城市軌道車輛重量管理、計算及測定方法

楊懷生，尚歌

（1.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062；2.吉林建筑大學，吉林 長春 130118）

隨著現代城市軌道交通的快速發(fā)展，軌道車輛（下文簡稱車輛）應具備高安全性、高可靠性、高載客量、低能耗等性能。車輛重量作為軌道車輛的關鍵參數，直接決定著軌道車輛的碰撞性能、載客能力、動力學性能、牽引性能、制動性能、能耗及車輛壽命等各項關鍵性能指標。本文根據多個國內外軌道車輛項目的實際執(zhí)行經驗，探討并總結了城市軌道車輛的重量管理方法（包括計算和測定方法）。

1 重量管理

重量管理是軌道車輛正向設計的必要環(huán)節(jié)，應貫穿于車輛的設計、制造及驗證等過程中。

在概念設計階段，專業(yè)負責人重量管理經理根據合同要求及以往項目的設計經驗，將重量指標分配給車輛的各個子系統(tǒng)。

在方案及系統(tǒng)設計階段，設計師將進行初步設計，以滿足分配的重量指標。設計師報告所有偏離指標重量的情況，重量管理經理需要根據這些數據進行總體分析。如果車輛的重量超出合同的限制值，重量管理經理將與設計師討論相應子系統(tǒng)的減重方法，并在必要時修改其設計。設計師還應提供各子系統(tǒng)的重量和重心，重量管理經理基于這些數據，計算出車輛的重量、重心、軸重平衡偏差（下文簡稱軸重偏差）和輪重平衡偏差（下文簡稱輪重偏差），并將車輛的重量和重心輸出給子系統(tǒng)，用于初步的車體及構架強度分析、列車碰撞性能計算、動力學性能計算、牽引性能計算、制動性能計算、及整車的能耗分析。

在詳細設計階段，重復上一階段的重量評估過程。同時，重量管理經理基于子系統(tǒng)更新后的重量和重心，計算出最終車輛理論重量、重心、軸重偏差和輪重偏差，并將車輛的重量和重心輸出給子系統(tǒng)，用于最終的車輛各項性能計算分析。

在車輛的零部件制造階段，分包商將根據批準的設計規(guī)范和圖紙制造子系統(tǒng)設備。完成首件試制后，分包商應對首件進行稱重，以驗證設計的重量。如果稱重值超出重量指標，需要修改設計以滿足重量要求。

在整車制造試驗階段，完成車輛裝配后，將對車輛進行稱重，并對稱重結果進行分析，驗證設計重量、軸重平衡偏差和輪重平衡偏差。

2 計算方法

軌道車輛是由各個子系統(tǒng)部件組裝而成，各個子系統(tǒng)部件均有自身重量和重心。重量管理計算是基于車輛各個子系統(tǒng)輸入部件級的重量和重心，計算出車輛的重量、重心、軸重偏差及輪重偏差。

在計算車輛重心、軸重偏差及輪差過程中，首先需要建立參考坐標系，參考坐標系如下圖1所示。

X軸：取車輛的縱向中心線為X軸；

Y軸：取車輛的橫向中心線為Y軸（橫向中心即車輛定距中心）；

Z軸：取車輛的垂向中心線為Z軸；

原點：取軌面上X、Y、Z軸的相交點為原點。

圖1 車輛坐標系示意圖

軌道車輛的重心是依據力系平衡方程和力矩平衡方程原理計算而得。靜態(tài)力系平衡方程和空間力矩平衡方程分別為：

由上述方程原理可得出車輛重心的計算方程：

軸重平衡偏差計算方程：

輪重平衡偏差計算方程：

由上述方程可得出理論的車輛重量、重心、軸重偏差和輪重偏差。

對于城市軌道車輛，國內外標準對軸重偏差和輪重偏差進行了規(guī)定，其中標準GB/T7928《地鐵車輛通用技術條件》和GB50157《地鐵設計規(guī)范》規(guī)定如下：

同一動車的每根動軸上所測得軸重與該車各動軸實際平均軸重之差，不應超過實際平均軸重的2%；

每個車輪的實際輪重與該軸兩輪平均輪重之差，不應超過該軸兩輪平均輪重的±4%。

在設計階段，理論的軸重偏差和輪重偏差，也都按照上述標準進行控制。

由車輛重量管理的計算方法可知，為確保車輛的軸重和輪重合理分配，設備布置應充分考慮對稱性和集成化布局，進而提高列車的運行穩(wěn)定性。

3 測定方法

在車輛零部件制造階段，需要對各個零部件進行稱重，不允許超過設計重量指標要求。

在整車制造試驗階段，為保證整車軸重偏差和輪重偏差滿足上述要求，在車輛上體（不包含轉向架）完成裝配后，需要使用四點稱重儀進行四點稱重，確保上體的重量平衡滿足下述要求。如果不滿足要求，需要在簧上進行加墊調整。

轉向架完成裝配后，模擬車輛上體重量對轉向架進行靜壓試驗，確保輪重偏差不超過2%。如果不滿足要求，需要在簧下進行加墊調整。

車輛上體與轉向架連接，完成車輛裝配后，采用稱重臺，對整車重量、軸重偏差及輪重偏差進行測試，進而判斷是否滿足標準要求。

4 應用

國內某軌道車輛制造公司一出口的A型、寬軌的地鐵車輛項目，按照上述管理方法進行了重量管控。

結合該項目的總體參數，將上述重量管理的計算公式輸入在Excel文件中，然后，按照零部件的層級，在對應位置輸入車輛所有零部件的重量和重心參數，自動計算出車輛的總重、軸重偏差和輪重偏差等數據。

該項目的車輛寬度3040mm，車輛長度22180mm，軸距為2500mm，車輛定距16150m，軌距1600mm。根據合同要求，AW0工況對應于空車狀態(tài)。依據上述公式及參數計算車輛的重量、軸重偏差和輪重偏差，并按照上述測定方法進行測試驗證。

計算車輛重量、實際車輛重量及理論與實際偏差值，如表1所示。

表1 各車型的車輛重量（kg）

計算軸重偏差和實際軸重偏差，如表2所示。Tc車和DT車為拖車，標準對軸重偏差無明確要求，但為保證車輛的輪重減載率滿足60%的要求，建議不大于4%。Mp車為動車，計算軸重偏差和實測軸重偏差均滿足標準要求。

表2 各車型的最大軸重偏差

計算輪重偏差和實際輪重偏差，如表3所示，均滿足標準要求。

表3 各車型的最大輪重偏差

在設計階段，將上述理論參數作為車輛各性能計算分析的輸入參數。通過動態(tài)試驗證明，試驗結果和理論結果吻合度較高，間接佐證了上述管理方法的有效性和計算方法的正確性。

5 結語

車輛重量作為軌道車輛基本性能參數，直接影響著車輛的整體性能。本文闡述了重量管理方法、計算方法及測定方法。在實際項目應用中，從設計到制造、從零部件到整車，在各階段對車輛各級部件的重量進行了精確管控。工程驗證表明，上述方法能對整個車輛設計過程的重量參數進行有效管理，與實際情況偏差較小，滿足相關標準要求。這為車輛的輕量化設計及整車性能優(yōu)化提供了準確的基礎數據支持，從而對研發(fā)出具有高安全性、高可靠性、高載客量、高節(jié)能性的城市軌道車輛具有重要意義。