導(dǎo)軌電車車輛的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬 凱 孫珉堂 周家林 陳常江

（中車四方車輛有限公司，266111，青島∥第一作者，高級(jí)工程師）

導(dǎo)軌電車是一種由膠輪承載及驅(qū)動(dòng)的自導(dǎo)向型中低運(yùn)量軌道交通系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)3～6節(jié)靈活編組，具有方便乘坐、轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強(qiáng)、制動(dòng)距離短、線幅占地面積小、基礎(chǔ)設(shè)施簡(jiǎn)單、建設(shè)周期短等優(yōu)點(diǎn)，適用于中小城市內(nèi)部、城市與市郊（或衛(wèi)星城）之間、城市新區(qū)或開發(fā)區(qū)內(nèi)部及旅游景區(qū)等區(qū)域，能有效緩解城市交通擁堵。

1 概況

2016年，中車四方車輛有限公司成功研制了國(guó)內(nèi)第1列具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的現(xiàn)代導(dǎo)軌電車。該電車采用雙司機(jī)室設(shè)計(jì)，可雙向駕駛，采用橡膠輪胎承載，由單軌鋼輪導(dǎo)向及回流，DC 750 V接觸網(wǎng)供電模式。電車為100%低地板，其地板面高度為270 mm，其客室實(shí)現(xiàn)了無(wú)障礙通過(guò)。電車最高運(yùn)行速度為80 km/h，最大爬坡坡度為13%，最小轉(zhuǎn)彎半徑僅為15 m。

電車采用“Mc+Tp+Mc”的編組形式。其中，Mc為帶司機(jī)室的動(dòng)車，Tp為帶受電弓的拖車。

導(dǎo)軌電車車輛編組圖見(jiàn)圖1。導(dǎo)軌電車的運(yùn)用條件見(jiàn)表1，車輛的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 導(dǎo)軌電車車輛編組圖

表1 導(dǎo)軌電車的運(yùn)用條件

表2 導(dǎo)軌電車車輛的主要技術(shù)參數(shù)

2 車輛系統(tǒng)設(shè)計(jì)

導(dǎo)軌電車的車輛系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要涵蓋車輛編組方式、車輛動(dòng)力學(xué)分析、車輛曲線通過(guò)能力分析、車體與構(gòu)架強(qiáng)度疲勞分析、車輛牽引制動(dòng)性能匹配等方面。

2.1 車輛編組方式

導(dǎo)軌電車的3節(jié)車體通過(guò)2組鉸接裝置連接。導(dǎo)軌電車?yán)娩撦喤c鋼軌之間的橫向作用力來(lái)實(shí)現(xiàn)自導(dǎo)向，其垂向和縱向力的傳遞通過(guò)膠輪實(shí)現(xiàn)。導(dǎo)軌電車的車輛編組模型如圖2所示。

圖2 車輛編組模型

導(dǎo)軌電車主要在公路上行駛，所處路況較復(fù)雜。當(dāng)導(dǎo)軌電車經(jīng)過(guò)不平整時(shí)路面時(shí)，3節(jié)車體會(huì)先后出現(xiàn)側(cè)滾，車體之間會(huì)形成較大的扭轉(zhuǎn)角度。這就要求車體鉸接點(diǎn)處沿縱向軸具有一定旋轉(zhuǎn)自由度。導(dǎo)軌電車經(jīng)過(guò)坡道時(shí)，會(huì)出現(xiàn)第一節(jié)車體已經(jīng)上了坡道，另外2節(jié)車體還處于水平路面上的情況，這時(shí)在2節(jié)車體之間形成了1個(gè)夾角。這就要求鉸接點(diǎn)處在橫向也具有一定旋轉(zhuǎn)自由度。因此，在車體與搖架之間選用軸向盤式+球形的復(fù)合鉸接式軸承（見(jiàn)圖3），在端部車體與搖架之間安裝抗側(cè)滾裝置，在中間車體與搖架之間安裝三角拉桿式彈性鉸及抗側(cè)滾裝置（見(jiàn)圖4）。

圖3 復(fù)合鉸接軸承

圖4 三角拉桿式彈性鉸及抗側(cè)滾裝置

2.2 車輛曲線通過(guò)能力

為論證車輛水平小半徑曲線通過(guò)性能，設(shè)計(jì)了模擬計(jì)算的曲線軌道。其中小半徑曲線軌道是半徑為15 m的1/4圓曲線，S曲線軌道的半徑也均為15 m。

當(dāng)頭車、中間車、尾車進(jìn)入彎道時(shí)，通過(guò)模擬仿真模型對(duì)車下及車端位置干涉情況進(jìn)行檢查。未發(fā)現(xiàn)車輛有干涉點(diǎn)情況。

2.3 車體結(jié)構(gòu)

導(dǎo)軌電車車體由司機(jī)室車體、客室車廂和貫通道組成。客室車體采用輕質(zhì)鋁合金焊接結(jié)構(gòu)。

車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)按照EN 12663—1中P-V類軌道交通車輛的車體結(jié)構(gòu)要求。車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算的載荷工況及相應(yīng)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

2.4 走行結(jié)構(gòu)

導(dǎo)軌電車走行部由動(dòng)力走行部及非動(dòng)力走行部組成，采用由膠輪承載及驅(qū)動(dòng)，由單軌鋼輪導(dǎo)向的結(jié)構(gòu)。

動(dòng)力走行部主要由驅(qū)動(dòng)輪橋、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、懸掛及牽引裝置等組成（見(jiàn)圖5）非動(dòng)力走行部主要由承載橋組成、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、懸掛及牽引裝置等組成（見(jiàn)圖6）。

表3 車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算的載荷工況及相應(yīng)計(jì)算結(jié)果

圖5 動(dòng)力走行部

圖6 非動(dòng)力走行部

當(dāng)導(dǎo)軌電車左轉(zhuǎn)行駛時(shí)，導(dǎo)向輪滑塊與導(dǎo)向連桿接觸，使前端導(dǎo)向連桿處于鎖閉狀態(tài)，而后端導(dǎo)向輪的滑塊和導(dǎo)向連桿均處于開合狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)行駛的導(dǎo)向功能。

當(dāng)導(dǎo)軌電車反方向行駛時(shí)，切換導(dǎo)向機(jī)構(gòu)鎖閉狀態(tài)，即可實(shí)現(xiàn)反方向?qū)蚬δ?。?dǎo)向機(jī)構(gòu)組成見(jiàn)圖7。

根據(jù)走行部動(dòng)力學(xué)計(jì)算的模擬結(jié)果，在15 m半徑曲線軌道上，導(dǎo)軌電車所有輪胎的側(cè)偏角均未超過(guò)4°；在其他半徑曲線軌道上，輪胎的側(cè)偏角也均在正常水平。導(dǎo)向輪在重車通過(guò)15 m半徑曲線時(shí)導(dǎo)向力為12 kN，輪胎最大豎向力為62 kN。

2.5 牽引系統(tǒng)與制動(dòng)系統(tǒng)

圖7 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)組成

導(dǎo)軌電車牽引系統(tǒng)主要由受電弓、高壓斷路器、高壓箱、牽引逆變器、牽引電機(jī)、牽引蓄電池和電阻制動(dòng)裝置等組成。

圖8 牽引特性曲線

牽引電機(jī)額定功率為166 kW，最大牽引扭矩為2 200 N·m。牽引特性曲線如圖8所示。

導(dǎo)軌電車采用微機(jī)控制式直通式電空制動(dòng)系統(tǒng)。該制動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)監(jiān)控終端，具有自診斷功能，采取電制動(dòng)優(yōu)先設(shè)計(jì)，有常用制動(dòng)、快速制動(dòng)、緊急制動(dòng)、保持制動(dòng)、停放制動(dòng)及極限制動(dòng)等6種制動(dòng)模式，具備EBS（電控制動(dòng)系統(tǒng)）制動(dòng)力調(diào)整及防滑控制功能。

基礎(chǔ)制動(dòng)采用盤型制動(dòng)。當(dāng)制動(dòng)初速度為80 km/h時(shí)，制動(dòng)距離為68.3 m。

2.6 其他

空調(diào)采暖系統(tǒng)采用頂置單元式空調(diào)機(jī)組，滿足GB/T 23431—2009《城市輕軌交通鉸接車輛通用技術(shù)條件》的要求。

采用航空級(jí)輕型材料作為內(nèi)部裝飾的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)材料。其輕量化效果明顯較普通玻璃鋼相比可減重約1/3。

3 試驗(yàn)與驗(yàn)證

根據(jù)GB/T 14894，導(dǎo)軌電車開展了曲線通過(guò)、車體及設(shè)備密封性、車體及構(gòu)架強(qiáng)度、牽引性能、制動(dòng)性能等20余項(xiàng)型式試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果均符合設(shè)計(jì)要求。

目前導(dǎo)軌電車仍處于運(yùn)行考核階段，已在試驗(yàn)線累計(jì)完成了3 000 km運(yùn)行考核目標(biāo)。按下來(lái)將進(jìn)行載客試運(yùn)行。

［1］ 高立.淺談一種新型膠輪單軌有軌電車系統(tǒng)［J］.軌道交通，2009.

［2］ 馮京波，郭澤闊，毛勵(lì)良，等.沈陽(yáng)渾南新區(qū)100%低地板車輛技術(shù)特點(diǎn)［J］.都市快軌交通，2013（6）：136.

［3］ 付穩(wěn)超，黃烈威，孫加平，等.100%低地板現(xiàn)代有軌電車的研制［J］.現(xiàn)代城市軌道交通，2014（1）：33.

［4］ 蔡天明．鋼輪鋼軌與膠輪導(dǎo)軌電車對(duì)比研究及選型思考［C］∥中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)城市軌道交通技術(shù)工作委員會(huì)，世界軌道交通發(fā)展研究會(huì).2015中國(guó)（天津）區(qū)域軌道交通發(fā)展及裝備關(guān)鍵技術(shù)論壇.天津：天津軌道交通集團(tuán)，2015.