單鉸接式100%低地板有軌電車列車動(dòng)力學(xué)仿真分析

皮國(guó)瑞 張立鵬 崔 蕾

(中車唐山機(jī)車車輛有限公司 河北 唐山 064000)

0 概況

低地板列車的編組方式主要分為鉸接式(雅各比式)有軌電車(見圖1)、單鉸接式有軌電車(見圖2)、多鉸接式有軌電車(見圖3)三類，三種形式的低地板列車在國(guó)內(nèi)均有制造商在生產(chǎn)。

圖1 鉸接式(雅各比式)有軌電車

圖2 單鉸接式有軌電車

圖3 多鉸接式有軌電車

單鉸接車型采用近似等長(zhǎng)車體的模塊化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)擴(kuò)編。采用轉(zhuǎn)向架中置布置，車輛重心與旋轉(zhuǎn)中心一致，列車通過水平曲線時(shí)側(cè)向力小，輪軌磨耗亦相對(duì)較小。

1 列車編組方案及轉(zhuǎn)向架方案

1.1 列車總體方案

列車采用模塊化組裝，由4個(gè)模塊組成。模塊之間由鉸接裝置相連，其中2個(gè)模塊裝有動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，2個(gè)模塊裝有非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架。每個(gè)模塊中央配置一臺(tái)轉(zhuǎn)向架。編組方式為：-Mc+T*T+Mc-，其中：Mc為安裝動(dòng)力轉(zhuǎn)向架和司機(jī)室的動(dòng)車模塊；T為安裝非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架的拖車模塊；+為風(fēng)擋鉸接結(jié)構(gòu)；*為風(fēng)擋雙鉸結(jié)構(gòu)；-為前端車鉤。

1.2 列車主要結(jié)構(gòu)尺寸

列車長(zhǎng)度(含兩端車鉤連接面)：38 340 mm；Mc車車體長(zhǎng)度：7 395 mm；T車長(zhǎng)度：7 800 mm；車輛寬度：2 650 mm；車輛高度：3 500 mm；地板面到軌面高度：350 mm；車輛定距(單鉸)：8 720 mm；車輛定距(雙鉸)：9 500 mm；列車兩端車鉤中心高度：460 mm；車輪直徑：600 mm(新輪)/540 mm(磨耗到限)。

1.3 轉(zhuǎn)向架方案

轉(zhuǎn)向架分為動(dòng)車轉(zhuǎn)向架和拖車轉(zhuǎn)向架。動(dòng)力轉(zhuǎn)向架由構(gòu)架、輪對(duì)與一系懸掛、二系懸掛、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置、磁軌制動(dòng)裝置、中央牽引裝置、電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置和附件組成。非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架沒有電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置和附件組成。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架為焊接構(gòu)架，橫、側(cè)梁均為鋼板焊接箱型結(jié)構(gòu)。

轉(zhuǎn)向架設(shè)有兩條獨(dú)立輪對(duì)組成。獨(dú)立輪對(duì)組成的兩片車輪相對(duì)獨(dú)立旋轉(zhuǎn)，軸橋?yàn)橹胁堪枷氯サ摹癠”形結(jié)構(gòu)，降低了列車底板面高度。

獨(dú)立輪對(duì)組成和構(gòu)架之間安裝有一系懸掛系統(tǒng)，每個(gè)車輪處安裝兩個(gè)一系橡膠彈簧。一系橡膠彈簧采用圓錐橡膠彈簧結(jié)構(gòu)，輪軌作用力通過一系橡膠彈簧傳遞到構(gòu)架。

轉(zhuǎn)向架和車體之間安裝有二系懸掛系統(tǒng)，二系懸掛由組合式橡膠彈簧、橫向油壓減振器、垂向油壓減振器、抗側(cè)滾扭桿、橫向以及旋轉(zhuǎn)止擋組成。

牽引驅(qū)動(dòng)裝置采用架懸式，固定在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上。車體與轉(zhuǎn)向架之間的縱向力通過車體底架中部的牽引拉桿傳遞。動(dòng)車轉(zhuǎn)向架與拖車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)圖如圖4和圖5所示。

圖5 拖車轉(zhuǎn)向架總體結(jié)構(gòu)圖

2 列車動(dòng)力學(xué)模型建立

2.1 列車系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

Simpack是一款多體動(dòng)力學(xué)分析軟件，在軌道車輛的動(dòng)力學(xué)仿真領(lǐng)域擁有廣泛應(yīng)用業(yè)績(jī)。列車是一個(gè)復(fù)雜的多體系統(tǒng)，各部件之間具有相互作用力和相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及輪軌之間的相互作用關(guān)系。因此，對(duì)于列車動(dòng)力學(xué)性能影響較大的主要因素，盡可能作出符合實(shí)際情況的模擬理論計(jì)算分析模型，而對(duì)一些次要因素進(jìn)行相應(yīng)地假定或簡(jiǎn)化。建立列車系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型過程中，作出如下假定：

(1)車體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架均為剛體, 不計(jì)這些部件本身的彈性變形；

(2)車體、轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)對(duì)稱；

(3)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架與車體間的垂向剛度和阻尼由二系彈簧和垂向減振器提供；

(4)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架與車體間的橫向剛度和阻尼由二系彈簧和橫向減振器提供；

(5)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架與車體間的縱向剛度和阻尼由二系彈簧和牽引拉桿提供。

坐標(biāo)系的定義：車輛的前進(jìn)方向?yàn)閤軸；y軸平行于軌道平面指向右方；z軸垂直軌道平面向下。

列車系統(tǒng)主要由4節(jié)車體、4個(gè)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、8條軸橋、16片獨(dú)立車輪和4臺(tái)牽引電機(jī)構(gòu)成，各剛體的自由度數(shù)如表1所示。單鉸接式100%低地板有軌電車動(dòng)力學(xué)模型如圖6所示。

表1 安全性計(jì)算工況表

圖6 單鉸接式100%低地板有軌電車動(dòng)力學(xué)模型

在計(jì)算該車蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、橫向及垂向運(yùn)行平穩(wěn)性及曲線通過時(shí)取整車模型，車體、構(gòu)架、軸橋取6個(gè)自由度，即縱向、橫向、垂向、側(cè)滾、點(diǎn)頭、搖頭；獨(dú)立車輪取1個(gè)旋轉(zhuǎn)點(diǎn)自由度，電機(jī)固結(jié)于構(gòu)架；整個(gè)車輛系統(tǒng)共計(jì)58個(gè)自由度, 垂向、橫向運(yùn)動(dòng)耦合在一起。

2.2 計(jì)算工況

根據(jù)兩種典型列車狀態(tài)(空車新輪、重車新輪)，預(yù)測(cè)分析單鉸接式100%低地板有軌電車的動(dòng)力學(xué)性能。

(1) 運(yùn)行品質(zhì)計(jì)算

線路工況：直線線路(美國(guó)五級(jí)線路譜)

仿真速度：20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h、60 km/h、70 km/h、80 km/h、90 km/h、100 km/h。

考察指標(biāo)：橫向平穩(wěn)性指標(biāo)、垂向平穩(wěn)性指標(biāo)、乘坐舒適度、車體振動(dòng)加速度最大值和均方根值。

(2) 安全性計(jì)算

線路工況：直線線路以及R25 m、R50 m、R80 m、R180 m曲線線路(美國(guó)五級(jí)線路譜)

仿真速度：如表1所示。

考察指標(biāo)：輪軸橫向力、輪軌垂向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率與傾覆系數(shù)。

3 列車動(dòng)力學(xué)仿真分析

3.1 曲線通過安全性預(yù)測(cè)分析

兩種典型車輛狀態(tài)以不同車速通過不同直線與曲線時(shí)，評(píng)價(jià)單鉸接式100%低地板有軌電車的曲線通過安全性。根據(jù)目前有軌電車的運(yùn)營(yíng)管理情況，有軌電車在車場(chǎng)內(nèi)的脫軌幾率最高，因此本文僅闡述半徑R25 m曲線的列車通過安全性。根據(jù)UIC 518規(guī)定，脫軌系數(shù)應(yīng)不大于0.8，仿真結(jié)果表明，列車以15 km/h的速度通過R25 m曲線時(shí)的脫軌系數(shù)均小于0.65。

傾覆系數(shù)用于鑒定試驗(yàn)車輛在側(cè)向風(fēng)力、離心力、橫向振動(dòng)慣性力的同時(shí)作用下是否會(huì)導(dǎo)致車輛傾覆，根據(jù)GB 5599標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，試驗(yàn)鑒定車輛的傾覆系數(shù)應(yīng)小于0.8，仿真結(jié)果表明，列車以15 km/h的速度通過R25 m曲線時(shí)的傾覆系數(shù)均小于0.2。

根據(jù)GB 5599規(guī)定，輪重減載率應(yīng)不大于0.8，仿真結(jié)果表明，列車以15 km/h的速度通過R25 m曲線時(shí)的輪重減載率均小于0.35。

綜上分析，列車以15 km/h速度通過R25 m曲線時(shí)的各項(xiàng)安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2 運(yùn)行品質(zhì)預(yù)測(cè)分析

考慮兩種典型車輛狀態(tài)(空車新輪、重車新輪)以不同車速(20～100 km/h)通過直線，來(lái)計(jì)算單鉸接式100%低地板有軌電車的運(yùn)行品質(zhì)。

(1)垂向平穩(wěn)性指標(biāo)在車輛最高運(yùn)營(yíng)速度70 km/h范圍內(nèi)不大于2.5，滿足列車運(yùn)行要求。只有在車速大于90 km/h時(shí)，超過GB 5599規(guī)定的限度值2.5。列車垂向平穩(wěn)性仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 列車垂向平穩(wěn)性仿真結(jié)果

(2)按照EN 12299進(jìn)行評(píng)定，舒適度指標(biāo)在計(jì)算速度范圍內(nèi)沒有超過良好(2.5)的限度值；而按照UIC 513評(píng)定，車速大于90 km/h 時(shí)，舒適度指標(biāo)超過了規(guī)定的良好(2.0)限度值，但仍滿足中等限度值的要求；列車舒適度仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 列車舒適度仿真結(jié)果

(3)除垂向平穩(wěn)性和舒適度指標(biāo)以外，橫向平穩(wěn)性、橫向最大加速度、垂向最大加速度、橫向均方根加速度等指標(biāo)在計(jì)算速度范圍內(nèi)處于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的良好限度值范圍以內(nèi)。

4 結(jié)論

以上介紹了一種單鉸接式100%低地板有軌電車的列車總體布局以及主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，并對(duì)轉(zhuǎn)向架方案做了詳細(xì)介紹。利用Simpack軟件建立了整車動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)列車的運(yùn)行品質(zhì)以及曲線通過的安全性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。根據(jù)仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果，得出如下結(jié)論：

(1) 單鉸接式100%低地板有軌電車以不同車速通過直線線路。車速不高于90 km/h時(shí)，各項(xiàng)運(yùn)行品質(zhì)均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值要求；

(2) 單鉸接式100%低地板有軌電車在計(jì)算速度內(nèi)通過直線線路與不同曲線線路時(shí)，安全性各項(xiàng)指標(biāo)均在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限度值范圍以內(nèi)。□