100%低地板有軌電車停車瞬間出現(xiàn)的側(cè)滾振動(dòng)問題研究

王文華 陸海英 吳 茁

(中車長春軌道客車股份有限公司國家軌道工程研究中心，130062，長春//第一作者，高級(jí)工程師)

就100%低地板有軌電車技術(shù)的發(fā)展歷程而言，實(shí)現(xiàn)車體地板面100%降低和貫通，主要有兩種思路：一種是取消傳統(tǒng)車軸的獨(dú)立輪轉(zhuǎn)向架方式；另一種是減小車輪直徑的傳統(tǒng)剛性輪對(duì)轉(zhuǎn)向架方式。但是采用傳統(tǒng)剛性輪對(duì)轉(zhuǎn)向架方式實(shí)現(xiàn)地板100%降低的車輛，在我國某城市的車輛運(yùn)用中，在車輛停車瞬間出現(xiàn)了側(cè)滾振動(dòng)現(xiàn)象。該現(xiàn)象在澳大利亞某城市的車輛運(yùn)用中亦出現(xiàn)過，嚴(yán)重影響到旅客乘坐的舒適性，因此有必要對(duì)其進(jìn)行深入研究。

1 側(cè)滾振動(dòng)

本文研究的車輛為典型輪對(duì)式5模塊100%低地板有軌電車。該列車由2個(gè)動(dòng)車模塊、2個(gè)浮車模塊和1個(gè)拖車模塊構(gòu)成。在車輛制動(dòng)駐停瞬間，整車開始出現(xiàn)側(cè)滾振動(dòng)：整車振動(dòng)方向一致，頭車動(dòng)車模塊較為明顯，一般振動(dòng)2～5次后靜止。

2 側(cè)滾振動(dòng)原因分析

整車在停車瞬間出現(xiàn)的側(cè)滾振動(dòng)并不屬于車輛在運(yùn)行狀態(tài)下的動(dòng)力學(xué)范疇。針對(duì)側(cè)滾振動(dòng)的影響因素，某些因素在整車運(yùn)行中并不起作用，而在停車瞬間才表現(xiàn)出來，如停車制動(dòng)、低速電制動(dòng)等因素。本文列出了8種可能導(dǎo)致車輛側(cè)滾振動(dòng)的影響因素(見圖1)，并根據(jù)駐車側(cè)滾振動(dòng)表現(xiàn)逐一進(jìn)行了分析。

圖1 導(dǎo)致車輛側(cè)滾振動(dòng)的可能影響因素

2.1 基于現(xiàn)象排除非影響因素

(1)線路垂向不平順超標(biāo)。當(dāng)線路垂向不平順超標(biāo)時(shí)，車輛會(huì)在固定區(qū)段出現(xiàn)來自輪軌的側(cè)滾激擾現(xiàn)象。該現(xiàn)象與停車位置、車輛停車前運(yùn)行區(qū)段以及運(yùn)行速度無關(guān)，因此可排除線路激擾因素。

(2)電制動(dòng)載荷側(cè)滾激擾。按照車輛制動(dòng)控制邏輯，電制動(dòng)在車輛降低到一定速度時(shí)便開始衰減退出，同時(shí)調(diào)用機(jī)械制動(dòng)，且車輛停車瞬間電制動(dòng)就已消失。兩者在執(zhí)行時(shí)間和控制邏輯上并無對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)停車階段側(cè)滾振動(dòng)亦無影響。從另一角度而言，車輛在電制動(dòng)初始階段，也沒有發(fā)生側(cè)滾振動(dòng)，所以基本可以排除電制動(dòng)所施加的載荷對(duì)車輛的影響。

(3)橫向沖擊致側(cè)滾耦合。車輛的側(cè)滾和橫移屬于耦合振動(dòng)，如果在車輛停車瞬間出現(xiàn)橫向振動(dòng)激擾，同樣亦會(huì)產(chǎn)生側(cè)滾(滾擺)。但是從車輛的整個(gè)傳力路徑，包括對(duì)輪軌間隙和橫向止檔間隙的檢查中，并沒有發(fā)現(xiàn)引起橫向振動(dòng)的輸入。因此車輛停車瞬間的橫向沖擊原因亦可排除。

(4)鉸接橫向剛度不足。當(dāng)車輛停車瞬間出現(xiàn)側(cè)滾振動(dòng)時(shí)，鉸接橫向剛度可將車輛的5個(gè)模塊形成一個(gè)整體，且5個(gè)模塊振動(dòng)方向一致。

(5)車體橫向重心偏差。整車設(shè)備布置包括超級(jí)電容、空調(diào)、內(nèi)裝、鋼結(jié)構(gòu)及相關(guān)附屬件等，這些設(shè)備基本對(duì)稱布置。理論上講，車體橫向重心偏差在可控范圍內(nèi)，其并非是造成車輛側(cè)滾振動(dòng)的影響因素。

2.2 仿真分析

2.2.1 轉(zhuǎn)向架一系垂向剛度的影響

將既有車輛轉(zhuǎn)向架一系垂向剛度由原先的每軸箱1.8 MN/m提高至3 MN/m時(shí)，車體二系垂向位移仿真結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，車體參數(shù)改變后，二系垂向位移下降約40%左右，其對(duì)抑制車體的振動(dòng)有一定效果。但隨著一系垂向剛度的增加，一系懸掛對(duì)輪軌振動(dòng)的衰減能力和脫軌安全性勢(shì)必降低。由于改變一系垂向剛度并沒有從根本上抑制車輛振動(dòng)問題，因此不能單純將增大一系垂向剛度作為其解決方案。

注：1和2分別代表原參數(shù)下轉(zhuǎn)向架上方車體地板右側(cè)和左側(cè)1 m處車體二系垂向位移曲線，3和4分別代表參數(shù)改變后轉(zhuǎn)向架上方車體地板右側(cè)和左側(cè)1m處二系垂向位移曲線

圖2 轉(zhuǎn)向架一系垂向剛度改變前后車體二系垂向位移結(jié)果對(duì)比圖

2.2.2 轉(zhuǎn)向架二系垂向剛度的影響

將既有車輛轉(zhuǎn)向架二系垂向剛度由原先的0.6 kN/mm降低至0.28 kN/mm時(shí)，車體二系垂向位移仿真結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，車體在停車瞬間，其振動(dòng)程度略有改善，但由二系垂向剛度減小而導(dǎo)致了空重車地板面垂向位移增加以及底架與車軸之間的安全間隙減小，故該因素亦不宜采用。

注：圖中1，2，3，4的釋義同圖1

圖3 轉(zhuǎn)向架二系垂向剛度改變前后車體二系垂向位移結(jié)果對(duì)比圖

2.2.3 轉(zhuǎn)向架二系垂向阻尼的影響

將既有車輛轉(zhuǎn)向架二系垂向阻尼由原先的30 kNs/m提高至60 kNs/m時(shí)，車體二系垂向位移結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，即使將二系垂向阻尼提高一倍，停車瞬間車輛出現(xiàn)的側(cè)滾振動(dòng)問題仍舊沒有改善。

注：圖中1，2，3，4的釋義同圖1

圖4 轉(zhuǎn)向架二系垂向阻尼改變前后車體二系垂向位移結(jié)果對(duì)比圖

2.2.4 抗側(cè)滾扭桿剛度的影響

將抗側(cè)滾扭桿剛度由原先的0.4 MNm/rad增加至1.2 MNm/rad時(shí)，車體二系垂向位移仿真結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，二系抗側(cè)滾扭桿剛度增加后，并不能解決停車振動(dòng)問題，但從抗側(cè)滾扭桿的功能性而言，仍需增加抗側(cè)滾扭桿剛度試驗(yàn)。

2.2.5 制動(dòng)力施加級(jí)位的影響

基礎(chǔ)制動(dòng)的控制邏輯如圖6所示。其中機(jī)械夾鉗的制動(dòng)過程分為三個(gè)級(jí)別，三級(jí)制動(dòng)即為停車瞬間的保持制動(dòng)(駐車制動(dòng))。仿真分析對(duì)比了僅施加一級(jí)制動(dòng)和二級(jí)制動(dòng)時(shí)的二系垂向位移結(jié)果(見圖7～8)。

注：圖中1，2，3，4的釋義同圖1

圖5 抗側(cè)滾扭桿剛度改變前后車體二系垂向位移結(jié)果對(duì)比圖

注：t代表時(shí)間，F(xiàn)代表制動(dòng)力

圖6 制動(dòng)控制邏輯示意圖

由圖7～8可知，采用二級(jí)制動(dòng)時(shí)，二系垂向位移最大可以降低約40%，而采用一級(jí)制動(dòng)最大可以降低約70%。由此可見，兩種制動(dòng)方式對(duì)減緩車體振動(dòng)現(xiàn)象效果均較明顯。

注：圖中1，2，3，4的釋義同圖1

圖7 施加一級(jí)制動(dòng)時(shí)的二系垂向位移比較圖

2.3 試驗(yàn)研究

2.3.1 增加抗側(cè)滾扭桿剛度試驗(yàn)

為驗(yàn)證抗側(cè)滾扭桿增大扭轉(zhuǎn)剛度后的抑制車體振動(dòng)效果，設(shè)計(jì)了剛度為1.2 MNm/rad的抗側(cè)滾扭桿(該參數(shù)為原車輛參數(shù)的3倍)裝車試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。圖9中，1、2分別代表轉(zhuǎn)向架上方車體地板右側(cè)和左側(cè)二系垂向位移。

注：圖中1，2，3，4的釋義同圖1

圖8 施加二級(jí)制動(dòng)時(shí)的二系垂向位移比較圖

注：圖中1，2，3，4的釋義同圖1

圖9 增加抗側(cè)滾扭桿剛度試驗(yàn)下的二系垂向位移圖

2.3.2 機(jī)械制動(dòng)載荷側(cè)滾激擾測(cè)試

通過對(duì)轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，動(dòng)力轉(zhuǎn)向架在制動(dòng)過程，由于制動(dòng)夾鉗位于轉(zhuǎn)向架對(duì)角布置，在施加停車制動(dòng)瞬間，制動(dòng)夾鉗兩側(cè)受力均為豎向且方向相反，從而形成側(cè)滾力矩激擾。而拖車轉(zhuǎn)向架制動(dòng)夾鉗為左右對(duì)稱布置，因此不存在此問題。

在停車瞬間，對(duì)構(gòu)架兩側(cè)測(cè)滾激擾和車體振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖10所示。在停車制動(dòng)瞬間，制動(dòng)夾鉗給構(gòu)架一個(gè)側(cè)滾沖擊，然后通過二系傳遞給車體，隨后構(gòu)架靜止，而車體繼續(xù)發(fā)生測(cè)滾振動(dòng)，由此可見，試驗(yàn)研究和仿真分析結(jié)論一致。

2.3.3 不同制動(dòng)載荷工況試驗(yàn)

根據(jù)上述仿真分析及機(jī)械制動(dòng)載荷側(cè)滾激擾測(cè)試結(jié)論，針對(duì)制動(dòng)方案擬定了4種不同制動(dòng)工況，如表1所示，其中工況4效果明顯。

3 解決方案的制定及試驗(yàn)效果

根據(jù)仿真分析與不同制動(dòng)試驗(yàn)工況測(cè)試結(jié)果可知，減小機(jī)械制動(dòng)載荷側(cè)滾激擾是解決停車瞬間車體側(cè)滾振動(dòng)問題的關(guān)鍵。實(shí)際上，該問題是電制動(dòng)與機(jī)械制動(dòng)能力相互平衡的問題，當(dāng)電制動(dòng)退出時(shí)，為減小制動(dòng)側(cè)滾振動(dòng)激擾，擬采用如下解決方案：

a) 構(gòu)架兩側(cè)制動(dòng)激擾

b) 車體振動(dòng)響應(yīng)

工況內(nèi)容效果1車速為6 km/h時(shí),施加二級(jí)制動(dòng)力;車速為1 km/h時(shí),施加三級(jí)制動(dòng)力無效果2車速為6 km/h時(shí),施加二級(jí)制動(dòng)力;車速為1 km/h時(shí),延遲2 s后施加三級(jí)制動(dòng)力無效果3兩端動(dòng)車車速為6 km/h時(shí),施加一級(jí)制動(dòng)力,零速信號(hào)后延遲2 s對(duì)動(dòng)車施加三級(jí)制動(dòng)力無效果4車速為6 km/h時(shí),僅對(duì)拖車施加制動(dòng)力,零速信號(hào)后延遲2 s對(duì)動(dòng)車施加三級(jí)制動(dòng)力振動(dòng)消失

(1) 在激活端動(dòng)車電制動(dòng)退出時(shí)，不對(duì)激活端施加各等級(jí)制動(dòng)；

(2) 當(dāng)車輛停穩(wěn)延時(shí)2 s后施加保持制動(dòng)，此時(shí)非激活端動(dòng)車和拖車的停車制動(dòng)在電制動(dòng)退出時(shí)生效，以保持整車減度和制動(dòng)安全距離。

對(duì)上述制定的制動(dòng)控制解決方案進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖11所示。由圖11可知，停車制動(dòng)時(shí)，構(gòu)架兩側(cè)制動(dòng)激擾以及構(gòu)架對(duì)車體的側(cè)滾激擾已消失，停車時(shí)車體僅出現(xiàn)并不能被人感知的小幅浮沉振動(dòng)，側(cè)滾振動(dòng)完全消失。

a) 構(gòu)架兩側(cè)制動(dòng)激擾

b) 車體振動(dòng)響應(yīng)

4 結(jié)論

(1) 經(jīng)過一系列的懸掛參數(shù)試驗(yàn)表明，由機(jī)械制動(dòng)引起的停車振動(dòng)問題與常規(guī)動(dòng)力學(xué)問題不同，其是自下而上的側(cè)滾激擾。仿真分析證明，通過改變一系/二系垂向剛度、二系垂向阻尼以及抗側(cè)滾扭桿剛度等參數(shù)，基本對(duì)抑制停車側(cè)滾振動(dòng)不起作用。

(2) 減小停車瞬間的機(jī)械制動(dòng)力輸入是解決車體出現(xiàn)側(cè)滾振動(dòng)問題的關(guān)鍵，實(shí)際上該問題也是整車電制動(dòng)與機(jī)械制動(dòng)能力相互平衡的問題。提高電制動(dòng)能力進(jìn)而降低機(jī)械制動(dòng)激擾，也能間接起到緩解車輛駐停時(shí)引起的車體側(cè)滾振動(dòng)現(xiàn)象。

(3) 轉(zhuǎn)向架一系垂向剛度雖能在一定程度上抑制機(jī)械制動(dòng)的垂向激擾，但增大后的一系垂向剛度對(duì)輪軌振動(dòng)的衰減能力勢(shì)必造成影響，因此應(yīng)對(duì)此措施仔細(xì)評(píng)估并慎重采用。