低地板列車車體減振技術研究

林昊

（福州職業(yè)技術學院，福建 福州 350000）

隨著城市化進程的發(fā)展，城市擁堵給市民的生活品質帶來了極大的負面影響，一個有效的措施是建設城市快速軌道交通設施，包括地鐵、跨坐式單軌等，其中，低地板列車由于對人口密度要求低、建設成本低等優(yōu)越性，成為大中型城市發(fā)展快速軌道交通裝備的首選。本文主要分析100%低地板列車,該類型的車輛一般采用獨立輪對的形式，車廂地板距離軌道面垂向距離最低可達350mm左右，可以停靠在路面，無需建設高站臺，極大方便了乘客的上下車。

但是，低地板列車為了適應城市內(nèi)的小曲線半徑線路，很難保證車體的重心處于轉向架正上方，此時，車體的重心會超過或者后于轉向架中心，形成轉動力矩，這樣的承載方式會加劇車體的點頭作用。這種現(xiàn)象對于低地板列車來說普遍存在，但是，在傳統(tǒng)車輛上是較難遇見，成為研究低地板車輛動力學問題的研究重點之一。

目前，廣泛采用的傳統(tǒng)轉向架，為了能夠降低地板高度，采用了浮車，五模塊編組。國內(nèi)的相關研究主要集中在傳統(tǒng)客車和地鐵車輛，對于新型軌道交通裝備來說鮮有研究。本文基于線路試驗，測試分析100%低地板列車的車體振動特性，使用動力吸振原理對車體減振進行研究。

1 車體振動線路試驗

本文建立了國內(nèi)常見的某低地板車輛的剛柔耦合車輛動力學模型，該模型中車體為彈性體，其他結構考慮成剛體。包括2個構架、4條輪對和8個轉臂軸箱還有車下懸掛裝置，構架、輪對和撤下懸掛各有6個自由度，軸箱轉臂只有一個點頭自由度。為了突出本文的重點，僅設計考慮了一個車下懸掛裝置。車輛系統(tǒng)振動方程可以表示如下：

方程中C、K和M分別為車輛系統(tǒng)的阻尼矩陣、剛度矩陣和質量矩陣；x為系統(tǒng)的坐標向量；為系統(tǒng)的非線性力，例如非線性的懸掛力和輪軌力，e為軌道不平順，T為軌道輸入的分布矩陣。

2 動力吸振器減振原理

本文針對低地板列車的運行情況，在一個試驗周期內(nèi)，使用車輪踏面測試儀對車輪在一個璇修周期內(nèi)的踏面外形變化進行測量，即在0km（即新車輪）、5萬km、10.8萬km、15.4萬km以及19.1萬km的運行情況下，對車輪踏面外形進行掃描測試。用等效錐度描述輪軌接觸幾何關系被鐵道車輛所廣泛應用，故將其作為本文重點研究的輪軌接觸線性化指標。當列車在軌道上運動時，其自由輪對的運動方程可以如下表示：

方程中，y、b、R分別為輪對的橫移量、輪軌接觸點的橫向跨距、車輪滾動圓名義半徑；v為輪對運行速度；?r為左右車輪的輪徑差。

對于錐形踏面，假設錐形踏面在橫移量為y處有傾斜角γ，那么存在以下關系：

對于非錐形踏面，可對其進行線性化處理后應用Klingel公式，計算可得等效錐度為：

在標準軌距且輪對內(nèi)側距為1353mm情況下，將不同運營里程下的五種車輪踏面外形和CN60踏面進行匹配，可以計算等效錐度的變化趨勢。

對比結果可知，車輪的磨耗集中于踏面磨耗和輪緣磨耗這兩個部分。踏面磨耗是影響輪軌接觸幾何關系的重要因素，隨著運營里程的增加，踏面磨耗隨之增加，從而導致了等效錐度明顯增加。在運營里程為5萬km時，等效錐度增加了0.08，而當運營里程達到10萬km時，等效錐度卻僅僅增加了0.06，這表明在運營初期等效錐度變化迅速，之后增速降低。

隨著低地板列車運營里程的增加，輪緣會更加頻繁地貼靠鋼軌，此外，在運營初期，輪緣磨耗比較嚴重，而后輪緣磨耗速率降低。相比于踏面磨耗，輪緣磨耗的情況更加嚴重。

3 車體減振模型的建立

本節(jié)針對低地板列車的車下懸掛系統(tǒng)在一個鏇輪周期內(nèi)車體和懸掛設備的耦合振動進行研究分析，尋找兩者間的規(guī)律。當列車以250km/h的速度運行時，車體中部和懸掛設備在隨機激擾下的振動加速度變化趨勢如圖1、2所示。

圖1 車體中部橫向振動加速度頻譜分析

從圖中可以看到，對于不同的運營里程，車體橫向振動加速度幅值在各個振動主頻下相差較大。列車從0km運營到19.1萬km時，車體中部在22Hz的主頻下加速度幅值分別為：0.013、0.016、0.025、0.029、0.031m/s2。從圖中不難發(fā)現(xiàn)，在運營里程為5萬km時，加速度增大了0.003m/s2，而在隨后的運營中，振動加速度明顯加大。

振動加速度幅值在運營里程為10.8萬km時達到了新輪時的2倍，而在15.4萬km和19.1萬km時，橫向加速度的增速變緩。同理對垂向振動加速度進行分析，其變化規(guī)律與橫向加速度相似。

從圖中可以看到，對于多個振動主頻，車體橫向振動加速度幅值在不同運營里程下相差較大。以10Hz的振動主頻為例，橫向加速度在0、5萬、10.8萬、15.4萬以及19.1萬運營里程下的幅值分別為：0.007、0.008、0.012、0.013和0.014m/s2。

從圖中不難發(fā)現(xiàn)，在5萬km時，設備的橫向振動差異很小，但是，隨著運營里程數(shù)的增加，橫向振動會隨之加劇。

圖2 懸掛設備振動加速度頻譜分析

4 最優(yōu)匹配參數(shù)的選擇

在第3節(jié)的分析中可知，車輪磨耗會惡化車體和設備的橫向振動，所以本節(jié)對不同懸掛參數(shù)進行合理選擇，以降低車體和設備間的耦合振動。

如圖3所示，車輛的橫向平穩(wěn)性指標隨著車輛運營將明顯變差，在列車從0km運營到19.1萬km的過程中，懸掛設備橫向剛度分別取0.3、0.5、0.7、0.9和1.1MN/m可有效改善車輛的橫向平穩(wěn)性。綜合考慮其他因素的影響，將懸掛系統(tǒng)的橫向剛度控制在0.7～1.5MN/m比較合理。

圖3 懸掛參數(shù)對平穩(wěn)性的影響

5 結語

（1）在運營的前5萬km內(nèi)，車輪磨耗劇烈，隨后磨耗減緩。此外，相比踏面磨耗，輪緣磨耗的情況更加嚴重。

（2）車輪磨耗主要影響車下懸掛系統(tǒng)的橫向振動，對垂向振動影響較小。

（3）合理選擇懸掛參數(shù)可以有效抑制車輪磨耗對懸掛系統(tǒng)的影響，合理的橫向剛度取值范圍是0.7～1.5MN/m。