浮車型100%低地板有軌電車曲線通過能力校核分析*

聶世濤，謝耀征，方金龍，柏友運(yùn)

(通號軌道車輛有限公司，湖南 長沙 410009)

0 引 言

滿足線路條件是有軌電車方案選擇和設(shè)計首先要考慮的問題，與線路條件相關(guān)技術(shù)要求有平面曲線通過能力、豎曲線或爬坡通過能力、故障運(yùn)行能力、故障救援能力等方面，相關(guān)分析得出結(jié)論和數(shù)據(jù)是貫通道、車間減震器、車鉤、車輛尺寸、動力配置等選型或設(shè)計的依據(jù)。筆者根據(jù)工程實際情況，結(jié)合CREO仿真分析和簡單公式計算提出了有軌電車曲線通過能力校核分析方法，不同于參考文獻(xiàn)[1]的采用復(fù)雜解析計算和文獻(xiàn)[2]的基于Simpack專業(yè)動力學(xué)仿真[1-2]，此方法具有方便、快捷、簡單、準(zhǔn)確的特點，不需要復(fù)雜動力學(xué)理論和解析換算就能開展分析，尤其在車輛總體方案前期設(shè)計階段具有很好的實踐參考意義。

1 有軌電車車型概述

現(xiàn)代100%低地板有軌電車車型主要有浮車型、單車型、鉸接型等[2]，由于浮車型特殊結(jié)構(gòu)形式，其通過曲線車輛姿態(tài)相對較為復(fù)雜，筆者選取浮車型100%低地板有軌電車作為分析對象，車輛寬度為2 650 mm。

100%低地板浮車型普遍采用五模塊編組，如圖1所示，編組形式：-Mc1+F1+Tp+F2+Mc2-。其中：Mc為帶司機(jī)室的動車；F為無轉(zhuǎn)向架支撐的浮車；Tp為帶受電器(弓)的拖車；“-”為折疊式救援車鉤；“+”為鉸接裝置。

圖1 車輛編組圖

有軌電車線路設(shè)計的平、縱斷面圖是有軌電車開展設(shè)計的重要輸入文件。根據(jù)國內(nèi)已建設(shè)有軌電車線路，文中列出典型曲線線路條件進(jìn)行分析，如圖2～4所示，包括平面S曲線、平面C曲線、豎S曲線。

圖2 平面S曲線線路條件

有軌電車總體方案設(shè)計不僅僅是車輛結(jié)構(gòu)型式選擇和編組確定，總體方案設(shè)計需全局考慮，其中曲線通過能力分析是必需開展的工作。車輛曲線通過能力分析對系統(tǒng)、部件影響因素如下：

(1) 車輛模塊間左右上下最小間距和最大間距或夾角，與貫通道折疊和拉伸范圍、車間減震器的拉伸和壓縮行程范圍和布置間距、跨接電纜跨接長度及其部件相關(guān)。

(2) 車輛外偏移和內(nèi)偏移數(shù)據(jù)，與止擋結(jié)構(gòu)設(shè)計，限制搖頭角度范圍相關(guān)。

(3) 豎曲線通過能力即車輛底架底部與線路最小離地間隙，與轉(zhuǎn)向架定距，MC車前端懸出長度、轉(zhuǎn)向架與車體之間最大點頭角度、頭罩的接近角相關(guān)。

(4) 故障運(yùn)行能力和故障救援能力(粘著系數(shù)、最大功率、最大扭矩等參數(shù))，與動力轉(zhuǎn)向架配置、電機(jī)、液壓制動單元選型相關(guān)。

(5) 頭罩開閉機(jī)構(gòu)空間尺寸等數(shù)據(jù)(角度和距離)，根據(jù)開閉機(jī)構(gòu)尺寸確定車鉤安裝位置和伸出長度，也可反過來指導(dǎo)開閉結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計等。

圖3 平面C曲線線路條件

圖4 S豎曲線線路條件(爬坡)

2 平面曲線通過能力分析

通過CREO運(yùn)動仿真分析車輛通過曲線能力，建立測量點測量出車輛模塊夾角、車輛各斷面的外偏移和內(nèi)偏移量等方便得出相關(guān)數(shù)值。作者在實際分析過程中根據(jù)軌道軌距公差范圍和輪距公差范圍進(jìn)行了車輛最大偏斜位、最大外移位分析[1]，其方法類似，本文不進(jìn)行贅述。

2.1 S平面曲線

如圖5所示的平面S曲線仿真模型，在CREO的“機(jī)構(gòu)分析”功能中進(jìn)行仿真。如圖6所示，最大曲線外移為1 588 mm，即垂直于線路方向向外最大曲線偏移263 mm，即Mc車攝像頭位置附近；最大曲線內(nèi)偏移發(fā)生在Tp拖車在直線段，Mc動車在曲線段時，F(xiàn)車中間斷面，最大內(nèi)移為1 500 mm，即垂直于線路方向向最大曲線內(nèi)偏移175 mm。車體最大轉(zhuǎn)角為13.7°，如圖7所示。

圖5 S曲線仿真模型

圖6 車輛最大偏移圖(S曲線)

圖7 車輛模塊間角度(S曲線)

2.2 C平面曲線

如圖6所示，為平面C曲線仿真模型，在CREO的“機(jī)構(gòu)分析”功能中進(jìn)行仿真。連續(xù)曲線時，最大外移量、最大內(nèi)移量、車體間折疊角度保持不變，最大值同S曲線一致，如圖9、10所示。

圖8 C曲線仿真模型

3 豎曲線通過能力分析

如圖11所示為S豎曲線仿真模型，為50 m-R500 m-150 m-R500 m-50 m斜坡曲線，65‰坡度，保證最小凈空高度大于50 mm。

圖9 車輛模塊間角度(C曲線)

圖10 車輛模塊外、內(nèi)偏移(C曲線)

圖11 豎曲線仿真模型

圖12 (自由)鉸接點頭角度仿真曲

如圖13所示，為車輛底架底部與曲線線路靜空高度仿真曲線，車輪最大磨耗量單邊40 mm，AW3工況相對于AW0，一系壓縮量為6 mm，二系為28 mm。

圖13 各模塊底架凈空高度

(1) AW0最小靜空高度(司機(jī)室前端)132-40=92 mm>50 mm，滿足要求。

(2) AW3最小靜空高度(司機(jī)室前端)132-40-6-28=58 mm>50 mm，滿足要求。

4 連掛救援通過能力分析

有軌電車在總體設(shè)計時需考慮車輛故障的救援設(shè)計，如圖14所示，故障車輛連掛救援車輛，傳遞救援車輛的牽引力，減緩救援過程中其沖擊力，并使車輛本體與連掛的救援車輛保持一定的距離，從而提高車輛行駛的平穩(wěn)性、舒適性。連掛救援也要考慮豎曲線和平面曲線，驗證車輛機(jī)械尺寸性能是否滿足要求。

圖14 連掛示意圖

4.1 豎曲線運(yùn)動校核

車鉤豎曲線運(yùn)動校核，主要是校核在救援車連掛時，車鉤本體及其附屬的零部件與車體的防爬梁間不出現(xiàn)運(yùn)動干涉。

車鉤干涉檢查校核，主要關(guān)注豎直曲線運(yùn)動兩個參數(shù)即尺寸L最小值和角度a最大值。其中L為車鉤與防爬梁的距離；a為車鉤相對于車體司機(jī)室前端的平面的轉(zhuǎn)角。如圖15、16所示，在通過如圖4所示的豎曲線時，L最小值為0.3 mm，a最大值3.22°。

4.2 平面曲線運(yùn)動校核

車鉤平面曲線運(yùn)動校核，主要是校核在救援車連掛時，車鉤本體水平擺動角度小于最大設(shè)計水平擺角，車體頭罩與救援車鉤間不出現(xiàn)運(yùn)動干涉。主要關(guān)注曲線運(yùn)動兩個參數(shù)，即車鉤水平擺角α最大值和車輛兩頭罩間距L最小值。

圖15 最小間隙L值變化曲線

圖16 角度a值變化曲線

從圖17、18中，可以看出五模塊車型，在通過包含最小S、C曲線特定線路時，車鉤水平擺角α最大值8.9°，車輛兩頭罩間距L最小值為169 mm。

圖17 車鉤水平擺角α仿真曲線

圖18 連掛狀態(tài)頭罩間距L仿真曲線

5 故障救援和故障運(yùn)行能力分析

車輛故障救援和故障運(yùn)行能力受到曲線半徑和最大坡度等影響。進(jìn)行故障救援和故障運(yùn)行能力分析首先要準(zhǔn)確預(yù)估車輛AW0和AW3重量和軸重，根據(jù)線路平、縱斷面圖提取最復(fù)雜線路條件進(jìn)行計算分析，在詳細(xì)方案設(shè)計階段再進(jìn)行牽引特性曲線和線路仿真計算以及制動校核計算。

故障救援和故障運(yùn)行相關(guān)參數(shù)如下：在坡度上，空車AW0垂直于軌道重力分量為F1；在坡度上，空車AW0平行于軌道重力分量為F2；在坡度上，重車AW3垂直于軌道重力分量為F3；在坡度上，重車AW3平行于軌道重力分量為F4。

根據(jù)文獻(xiàn)[3]提出的計算公式進(jìn)行初步計算[3]：

基本阻力：

w0=2.27+0.00156v2(N/kN)

坡道阻力：wi=F2+F4

或故障運(yùn)行時坡道阻力：Wi=F4

啟動附加阻力：

wq=28*1.6/(10+7) (N/kN)

曲線阻力wr=700/R(N/kN)

5.1 故障救援核算

則在最大坡道上最惡劣工況(最大坡度，啟動前在最小曲線上)故障救援最大阻力Fjy：

Fjy=w0+wi+wq+wr

假設(shè)輪軌的黏著系數(shù)μ為0.2：

AW0空車則最大可利用牽引力為：

F黏著力=G軸重*0.2≥Fjy

根據(jù)Fjy和F黏著力校核牽引電機(jī)啟動和運(yùn)行所需扭矩和功率。

5.2 故障運(yùn)行核算

AW3工況下故障運(yùn)行阻力Fyx：

Fyx=w0+F4+wq+wr

假設(shè)輪軌的黏著系數(shù)μ為0.2。

則最大可利用牽引力為：

F黏著力=G軸重*0.2≥Fyx

根據(jù)Fyx和F黏著力校核牽引電機(jī)啟動和運(yùn)行所需扭矩和功率。

6 試驗驗證

筆者通過車輛型式試驗的平面S曲線通過試驗、線路故障故障運(yùn)行和故障救援能力等試驗綜合驗證，該方法計算切實可行。如圖19所示。

圖19 車輛S曲線試驗圖

車輛平面S曲線檢查車輛連接處貫通道、車間減震器、跨接電纜及部件等是否干涉或尺寸是否到達(dá)設(shè)計極限；如圖20～22所示，在線路最大坡道上，坡道救援或車輛故障運(yùn)行設(shè)計速度滿足設(shè)計要求，同時檢查車輛能順利通過豎曲線及坡道，反映了車輛動力和制動、黏著力滿足設(shè)計要求。

圖20 坡道救援速度曲線

圖21 坡道起動速度曲線圖

圖22 故障運(yùn)行速度曲線圖

7 結(jié) 語

列舉了浮車型五模塊100%低地板有軌電車曲線通過能力校核分析方法，該方法可得出有軌電車總體方案設(shè)計相關(guān)的參數(shù)，為貫通道、鉸接裝置、車間減震器、救援折疊車鉤、車輛尺寸等選型或設(shè)計提供了指導(dǎo)依據(jù)，單車型、鉸接型、其他車型有軌電車可舉一反三進(jìn)行分析，此方法經(jīng)試驗驗證切實可行。