導(dǎo)軌式膠輪電車運(yùn)行特性研究

侯新英，王志華，馬 凱，曹華民

（青島中車四方軌道車輛有限公司，山東青島 266111）

1 研究背景

導(dǎo)軌式膠輪電車系統(tǒng)起源于1985 年，當(dāng)時(shí)國際公共交通協(xié)會(huì)在比利時(shí)布魯塞爾的街區(qū)建設(shè)了一段較短的示范線。

龐巴迪公司(BOMBARDIER)生產(chǎn)的高地板導(dǎo)軌式膠輪電車系統(tǒng)簡稱為GLT，低地板導(dǎo)軌式膠輪電車系統(tǒng)簡稱為TVR。1997 年在法國推出了低地板車輛，2001 年法國南錫成為世界上第一條正式商業(yè)運(yùn)行的線路，2000—2015 年導(dǎo)軌式膠輪電車在法國卡昂、美國內(nèi)華達(dá)州拉斯維加斯、意大利博洛尼亞等城市得到推廣應(yīng)用。

NTL 生產(chǎn)的導(dǎo)軌式膠輪電車系統(tǒng)簡稱Translohr。2001 年在法國克萊蒙費(fèi)朗開通了第一條Translohr 電車商業(yè)運(yùn)行線，2007 年在天津?yàn)I海、2009 年在上海浦東新區(qū)開通了中國的Translohr 電車商業(yè)運(yùn)行線。近年來，法國巴黎、哥倫比亞麥德林、意大利帕多瓦等均修建完成了Translohr 電車線路。截至2017 年底，Translohr 已經(jīng)提供了132 輛電車，服務(wù)于5 個(gè)國家的8 個(gè)城市，共計(jì)86 km 線路。

中車四方基于以上兩種車型的特點(diǎn)，于2016 年研發(fā)出100%自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的帶鉤型裝置的雙輪緣導(dǎo)向方式的膠輪電車(GRT)。目前，已經(jīng)完成3 編組樣車的型式試驗(yàn)與試運(yùn)行試驗(yàn)，完成了4 編組車載儲(chǔ)能式導(dǎo)軌式膠輪電車的試驗(yàn)驗(yàn)證，并完成16 列產(chǎn)品的生產(chǎn)和部分交付工作，即將服務(wù)于重慶市30 km 的城市公共交通線路。

本文研究的導(dǎo)軌式膠輪電車以3 編組結(jié)構(gòu)為例，采用膠輪走行部和單元式鉸接車體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)向方式與GLT、Translohr 均不相同；采用DC750 V 車載儲(chǔ)能裝置供電；采用低地板設(shè)計(jì)，客室內(nèi)實(shí)現(xiàn)無障礙貫通；車輛的最小轉(zhuǎn)彎半徑為15 m，最大爬坡能力為130‰，最高運(yùn)行速度為80 km/h；可以與社會(huì)車輛混合路權(quán)行駛。

筆者基于都市道路高差較大(最大為12%)、曲線半徑小(城市主干道交叉口轉(zhuǎn)彎半徑為20～30 m，次干道交叉口轉(zhuǎn)彎半徑為15～20 m)、線路地形條件多變(平豎曲線疊加)、城市道路線網(wǎng)已經(jīng)固定的特征，研究在既有都市道路上多編組鉸接車輛正常通行的可行性。

在本文中，介紹導(dǎo)軌式膠輪電車平曲線和豎曲線以及組合曲線通過能力仿真分析與試驗(yàn)情況，重點(diǎn)分析導(dǎo)軌式膠輪電車的結(jié)構(gòu)組成和運(yùn)動(dòng)原理，利用MSC ADAMS 多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型(動(dòng)力學(xué)分析在本研究范圍以外)，校核車輛在15 m 最小平曲線半徑、S型曲線及最小緩和曲線半徑(R=200 m)爬坡(坡度13%)工況下結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)自由度及結(jié)構(gòu)部件之間的干涉情況，并計(jì)算鉸接位置的相對(duì)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)角；利用1∶1 的模型車進(jìn)行曲線通過驗(yàn)證。將仿真分析與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，確認(rèn)仿真計(jì)算與試驗(yàn)情況相符。

2 車輛架構(gòu)分析

3 模塊電車基本編組形式為“Mc1+Tp+Mc2”。其中，Mc 為帶司機(jī)室的動(dòng)車，Tp 為帶受電弓的拖車。端部車體底部布置動(dòng)力走行部，中間車體與端部車體之間布置非動(dòng)力走行部。3 編組鉸接式膠輪電車架構(gòu)見圖1，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

圖1 車輛編組架構(gòu) Figure 1 Architecture of tram marshalling

表1 導(dǎo)軌式膠輪電車主要技術(shù)參數(shù) Table 1 Main technical parameters of rubber-wheeled tram

車體由多模塊通過鉸接機(jī)構(gòu)連接而成，搖架和鉸接機(jī)構(gòu)組成車體模塊的鉸接連接單元，同時(shí)也是車體與非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架的連接單元。端部車體與中間車體通過鉸接連接單元連接，形成一個(gè)鉸接式編組，如圖2所示。

走行部分為動(dòng)力走行部和非動(dòng)力走行部，前者由軸橋和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)組成，后者由門式承載橋和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)組成。動(dòng)力走行部導(dǎo)向機(jī)構(gòu)通過轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)軸橋連接，轉(zhuǎn)向臂與軸橋的轉(zhuǎn)向節(jié)連接，如圖3 左側(cè)所示；非動(dòng)力走行部導(dǎo)向機(jī)構(gòu)直接與門式軸橋連接，如圖3右側(cè)所示。

圖2 車體編組結(jié)構(gòu)原理 Figure 2 Schematic of carbody marshalling structure

圖3 走行部與車體關(guān)系 Figure 3 Diagram of relation between running gear and car body

從圖3 中可以看出，對(duì)于端部車，端部車體通過懸掛裝置坐落在動(dòng)力走行部；當(dāng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向輪進(jìn)入曲線導(dǎo)軌后，在導(dǎo)向輪與鋼軌橫向力作用力下，使導(dǎo)向機(jī)構(gòu)圍繞轉(zhuǎn)軸相對(duì)軸橋轉(zhuǎn)動(dòng)；在轉(zhuǎn)向臂的作用下，橡膠車輪也發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向。對(duì)于中間車，搖架通過懸掛裝置坐落在非動(dòng)力走行部；當(dāng)導(dǎo)向輪對(duì)著端部車進(jìn)入軌道曲線后，在導(dǎo)向輪與鋼軌橫向力作用力下，通過門式承載橋使橡膠車輪產(chǎn)生側(cè)向力，從而實(shí)現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向。也就是說，該車架構(gòu)下的動(dòng)力走行部為主動(dòng)轉(zhuǎn)向，非動(dòng)力走行部為被動(dòng)轉(zhuǎn)向。

根據(jù)自由度模型看出，該架構(gòu)轉(zhuǎn)向控制力(4 個(gè))等于導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)自由度數(shù)(4 個(gè))，保證各車體模塊處于靜定受力狀態(tài)，相鄰車體運(yùn)動(dòng)解耦，不會(huì)出現(xiàn)競態(tài)和失穩(wěn)現(xiàn)象。

3 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)分析

3.1 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用原理

導(dǎo)向機(jī)構(gòu)由平行四連桿組成，其原理如圖4 所示，在自由狀態(tài)時(shí)連桿可以繞其鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)需要導(dǎo)向時(shí)，作動(dòng)器推滑塊1、1’向前運(yùn)動(dòng)與2、2’接觸，如圖5 所示將相應(yīng)連桿機(jī)構(gòu)鎖死。在連桿機(jī)構(gòu)上安裝轉(zhuǎn)向臂，使轉(zhuǎn)向臂與膠輪轉(zhuǎn)向器相連，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向及控制轉(zhuǎn)向的功能。

圖4 自由狀態(tài)原理 Figure 4 Schematic of free state

圖5 導(dǎo)向原理 Figure 5 Schematic of guiding mechanism

3.2 鉸接機(jī)構(gòu)的作用原理

由于電車主要在城市或郊區(qū)的道路上行駛，道路的路況相比鋼軌就要復(fù)雜。當(dāng)橡膠輪胎經(jīng)過凹凸不平的坑道時(shí)，對(duì)于3 編組的單元式鉸接車體，前、中、后3 節(jié)車體會(huì)先后出現(xiàn)側(cè)滾，3 節(jié)車體之間會(huì)形成較大的扭轉(zhuǎn)角度，這就要求前、中、后3 節(jié)車體之間在鉸接點(diǎn)處讓縱向軸具有一定旋轉(zhuǎn)自由度，以緩解鉸接處的受力。同時(shí)，電車在運(yùn)行過程中會(huì)經(jīng)過坡道，當(dāng)前、中、后3 節(jié)車體有1 節(jié)車體已經(jīng)進(jìn)入坡道時(shí)，另外2 節(jié)車體仍處于水平路面上，使兩節(jié)車體之間形成一個(gè)夾角，這就要求前、中、后3 節(jié)車體之間在鉸接點(diǎn)處橫向軸具有一定的旋轉(zhuǎn)自由度。因此，車體與貫通道之間的連接軸承需要選用以垂直軸旋轉(zhuǎn)為主要的旋轉(zhuǎn)自由度，同時(shí)在縱向軸和橫向軸也允許一定量的旋轉(zhuǎn)自由度，這樣才能保證車輛順利通過彎道、坑道、坡道等復(fù)雜線路。

車體下部采用如圖6 所示的鉸接軸承連接機(jī)構(gòu)，兩端與車體連接，為固定結(jié)構(gòu)，中部安裝在搖架上。保證固定鉸座通過鉸接軸承1 繞垂直軸自由旋轉(zhuǎn)，與中間搖架之間通過鉸接軸承2 繞垂直軸自由旋轉(zhuǎn)，在水平和橫向軸上有一定的旋轉(zhuǎn)自由度，滿足電車通過復(fù)雜線路的裝配自由度要求。

圖6 下部固定鉸結(jié)構(gòu) Figure 6 Lower articulated structure

在車體端部與搖架之間安裝抗側(cè)滾裝置，以減小端部車體與貫通道之間的側(cè)滾角度；由于中間車體兩端連接的軸承都存在側(cè)滾方向的自由度，因此安裝三角拉桿式彈性抗側(cè)滾裝置，以限制中間車體與搖架之間的側(cè)滾自由度；而端車與搖架之間可以允許車體發(fā)生點(diǎn)頭方向的運(yùn)動(dòng)，設(shè)置具有抗測(cè)滾裝置的自由鉸，如圖7 所示。

圖7 上部鉸接結(jié)構(gòu) Figure 7 Upper articulated structure

彈性鉸一端與車體連接，另一端通過關(guān)節(jié)軸承與搖架相連。車體在水平曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)，彈性鉸圍繞搖架上的關(guān)節(jié)軸承1 轉(zhuǎn)動(dòng)；車體在豎曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)，彈性鉸圍繞車體端的關(guān)節(jié)軸承2 轉(zhuǎn)動(dòng)。

4 車輛運(yùn)動(dòng)分析

4.1 機(jī)構(gòu)運(yùn)行分析

機(jī)構(gòu)中間連桿的最大偏轉(zhuǎn)位置如圖8 中的紅色線條所示，其最大偏轉(zhuǎn)角α 可以通過式(1)求得：

式中：L1～L7參數(shù)如圖9 所示。

圖8 連桿機(jī)構(gòu)極限位置 Figure 8 Limit position of connecting rod mechanism

圖9 L1～L7 參數(shù) Figure 9 L1-L7 parameter diagram

如圖10 所示，當(dāng)機(jī)構(gòu)鎖死時(shí)，從自由度角度分析把左端框架認(rèn)為機(jī)架，機(jī)構(gòu)中共有6 個(gè)自由構(gòu)件、10個(gè)低副，自由度計(jì)算公式如下：

式中，n 為活動(dòng)構(gòu)件數(shù)，PL為低副約束數(shù)，Ph為高副約束數(shù)。

根據(jù)式(2)，可以求出機(jī)構(gòu)自由度為-2，這說明該機(jī)構(gòu)無法自由運(yùn)動(dòng)。

圖10 機(jī)構(gòu)鎖死 Figure 10 Locking diagram of mechanism

4.2 車體運(yùn)動(dòng)分析

當(dāng)端部車體進(jìn)入水平曲線而第一個(gè)非動(dòng)力走行部未進(jìn)入曲線時(shí)，端部車體的上部與彈性鉸圍繞關(guān)節(jié)軸承1 共同旋轉(zhuǎn)，端部車體下部與固定鉸圍繞鉸接軸承1 共同旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了車體轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖11所示。

圖11 車體曲線轉(zhuǎn)動(dòng)原理1 Figure 11 Schematic I of carbody curve rotation

當(dāng)端部車體與非動(dòng)力走行部全部進(jìn)入水平曲線時(shí)，搖架在走行部的作用力下將搖架轉(zhuǎn)動(dòng)，形成搖架與車體端部平行的姿態(tài)，如圖12 所示。以此類推，車輛進(jìn)入水平曲線；反之，離開水平曲線。

圖12 車體曲線轉(zhuǎn)動(dòng)原理2 Figure 12 Schematic II of carbody curve rotation

當(dāng)端部車體進(jìn)入豎曲線時(shí)，固定鉸座圍繞鉸接軸承2 轉(zhuǎn)動(dòng)，彈性鉸圍繞著關(guān)節(jié)軸承2 轉(zhuǎn)動(dòng)，自由鉸的Z 字型結(jié)構(gòu)在外力作用下發(fā)生垂向方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)端部車體相對(duì)中間車的垂向轉(zhuǎn)動(dòng)，車輛進(jìn)入豎曲線。以此類推，車輛進(jìn)入豎曲線；反之，車輛離開豎曲線，如圖13 所示。

圖13 車體曲線轉(zhuǎn)動(dòng)原理3 Figure 13 Schematic III of carbody curve rotation

5 車輛運(yùn)動(dòng)仿真

5.1 走行部與車體連接

走行部與車體之間通過空氣彈簧、垂向液壓減振器等連接，車體和走行部之間采用雙拉桿牽引方式，如圖14 所示。

圖14 走行部與車體連接 Figure 14 Connection between trailer running gear and carbody

5.2 走行部運(yùn)動(dòng)仿真

利用SIMPACK 建立導(dǎo)向機(jī)構(gòu)模型，在鎖死塊與兩側(cè)連桿使用PCM 接觸力元模擬鎖死塊與連桿間的接觸，在轉(zhuǎn)向臂兩側(cè)使用約束使其無法自由運(yùn)動(dòng)。

由于動(dòng)力走行部和車體直接連接完成導(dǎo)向，所以對(duì)非動(dòng)力走行部的導(dǎo)向性能進(jìn)行分析。建立非動(dòng)力走行部的動(dòng)力學(xué)模型，如圖15 所示，因前段導(dǎo)向裝置鎖定的時(shí)候無法運(yùn)動(dòng)，故將其簡化為桿。

導(dǎo)向裝置通過轉(zhuǎn)彎半徑為15 m 的曲線時(shí)的運(yùn)行軌跡如圖16 所示，動(dòng)力走行部與非動(dòng)力走行部通過曲線時(shí)的狀態(tài)如圖17 所示。

圖15 非動(dòng)力走行部動(dòng)力學(xué)模型 Figure 15 Dynamic model of trailer gear

圖16 曲線通過時(shí)走行部狀態(tài) Figure 16 State of running gear when negotiating a curve

圖17 曲線通過狀態(tài) Figure 17 Curve passing state

通過上述分析可知，該機(jī)構(gòu)具有導(dǎo)向能力，滿足使用要求。但是，不同連桿間需要有一定的長度配合關(guān)系，才可以完成一定角度的導(dǎo)向。

5.3 車體運(yùn)動(dòng)仿真

利用MSC ADAMS 多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件，建立多單元系統(tǒng)模型，如圖18 所示。點(diǎn)線運(yùn)動(dòng)副簡化模型模擬導(dǎo)向輪與軌道的嚙合關(guān)系，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副模擬縱向牽引桿的連接關(guān)系，接觸單元模擬橡膠輪胎與地面的摩擦滾動(dòng)，彈簧單元模擬空氣彈簧的連接關(guān)系，球鉸模擬彈性鉸與自由鉸的連接關(guān)系。

計(jì)算時(shí)其端部車體下部的橡膠輪可以繞輪軸自轉(zhuǎn)，還可以在導(dǎo)向輪的作用下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，且假設(shè)橡膠輪的方向與其下部的導(dǎo)向輪方向一致。

圖18 整車運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 Figure 18 Kinematics model of the tram

6 曲線通過分析

計(jì)算時(shí)假設(shè)直線段線路為平直路段、無激勵(lì)，曲線段線路無外側(cè)超高。導(dǎo)向輪始終保持與軌道的切線方向一致，兩端部車輛的橡膠輪胎保持與其對(duì)應(yīng)的導(dǎo)向裝置方向一致。曲線通過速度按照15 km/h 設(shè)定。

6.1 小平線通過分析

為考察車體結(jié)構(gòu)是否滿足小半徑平曲線(R15 m)通過，在MSC ADAMS 中設(shè)計(jì)半徑15 m、1/4 圓模擬該車拐直角彎，如圖19(a)所示。在通過過程中，檢查曲線主要部件之間的干涉情況及最大轉(zhuǎn)動(dòng)角。

圖19 小曲線通過模擬仿真計(jì)算 Figure 19 Calculation of small curve negotiating simulation

通過仿真計(jì)算可以得出，車體與走行部之間、車體與搖架之間均沒有干涉發(fā)生；通過圖19(b)、(c)可以 看出，車體與走行部之間的最大轉(zhuǎn)角為16.7°，兩車體之間的最大轉(zhuǎn)角為27.6°，這為車體尺寸優(yōu)化提供依據(jù)。

6.2 豎曲線通過分析

為考察車體結(jié)構(gòu)是否滿足小半徑豎曲線通過，在MSC ADAMS 中設(shè)計(jì)半徑200 m 的豎曲線軌道，坡道的坡度為13%。根據(jù)相切原理，曲線長度為25.87 m、坡度為13%的坡道長取60 m，進(jìn)行模擬計(jì)算。如圖20(a)所示。檢查車體及搖架之間的轉(zhuǎn)角和排障器最小離地間隙。

通過仿真計(jì)算可以得出，車體與走行部之間沒有干涉發(fā)生；通過圖20(b)、(c)可以看出，排障器最小離地間隙為10.4 mm，端部車體相對(duì)于搖架的扭轉(zhuǎn)角度最大，為2.03°。這為關(guān)節(jié)軸承的選擇以及車體尺寸的優(yōu)化提供依據(jù)。

圖20 小半徑豎曲線通過模擬仿真計(jì)算 Figure 20 Calculation of small radius vertical curve negotiating simulation

6.3 S 型曲線通過分析

為考察車體是否滿足S 型曲線通過，在MSC ADAMS 中設(shè)計(jì)半徑15 m 的S 型曲線，軌道為兩個(gè)1/2 圓相切連接，如圖21(a)所示(注：計(jì)算時(shí)不設(shè)S 型曲線的夾持線)。檢查S 型曲線通過過程中主要部件之間的干涉情況，以及相對(duì)的最大轉(zhuǎn)角。通過仿真計(jì)算可以得出，車體與走行部之間沒有干涉發(fā)生；通過圖21(b)、(c)可以看出，車體與走行部的相對(duì)轉(zhuǎn)角出現(xiàn)在前端部車體，最大轉(zhuǎn)角為16.8°；兩車體的最大扭轉(zhuǎn)出現(xiàn)在后端部車體與中間車體之間，最大為28.0°。

圖21 小半徑S 型曲線通過模擬仿真計(jì)算 Figure 21 Calculation of small radius S-shaped curve negotiating simulation

7 曲線通過試驗(yàn)

車輛編組后，分別在平直道、15 m 曲線、S 型曲線和200 m 豎曲線的線路上進(jìn)行試驗(yàn)，如圖22 所示。

圖22 車輛曲線通過試驗(yàn) Figure 22 Curve negotiation testing

限界測(cè)試位置如圖23 所示，空車平直道限界試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2 所示；重車平直道限界的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示；空車R15 m 小曲線測(cè)試數(shù)據(jù)如表4 所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在15 m 小半徑曲線線路通過時(shí)，車體與走行部無干涉，且端部車體與橡膠車輪之間的最小間隙為100 mm。在S 型曲線線路通過時(shí)，車體與走行部無干涉，端部車體與橡膠車輪之間的最小間隙為85 mm。在豎曲線線路通過時(shí)，車體與走行部無干涉，車體轉(zhuǎn)動(dòng)無異響。

圖23 限界測(cè)試位置 Figure 23 Test position of gauge

表2 空車平直道限界試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)記錄 Table 2 Record of gauge test on a straight line of the assembly mm

表3 重車平直道限界試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄 Table 3 Record of gauge test on straight line of the heavy-duty working circumstances mm

表4 空車R15 m 小曲線測(cè)試數(shù)據(jù)記錄 Table 4 Record of gauge test on R15 m curve negotiation mm

在試驗(yàn)完成后，對(duì)固定鉸、自由鉸和彈性鉸進(jìn)行了拆解檢查，鉸接裝置無損傷。

8 結(jié)語

導(dǎo)軌式膠輪電車采用膠輪走行部和單元式鉸接車體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)向方式為中央鋼軌導(dǎo)向，可以在既有都市道路上運(yùn)行。

本研究利用SIMPACK 和MSC ADAMS 多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件，分別對(duì)走行部和車體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。對(duì)主要因素采取模擬實(shí)際情況的方法，對(duì)一些次要因素進(jìn)行相應(yīng)的假定或簡化。分析結(jié)果表明，導(dǎo)軌式膠輪電車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，滿足運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系。

利用MSC ADAMS 多體系統(tǒng)建立仿真模型，校核得出各曲線時(shí)車體與走行部之間的最大轉(zhuǎn)角。利用3 編組樣車進(jìn)行曲線通過驗(yàn)證，確認(rèn)車輛滿足運(yùn)行需求。

將仿真分析與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，確認(rèn)仿真計(jì)算與試驗(yàn)情況相符。