地板有軌電車的動(dòng)力學(xué)模型并進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)性能計(jì)算。從計(jì)算結(jié)果可以得出以下結(jié)論：100%低地板有軌電車以80km/h的速度在直線軌道上運(yùn)行時(shí)，具有良好的穩(wěn)定性和平穩(wěn)性，能夠滿足旅客對乘坐舒適度的要求；100%低地板有軌電車可以安全地通過城市中的小半徑曲線。

［1］黃運(yùn)華，傅茂海，卜繼玲，等.獨(dú)立輪對發(fā)展及其應(yīng)用前景［J］.電力機(jī)車與城軌車輛，2003，26（4）：8-11.

［2］羅世輝.大連低地板有軌電車的動(dòng)力學(xué)性能［J］.機(jī)車電傳動(dòng)，2001（3）：28-31.

［3］王歡.100%低地板輕軌車輛結(jié)構(gòu)型式與導(dǎo)向原理研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2008：10.

［4］李明，戴煥云，丁磊.70%低地板輕軌車建模及動(dòng)力學(xué)分析［J］.交通工程運(yùn)輸學(xué)報(bào)，2004（2）：49-52.

［5］黃運(yùn)華，李芾，傅茂海.獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向架橫向動(dòng)力學(xué)研究［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，37（3）：254-259.