100%低地板軌道車輛的動(dòng)力學(xué)分析

李玉青， 陳　康， 張　江， 胡立錚， 劉啟昂

(西南交通大學(xué)　牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川成都 610031)

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地鐵與輕軌

100%低地板軌道車輛的動(dòng)力學(xué)分析

李玉青， 陳康， 張江， 胡立錚， 劉啟昂

(西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川成都 610031)

運(yùn)用SIMPACK多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件建立了一種采用小輪徑傳統(tǒng)輪對(duì)轉(zhuǎn)向架的100%低地板軌道車輛模型，并分析了初始參數(shù)下車輛的穩(wěn)定性和平穩(wěn)性。結(jié)果表明：(1)該車輛具有良好的穩(wěn)定性；(2)該車輛的垂向平穩(wěn)性為優(yōu)，橫向平穩(wěn)性較差。為了改善車輛運(yùn)行的橫向平穩(wěn)性，對(duì)轉(zhuǎn)向架懸掛參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，最后在空車工況和定員工況下對(duì)優(yōu)化后車輛的動(dòng)力學(xué)性能做了進(jìn)一步分析。

小輪徑傳統(tǒng)輪對(duì)轉(zhuǎn)向架； 100%低地板軌道車輛； 優(yōu)化； 空車工況； 定員工況； 動(dòng)力學(xué)分析

自20世紀(jì)80年代以來(lái)低地板軌道車輛有了蓬勃發(fā)展，尤其是100%低地板軌道車輛以其無(wú)需設(shè)置站臺(tái)、方便旅客上下車而備受歡迎。低地板結(jié)構(gòu)的核心技術(shù)在于承載車體的轉(zhuǎn)向架，國(guó)內(nèi)外主要采用獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向架和小輪徑傳統(tǒng)輪對(duì)轉(zhuǎn)向架來(lái)實(shí)現(xiàn)低地板結(jié)構(gòu)?！兑环N小輪徑低地板軌道車輛轉(zhuǎn)向架方案研究》提出了3種采用小輪徑傳統(tǒng)輪對(duì)的100%低地板軌道車輛轉(zhuǎn)向架方案，每種方案包括動(dòng)力轉(zhuǎn)向架和非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，方案中對(duì)輪對(duì)、構(gòu)架、軸箱、一系懸掛、二系懸掛、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)盤等進(jìn)行了深入研究，并從結(jié)構(gòu)性能方面比較了3種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，但沒(méi)有對(duì)轉(zhuǎn)向架的動(dòng)力學(xué)性能做進(jìn)一步分析。本文采用其中最為優(yōu)越的一種轉(zhuǎn)向架方案，利用多體動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK建立了一種浮車型、5輛車編組模式的100%低地板軌道車輛，著重分析了其動(dòng)力學(xué)性能，為今后低地板軌道車輛的方案設(shè)計(jì)提供理論參考。

1　100%低地板軌道車輛建模

1.1車輛編組及車端聯(lián)結(jié)方案

100%低地板軌道車輛采用“六軸五車體模塊”的編組形式，整列車分別由兩端的司機(jī)室車體、中間的短車體及2個(gè)較長(zhǎng)的浮車車體組成，在司機(jī)室和短車體下方都各布置一個(gè)轉(zhuǎn)向架，如圖1所示。

車體各模塊之間的鉸接有3種型式：固定鉸、轉(zhuǎn)動(dòng)鉸和自由鉸，利用SIMPACK軟件進(jìn)行建模時(shí)通過(guò)約束Constraints來(lái)實(shí)現(xiàn)車體之間的鉸接。相鄰車體的下鉸采用固定鉸連接，固定鉸能繞3個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，但限制3個(gè)方向的平動(dòng)，固定鉸承受了車體的垂向力，傳遞大部分的縱向力和橫向力，在SIMPACK中用10號(hào)球鉸Spherical來(lái)實(shí)現(xiàn)固定鉸的功能。相鄰車體的上鉸通常采用轉(zhuǎn)動(dòng)鉸，轉(zhuǎn)動(dòng)鉸僅能繞垂直軸旋轉(zhuǎn)，并承受縱向力和橫向力，在SIMPACK中上鉸采用25號(hào)自定義鉸User Defined Constraint，并限制x、y方向的自由度。固定鉸和轉(zhuǎn)動(dòng)鉸聯(lián)合使用，限制了相鄰車體間的浮沉運(yùn)動(dòng)和側(cè)滾運(yùn)動(dòng)，使得相鄰車體間僅存在相對(duì)搖頭自由度。為了保證整列車能適應(yīng)上下坡道，在一個(gè)懸浮車體和中間車體之間的上鉸采用自由鉸連接，在SIMPACK中通過(guò)設(shè)置一橫向拉桿來(lái)實(shí)現(xiàn)，橫向拉桿兩端與兩車體用球鉸鉸接在一起[1]。

圖1　車輛編組及車端聯(lián)結(jié)方案

1.2轉(zhuǎn)向架總體結(jié)構(gòu)概況

該100%低地板軌道車輛采用小輪徑傳統(tǒng)輪對(duì)轉(zhuǎn)向架，包括2臺(tái)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架和1臺(tái)非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架。動(dòng)力轉(zhuǎn)向架主要部件組成包括①內(nèi)置式構(gòu)架裝置；②錐形橡膠彈簧定位裝置；③高繞螺旋彈簧中央懸掛裝置；④單牽引拉桿裝置；⑤一軸一盤的軸盤制動(dòng)裝置和2套磁軌制動(dòng)裝置；⑥外側(cè)懸掛縱向布置的電機(jī)齒輪箱和傳動(dòng)裝置。

與動(dòng)力轉(zhuǎn)向架相比，非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架沒(méi)有電機(jī)齒輪箱和傳動(dòng)裝置，每軸有兩個(gè)軸盤制動(dòng)器，分別置于車軸的端部，制動(dòng)盤與車軸之間通過(guò)螺栓進(jìn)行連接，其余結(jié)構(gòu)則與動(dòng)力轉(zhuǎn)向架相同[2]。

動(dòng)車轉(zhuǎn)向架總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，車體主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖2　100%低地板軌道車輛動(dòng)力轉(zhuǎn)向架

2　100%低地板軌道車輛的動(dòng)力學(xué)分析

車輛系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)性能主要取決于懸掛參數(shù)的匹配，在建立好車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型后，首先分析車輛在初始參數(shù)下的穩(wěn)定性和平穩(wěn)性，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)轉(zhuǎn)向架懸掛參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最后對(duì)優(yōu)化后車輛的動(dòng)力學(xué)性能作進(jìn)一步分析，計(jì)算工況為：

表1　車體主要技術(shù)參數(shù)

(1)穩(wěn)定性是機(jī)車車輛安全運(yùn)行的首要問(wèn)題之一，備受關(guān)注，一旦車輛系統(tǒng)出現(xiàn)了蛇行失穩(wěn)，運(yùn)行品質(zhì)將急劇惡化，并造成一系列安全隱患。因此，在分析車輛運(yùn)行穩(wěn)定性時(shí)，軌道激勵(lì)采用線路條件較惡劣的美國(guó)V級(jí)線路譜。

(2)低地板軌道車輛主要在城市中運(yùn)行，線路條件相對(duì)較好，因此,在分析車輛運(yùn)行平穩(wěn)性和曲線通過(guò)性能時(shí)，軌道激勵(lì)采用美國(guó)Ⅵ級(jí)線路譜，曲線參數(shù)為：直線段長(zhǎng)50 m,緩和曲線段長(zhǎng)20 m,圓曲線段長(zhǎng)30 m，曲線半徑為50 m。

2.1100%低地板軌道車輛的穩(wěn)定性分析

評(píng)價(jià)車輛穩(wěn)定性的方法為：在軌道上加50 m的美國(guó)V級(jí)線路不平順，當(dāng)車輛以某一速度通過(guò)激勵(lì)后，輪對(duì)會(huì)有一定的橫向位移，并在平直光滑的軌道上進(jìn)行衰減，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行后，若各輪對(duì)橫向位移能收斂于平衡位置，則車輛在這一速度下運(yùn)行是穩(wěn)定的，若不能充分衰減而存在較大的極限環(huán)振動(dòng)，則車輛在該速度下運(yùn)行已經(jīng)失穩(wěn)。

該100%低地板軌道車輛的最高運(yùn)行速度為80 km/h,圖3為以160 km/h的速度通過(guò)具有美國(guó)V級(jí)線路不平順的軌道時(shí)，各輪對(duì)的橫向振動(dòng)位移在時(shí)域內(nèi)的響應(yīng)。由圖知，車輛通過(guò)激勵(lì)時(shí)，各輪對(duì)均產(chǎn)生一較大的橫向位移，并于平直光滑的軌道上迅速衰減到平衡位置，該車輛具有極佳的穩(wěn)定性。

2.2100%低地板軌道車輛的平穩(wěn)性分析

采用小輪徑傳統(tǒng)輪對(duì)轉(zhuǎn)向架實(shí)現(xiàn)的100%低地板，嚴(yán)格意義來(lái)講不是真正的100%低地板，因?yàn)槠滠囕喼睆酵ǔＴ?00～600 mm，不能太小，否則車輪強(qiáng)度將受到較大考驗(yàn)，這樣轉(zhuǎn)向架上方無(wú)法實(shí)現(xiàn)低地板結(jié)構(gòu)，地板面高度約450 mm左右，而車輛入口處的地板面高度約350 mm，若設(shè)置臺(tái)階既會(huì)影響車輛的美觀也會(huì)大大降低乘車的便捷性，因此將車體之間通過(guò)斜坡進(jìn)行過(guò)渡連接，同樣為老人、兒童、殘疾人等特殊群體的乘車提供了便利，實(shí)現(xiàn)了100%低地板的功能。

該100%低地板軌道車輛由5節(jié)車體組成，浮車車體通過(guò)鉸接與相鄰車體連掛，這種特殊的結(jié)構(gòu)使得各車體振動(dòng)特性既相互關(guān)聯(lián)又存在差異。為了較好地反映低地板車輛的平穩(wěn)性，在每節(jié)車體地板面高度都設(shè)置傳感器，其中，兩端的司機(jī)室車體和中間短車體設(shè)置在距轉(zhuǎn)向架中心右側(cè)1 m，距軌面高450 mm處；兩節(jié)浮車設(shè)置在距車體中心前后1.8 m，左右1 m,距軌面高350 mm處。初始參數(shù)下，該100%低地板軌道車輛以20～80 km/h的速度在具有美國(guó)Ⅵ級(jí)線路不平順的軌道上運(yùn)行時(shí)，各車體橫向與垂向平穩(wěn)性指標(biāo)如圖4所示。

圖3　各輪對(duì)的橫向振動(dòng)位移在時(shí)域內(nèi)的響應(yīng)

圖4　各車體橫向、垂向平穩(wěn)性指標(biāo)

按照我國(guó)對(duì)客車車輛平穩(wěn)性指標(biāo)的評(píng)定GB 5599-1985標(biāo)準(zhǔn):平穩(wěn)性指標(biāo)W<2.5時(shí)，平穩(wěn)性等級(jí)為一級(jí)，評(píng)定結(jié)果為優(yōu)；平穩(wěn)性指標(biāo)2.5

從計(jì)算結(jié)果看，各車體的橫向、垂向平穩(wěn)性指標(biāo)隨著速度的增加而增大，在最高運(yùn)行速度80 km/h以內(nèi)，垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均小于2.5，達(dá)到了一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；在20～40 km/h的低速段，各車體橫向平穩(wěn)性指標(biāo)小于2.5，隨著速度的增加，各車體橫向平穩(wěn)性逐漸變差，當(dāng)速度達(dá)到70 km/h時(shí)，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)均大于2.75，該100%低地板軌道車輛的橫向平穩(wěn)性有待提高。

3　二系懸掛參數(shù)對(duì)100%低地板軌道車輛平穩(wěn)性的影響

二系懸掛參數(shù)對(duì)車輛的平穩(wěn)性影響顯著，其中，二系懸掛橫向剛度和橫向減振器阻尼主要影響車輛的橫向平穩(wěn)性，而二系懸掛垂向剛度和垂向減振器阻尼主要影響車輛的垂向平穩(wěn)性[3]。由初始參數(shù)下的計(jì)算結(jié)果可知，車輛的橫向平穩(wěn)性較差，速度超過(guò)70 km/h時(shí)，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)將大于2.75，因此重點(diǎn)分析二系懸掛橫向剛度和橫向減振器阻尼對(duì)車輛橫向平穩(wěn)性的影響，并提出一組優(yōu)化結(jié)果。

3.1二系懸掛橫向剛度對(duì)橫向平穩(wěn)性的影響

以美國(guó)Ⅵ級(jí)線路不平順作為激擾，車輛運(yùn)行速度為80 km/h時(shí)，二系懸掛橫向剛度對(duì)各車體橫向平穩(wěn)性的影響如圖5所示。

圖5　二系懸掛橫向剛度對(duì)橫向平穩(wěn)性的影響

由圖5可知，二系懸掛橫向剛度越大，車體橫向平穩(wěn)性越差，為保證各車體橫向平穩(wěn)性均達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，二系懸掛橫向剛度不得大于150 kN/m 。

3.2二系橫向減振器阻尼對(duì)橫向平穩(wěn)性的影響

以美國(guó)Ⅵ級(jí)線路不平順作為激擾，車輛運(yùn)行速度為80 km/h時(shí)，二系橫向減振器阻尼對(duì)橫向平穩(wěn)性的影響如圖6所示。

圖6　二系橫向減振器阻尼對(duì)橫向平穩(wěn)性的影響

由圖可知，隨著阻尼的增大，各車體橫向平穩(wěn)性指標(biāo)先減小后緩慢增大，在25～35 kN·s/m的范圍內(nèi)，各車體橫向平穩(wěn)性均能達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

綜上所述，該100%低地板軌道車輛以80 km/h的速度在美國(guó)Ⅵ級(jí)線路上運(yùn)行時(shí)，為了使各車體橫向平穩(wěn)

性均能達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，二系懸掛橫向剛度不得大于150 kN/m，二系橫向減振器阻尼應(yīng)保持在25～35 kN·s/m范圍內(nèi)。

4　100%低地板軌道車輛的參數(shù)優(yōu)化及動(dòng)力學(xué)分析

綜合上述二系懸掛參數(shù)對(duì)車輛平穩(wěn)性的影響，對(duì)轉(zhuǎn)向架部分參數(shù)做如下優(yōu)化：由于二系懸掛裝置采用高圓簧，其縱向和橫向剛度同時(shí)變化，故將二系懸掛的縱、橫向剛度均設(shè)為150 kN/m，二系懸掛垂向剛度保持不變，二系橫向減振器阻尼仍設(shè)為30 kN·s/m。

優(yōu)化車輛懸掛參數(shù)后，以美國(guó)Ⅵ級(jí)線路不平順作激擾，對(duì)該100%低地板軌道車輛在空車工況和定員工況下的動(dòng)力學(xué)性能做進(jìn)一步分析，測(cè)定的動(dòng)力學(xué)指標(biāo)包括橫向平穩(wěn)性指標(biāo)、垂向平穩(wěn)性指標(biāo)、脫軌系數(shù)、輪軌橫向力、輪重減載率等。

4.1平穩(wěn)性分析

以美國(guó)Ⅵ級(jí)線路不平順作為激擾，該100%低地板軌道車輛在空車工況和定員工況下以60～80 km/h的速度運(yùn)行時(shí)，各車體的平穩(wěn)性指標(biāo)如表2、表3所示。

表2　空車工況下各車體的平穩(wěn)性指標(biāo)

表3　定員工況下各車體平穩(wěn)性指標(biāo)

由表2、表3可知，該100%低地板軌道車輛以60～80 km/h的速度在空車工況和定員工況下運(yùn)行時(shí)，橫向平穩(wěn)性、垂向平穩(wěn)性均能達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，且定員工況下的平穩(wěn)性優(yōu)于空車工況下的平穩(wěn)性。

4.2曲線通過(guò)性分析

曲線通過(guò)性是評(píng)估車輛安全性的一個(gè)重要指標(biāo)，取車輛以10 km/h的速度通過(guò)半徑為50 m的平曲線，曲線參數(shù)為：直線段長(zhǎng)50 m,緩和曲線段長(zhǎng)20 m,圓曲線段長(zhǎng)30 m,在軌道上施加美國(guó)Ⅵ級(jí)線路不平順，分別計(jì)算空車工況和定員工況下各輪對(duì)左側(cè)車輪的輪軌橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率等動(dòng)力學(xué)指標(biāo)。

根據(jù)GB 5599-1985規(guī)定，脫軌系數(shù)第1限度不大于1.2，第2限度不大于1.0；輪重減載率第1限度不大于0.65，第2限度不大于0.60；輪軌橫向力的極限值Q≤19+0.3Pst，Pst為車輪靜載荷，該100%低地板軌道車輛空車工況下的軸重為8 t，定員工況下的軸重為11 t,計(jì)算得Q空車≤30.76 kN,Q定員≤35.17 kN。由表4、表5可知，車輛在空車工況和定員工況下通過(guò)曲線時(shí)，導(dǎo)向輪對(duì)的動(dòng)力學(xué)指標(biāo)普遍高于非導(dǎo)向輪對(duì)，且都能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4　空車工況下的曲線通過(guò)性分析

表5　定員工況下的曲線通過(guò)性分析

5　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)該100%低地板軌道車輛的建模和動(dòng)力學(xué)分析可得以下結(jié)論：

(1)初始參數(shù)下，該100%低地板軌道車輛的穩(wěn)定性及垂向平穩(wěn)性良好，其橫向平穩(wěn)性較差；

(2)為改善車輛橫向平穩(wěn)性，對(duì)轉(zhuǎn)向架懸掛參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果為：將二系懸掛的縱、橫向剛度設(shè)為150 kN/m，二系懸掛垂向剛度保持不變，二系橫向減振器阻尼仍設(shè)為30 kN·s/m。

(3)優(yōu)化后，該100%低地板軌道車輛在美國(guó)Ⅵ級(jí)線路上運(yùn)行時(shí)，速度在60～80 km/h范圍內(nèi)，空車工況和定員工況下各車體的橫向、垂向平穩(wěn)性均能達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；

(4)優(yōu)化后，該100%低地板軌道車輛分別在空車工況和定員工況下以10 km/h的速度通過(guò)半徑為50 m的曲線時(shí)，各輪對(duì)的輪軌橫向力、輪重減載率、脫軌系數(shù)都能滿足要求。

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The Dynamics Analysis of 100% Low-floor Light Rail Vehicle

LIYuqing，CHENKang，ZHANGJiang，HULizheng，LIUQi’ang

(Traction Power State Key Laboratory,Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031 Sichuan,China)

A kind of 100% low-floor light rail vehicle with small diameter wheel bogies was established by the use of the multi-body dynamics analysis software SIMPACK, then the stability and ride comfort were evaluated under initial conditions. The numerical results indicated that the vehicle system had excellent hunting stability and vertical ride comfort, but its lateral ride comfort was poor. In order to improve its lateral ride comfort, the suspension parameters of the bogie got optimized. Lastly the vehicle's dynamic performances in unloaded condition and loaded condition were further studied after the optimization.

small diameter wheel bogies; 100% low-floor light rail vehicle; optimization; unloaded condition; loaded condition; dynamic performances

1008-7842 (2016) 04-0067-05

??)女，碩士研究生(

2016-03-10)

U239.5

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.17