雙動力地鐵打磨車動態(tài)包絡(luò)線計算研究

吳廣豐，雷張文，方繼武，向鵬霖

(寶雞中車時代工程機械有限公司株洲分公司，湖南 株洲 412001)

0 引言

隨著國內(nèi)軌道交通工程維護(hù)裝備技術(shù)能力的提升，越來越多的維護(hù)裝備核心技術(shù)被國內(nèi)企業(yè)掌握，甚至部分技術(shù)分支開始引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展。以前國內(nèi)維護(hù)裝備技術(shù)重心主要針對國鐵市場，隨著國內(nèi)地鐵建設(shè)蓬勃發(fā)展，地鐵線路運營里程不斷增加，對維護(hù)裝備的需求加大，國內(nèi)軌道工程維護(hù)裝備企業(yè)開始進(jìn)軍地鐵市場。

國鐵線路是通用線路，為了盡可能地包容更多的車型，限界預(yù)留間隙相對較大，采用了GB 146.1及GB 146.2規(guī)定的靜態(tài)限界體系；而作為專用線路的地鐵線路，為了優(yōu)化建設(shè)成本，限界預(yù)留間隙較小，采用了CJJ 96規(guī)定的動態(tài)限界體系。國鐵軌道工程維護(hù)車輛移植到地鐵線路中，不能簡單地縮減車輛斷面尺寸，而是需要進(jìn)行精確的計算，通過限界計算數(shù)據(jù)指導(dǎo)車輛設(shè)計，確保安全的前提下盡可能地利用盡空尺寸。CJJ96限界體系提出了地鐵車輛動態(tài)包絡(luò)線計算方法，但由于工程車車輛結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)向架型式、維護(hù)方式、運營方式均與通用地鐵車輛不同，標(biāo)準(zhǔn)中的計算公式不能直接照搬。研究工程車動態(tài)包絡(luò)線計算方法，掌握整車系統(tǒng)集成的限界核心技術(shù)，無論對眼前地鐵工程車研發(fā)，還是對將來工程車走向世界，均有重要意義。

1 車輛結(jié)構(gòu)介紹

1.1 車輛總體參數(shù)

我公司研發(fā)的雙動力地鐵打磨車主要用于地鐵線路的鋼軌打磨維護(hù)，車輛由A、B兩節(jié)車固定編組，列車通過永久牽引桿鏈接。其中A車為動力車，為車輛提供動力，車下設(shè)置2臺電傳動動力轉(zhuǎn)向架，車輛運行所需電能可由柴油發(fā)電機組提供，也可以通過車載受電弓，由接觸網(wǎng)提供；B車為作業(yè)車，車下安裝2臺作業(yè)小車用于鋼軌打磨作業(yè)，作業(yè)裝置采用電驅(qū)動，電源由A車提供。列車主要結(jié)構(gòu)示意，詳見圖1。

圖1 雙動力鋼軌打磨車編組圖

A車車下設(shè)置了1套最大油量為3 t的油箱，采用柴油發(fā)電機組供電時，柴油重量將逐漸減小。B車車上設(shè)置2套集塵系統(tǒng)wj，每套集塵系統(tǒng)最大集塵能力為500 kg，車輛作業(yè)時集塵系統(tǒng)收集粉塵后重量逐漸增加。B車車內(nèi)配置消防用水3 t，用于在特殊情況下進(jìn)行防火滅火。作業(yè)小車每套重量為5.5 t，車輛行駛工況下，作業(yè)小車固定在車體底架上，作業(yè)工況下，2套小車下放到軌道上與鋼軌接觸，車體僅提供小車作業(yè)時的縱向牽引力，不承受小車重力帶來的垂向載荷。不含轉(zhuǎn)向架的車輛重量參數(shù)及質(zhì)心位置，詳見表1；車輛主要總體技術(shù)參數(shù)，詳見表2。

表1 重量計算參數(shù)表

表2 車輛主要總體技術(shù)參數(shù)

1.2 轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)

A車與B車的轉(zhuǎn)向架采用相同的設(shè)計，A車轉(zhuǎn)向架相比B車轉(zhuǎn)向架多了傳動裝置，構(gòu)架接口一致，其他主要部件可互換。A車轉(zhuǎn)向架三維模型，詳見圖2。

圖2 動力轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)示意圖

轉(zhuǎn)向架采用整體碾鋼車輪，輪對內(nèi)側(cè)距1 353±2 mm，踏面采用LM型踏面，輪徑φ770-φ840，車輪旋修周期輪徑差不大于12 mm，旋輪后不對懸掛高度進(jìn)行補償。軸箱采用轉(zhuǎn)臂式定位，一系垂向減震器采用鋼彈簧，最大垂向位移40 mm。二系采用方形截面橡膠簧，牽引座采用單拉桿結(jié)構(gòu)，牽引座與構(gòu)架間設(shè)置橫向減震器，牽引座與構(gòu)架間隙為15 mm(自由間隙)+25 mm(彈性間隙)。轉(zhuǎn)向架主要技術(shù)參數(shù)，詳見表3。

2 動態(tài)包絡(luò)線計算方法

2.1 計算原則

車輛限界的計算以列車在平直線上，并以額定速度在軌道上運行為基本條件。根據(jù)線路環(huán)境不同分為隧道內(nèi)車輛限界和高架線(或地面線)車輛限界兩種基本類型。

車輛限界的計算參數(shù)，按其概率性質(zhì)分成兩大類：隨機因素和非隨機因素。對非隨機因素按線性相加合成；對按高斯概率分布的隨機因素采取均方根合成，將兩大類相加形成車輛的偏移量。

車輛限界的偏移量計算按車體、轉(zhuǎn)向架、受電弓三部分計算，其中轉(zhuǎn)向架又細(xì)分為構(gòu)架、簧下、輪緣、踏面四部分。

用于計算車輛限界計算因素包括下列要素。

1)車輛的制造誤差值。

2)車輛的維修限度。

3)轉(zhuǎn)向架輪對處于軌道上的最不利運行位置。

4)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架相對于輪對的橫向及豎向位移量。

5)車體相對于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的橫向及豎向位移量。

6)車體相對于軌道線路的最不利傾斜位置。

7)車輛的空重車撓度差及豎向位移量。

8)因車輛制造、載荷不對稱等引起的偏斜。

9)車輛一系懸掛及二系懸掛側(cè)滾位移量。

10)軌道線路的垂向及橫向幾何偏差、磨耗、維修限度及彈性變形量。

表3 轉(zhuǎn)向架主要技術(shù)參數(shù)

2.2 計算工況

根據(jù)線路條件不同，限界計算工況可區(qū)分為：直線地面、直線隧道狀態(tài)下車輛滿足車輛限界和曲線地面、曲線隧道車輛滿足設(shè)備限界，其中不同曲線半徑需分別計算；根據(jù)車輛重量狀態(tài)，限界計算工況可區(qū)分為：最大重量及最小重量車輛限界；根據(jù)車輛狀態(tài)需校核的狀態(tài)不同，限界計算工況可區(qū)分為：正常工況滿足車輛限界或曲線設(shè)備限界、一系故障工況下滿足設(shè)備限界、二系故障滿足設(shè)備限界。作業(yè)車在打磨作業(yè)狀態(tài)下，打磨小車被下放到鋼軌上，小車與母車分別獨立走行，其限界應(yīng)分別校核。A車與B車結(jié)構(gòu)尺寸、重量參數(shù)也不相同，其車輛限界應(yīng)分別校核。因此打磨車限界校核工況需根據(jù)各參數(shù)進(jìn)行組合排列，詳見表4。

表4 工況匯總表

以上合計72個工況。注：①不同曲線半徑應(yīng)分別計算。②應(yīng)分別計算AW0與AW3工況限界。③作業(yè)小車作業(yè)狀態(tài)下限界，在車輛走行包絡(luò)線內(nèi)可不單獨另算。④故障工況下，車輛不進(jìn)行作業(yè)，不需要校核故障作業(yè)工況。

2.3 動態(tài)包絡(luò)線計算方法

2.3.1 運輸工況-直線計算方法

2.3.1.1 車體部分

1)車體橫向平移和車體傾角產(chǎn)生的橫向偏移方向相同時。

(1)車體橫向：

(1)

(2)車體垂向向上：

(2)

(3)車體垂向向下：

(3)

2)車體橫向平移和車體傾角產(chǎn)生的橫向偏移方向相反時。

(1)車體橫向：

(4)

(2)車體垂向向上：

(5)

(3)車體垂向向下：

(6)

2.3.1.2 轉(zhuǎn)向架部分

1)構(gòu)架。

(1)構(gòu)架橫向：

(7)

(2)構(gòu)架垂向向上：

(8)

(3)構(gòu)架垂向向下：

(9)

2)簧下。

(1)簧下橫向：

(10)

(2)簧下垂向：

(11)

3)輪緣垂向。

(12)

4)踏面垂向。

(13)

2.3.1.3 受電弓部分

1)橫向：

受電弓橫向公式采用式1進(jìn)行計算。

2)垂向向上：

ΔYgu=ΔJvd+ΔJvw+ΔSvw

(14)

2.3.2 作業(yè)工況-直線計算方法

打磨車作業(yè)工況下，A車狀態(tài)與走行工況一致，計算方法同2.3.1公式；B車下放打磨小車后，車體載重減輕，車體、構(gòu)架上浮，計算方法在2.3.1公式基礎(chǔ)上，應(yīng)考慮車體和轉(zhuǎn)向架上浮量。

2.3.3 曲線及故障計算方法

曲線工況下，車輛動態(tài)包絡(luò)線應(yīng)在2.3.1的基礎(chǔ)上，增加考慮以下增加量。

1)水平曲線幾何偏移量給車體、轉(zhuǎn)向架帶來的橫向加寬量。

2)線路超高與超高引起的車體橫向和豎向增加量。由于最大作業(yè)速度為16 km/h，作業(yè)通過曲線速度遠(yuǎn)小于通過曲線的平衡速度，故作業(yè)工況下不考慮前超高。

3)曲線軌道參數(shù)及車輛在曲線上參數(shù)變化，帶來的加寬和加高量。

表5 軌道參數(shù)表

一系為鋼彈簧，最惡劣的故障工況為鋼簧折斷，鋼簧折斷后自由高度降低1個節(jié)距，同時該鋼簧由兩截鋼簧串聯(lián)，剛度減半。因此構(gòu)架垂向向下位移應(yīng)多考慮向下1個節(jié)距，車體垂直向下位移應(yīng)多考慮半個節(jié)距，橫向應(yīng)考慮側(cè)滾增加量。二系為橡膠堆，最惡劣的故障工況為剛度失效，故障工況考慮剛度降低到設(shè)計值70%，車體垂向向下位移應(yīng)考慮剛度變化增加的垂向量，車體橫向位移應(yīng)考慮單個二系故障帶來的側(cè)滾量。

3 雙動力地鐵打磨車限界校核

3.1 計算參數(shù)

根據(jù)以下軌道參數(shù)，依據(jù)2.3的計算方法進(jìn)行各工況下車輛動態(tài)包絡(luò)線計算，并校核該工況下的車輛限界或設(shè)備限界。

3.2 計算結(jié)果校核

通過校核由線路(隧道與地面、直線與各種曲線)、車輛狀態(tài)(空重車、正常及故障、作業(yè)及走行)、車型(A&B車)組合的各個工況(見表4)，逐個校核車輛動態(tài)包絡(luò)線滿足A型&B2型限界要求。以下為部分校核結(jié)果，圖3為直線隧道限界校核結(jié)果，圖4為直線地面限界校核結(jié)果。

圖3 直線隧道限界校核結(jié)果

圖4 直線地面限界校核結(jié)果

4 結(jié)語

本文通過分析車輛和轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)，提出了某型號雙動力鋼軌打磨車的限界計算方法，并驗證了該車輛同時滿足A型和B2型限界要求。根據(jù)計算數(shù)據(jù)表現(xiàn)，后續(xù)類似車輛研發(fā)或該車輛改進(jìn)設(shè)計時，建議關(guān)注車體肩部區(qū)域的限界；B車作業(yè)狀態(tài)下上部限界較惡劣，應(yīng)重點關(guān)注；車體側(cè)墻可考慮設(shè)置為斜面，車體斷面為上窄下寬的梯形，同時車體地板面處寬度可做到2 700 mm以上2 800 mm以內(nèi)。