100%低地板有軌電車停車瞬間出現的側滾振動問題研究

王文華 陸海英 吳 茁

(中車長春軌道客車股份有限公司國家軌道工程研究中心，130062，長春//第一作者，高級工程師)

就100%低地板有軌電車技術的發展歷程而言，實現車體地板面100%降低和貫通，主要有兩種思路：一種是取消傳統車軸的獨立輪轉向架方式；另一種是減小車輪直徑的傳統剛性輪對轉向架方式。但是采用傳統剛性輪對轉向架方式實現地板100%降低的車輛，在我國某城市的車輛運用中，在車輛停車瞬間出現了側滾振動現象。該現象在澳大利亞某城市的車輛運用中亦出現過，嚴重影響到旅客乘坐的舒適性，因此有必要對其進行深入研究。

1 側滾振動

本文研究的車輛為典型輪對式5模塊100%低地板有軌電車。該列車由2個動車模塊、2個浮車模塊和1個拖車模塊構成。在車輛制動駐停瞬間，整車開始出現側滾振動：整車振動方向一致，頭車動車模塊較為明顯，一般振動2～5次后靜止。

2 側滾振動原因分析

整車在停車瞬間出現的側滾振動并不屬于車輛在運行狀態下的動力學范疇。針對側滾振動的影響因素，某些因素在整車運行中并不起作用，而在停車瞬間才表現出來，如停車制動、低速電制動等因素。本文列出了8種可能導致車輛側滾振動的影響因素(見圖1)，并根據駐車側滾振動表現逐一進行了分析。

圖1 導致車輛側滾振動的可能影響因素

2.1 基于現象排除非影響因素

(1)線路垂向不平順超標。當線路垂向不平順超標時，車輛會在固定區段出現來自輪軌的側滾激擾現象。該現象與停車位置、車輛停車前運行區段以及運行速度無關，因此可排除線路激擾因素。

(2)電制動載荷側滾激擾。按照車輛制動控制邏輯，電制動在車輛降低到一定速度時便開始衰減退出，同時調用機械制動，且車輛停車瞬間電制動就已消失。兩者在執行時間和控制邏輯上并無對應關系，對停車階段側滾振動亦無影響。從另一角度而言，車輛在電制動初始階段，也沒有發生側滾振動，所以基本可以排除電制動所施加的載荷對車輛的影響。

(3)橫向沖擊致側滾耦合。車輛的側滾和橫移屬于耦合振動，如果在車輛停車瞬間出現橫向振動激擾，同樣亦會產生側滾(滾擺)。但是從車輛的整個傳力路徑，包括對輪軌間隙和橫向止檔間隙的檢查中，并沒有發現引起橫向振動的輸入。因此車輛停車瞬間的橫向沖擊原因亦可排除。

(4)鉸接橫向剛度不足。當車輛停車瞬間出現側滾振動時，鉸接橫向剛度可將車輛的5個模塊形成一個整體，且5個模塊振動方向一致。

(5)車體橫向重心偏差。整車設備布置包括超級電容、空調、內裝、鋼結構及相關附屬件等，這些設備基本對稱布置。理論上講，車體橫向重心偏差在可控范圍內，其并非是造成車輛側滾振動的影響因素。

2.2 仿真分析

2.2.1 轉向架一系垂向剛度的影響

將既有車輛轉向架一系垂向剛度由原先的每軸箱1.8 MN/m提高至3 MN/m時，車體二系垂向位移仿真結果如圖2所示。由圖2可知，車體參數改變后，二系垂向位移下降約40%左右，其對抑制車體的振動有一定效果。但隨著一系垂向剛度的增加，一系懸掛對輪軌振動的衰減能力和脫軌安全性勢必降低。由于改變一系垂向剛度并沒有從根本上抑制車輛振動問題，因此不能單純將增大一系垂向剛度作為其解決方案。

注：1和2分別代表原參數下轉向架上方車體地板右側和左側1 m處車體二系垂向位移曲線，3和4分別代表參數改變后轉向架上方車體地板右側和左側1m處二系垂向位移曲線

圖2 轉向架一系垂向剛度改變前后車體二系垂向位移結果對比圖

2.2.2 轉向架二系垂向剛度的影響

將既有車輛轉向架二系垂向剛度由原先的0.6 kN/mm降低至0.28 kN/mm時，車體二系垂向位移仿真結果如圖3所示。由圖3可知，車體在停車瞬間，其振動程度略有改善，但由二系垂向剛度減小而導致了空重車地板面垂向位移增加以及底架與車軸之間的安全間隙減小，故該因素亦不宜采用。

注：圖中1，2，3，4的釋義同圖1

圖3 轉向架二系垂向剛度改變前后車體二系垂向位移結果對比圖

2.2.3 轉向架二系垂向阻尼的影響

將既有車輛轉向架二系垂向阻尼由原先的30 kNs/m提高至60 kNs/m時，車體二系垂向位移結果如圖4所示。由圖4可知，即使將二系垂向阻尼提高一倍，停車瞬間車輛出現的側滾振動問題仍舊沒有改善。

注：圖中1，2，3，4的釋義同圖1

圖4 轉向架二系垂向阻尼改變前后車體二系垂向位移結果對比圖

2.2.4 抗側滾扭桿剛度的影響

將抗側滾扭桿剛度由原先的0.4 MNm/rad增加至1.2 MNm/rad時，車體二系垂向位移仿真結果如圖5所示。由圖5可知，二系抗側滾扭桿剛度增加后，并不能解決停車振動問題，但從抗側滾扭桿的功能性而言，仍需增加抗側滾扭桿剛度試驗。

2.2.5 制動力施加級位的影響

基礎制動的控制邏輯如圖6所示。其中機械夾鉗的制動過程分為三個級別，三級制動即為停車瞬間的保持制動(駐車制動)。仿真分析對比了僅施加一級制動和二級制動時的二系垂向位移結果(見圖7～8)。

注：圖中1，2，3，4的釋義同圖1

圖5 抗側滾扭桿剛度改變前后車體二系垂向位移結果對比圖

注：t代表時間，F代表制動力

圖6 制動控制邏輯示意圖

由圖7～8可知，采用二級制動時，二系垂向位移最大可以降低約40%，而采用一級制動最大可以降低約70%。由此可見，兩種制動方式對減緩車體振動現象效果均較明顯。

注：圖中1，2，3，4的釋義同圖1

圖7 施加一級制動時的二系垂向位移比較圖

2.3 試驗研究

2.3.1 增加抗側滾扭桿剛度試驗

為驗證抗側滾扭桿增大扭轉剛度后的抑制車體振動效果，設計了剛度為1.2 MNm/rad的抗側滾扭桿(該參數為原車輛參數的3倍)裝車試驗，試驗結果如圖9所示。圖9中，1、2分別代表轉向架上方車體地板右側和左側二系垂向位移。

注：圖中1，2，3，4的釋義同圖1

圖8 施加二級制動時的二系垂向位移比較圖

注：圖中1，2，3，4的釋義同圖1

圖9 增加抗側滾扭桿剛度試驗下的二系垂向位移圖

2.3.2 機械制動載荷側滾激擾測試

通過對轉向架基礎制動系統結構分析發現，動力轉向架在制動過程，由于制動夾鉗位于轉向架對角布置，在施加停車制動瞬間，制動夾鉗兩側受力均為豎向且方向相反，從而形成側滾力矩激擾。而拖車轉向架制動夾鉗為左右對稱布置，因此不存在此問題。

在停車瞬間，對構架兩側測滾激擾和車體振動響應進行了測試，測試結果如圖10所示。在停車制動瞬間，制動夾鉗給構架一個側滾沖擊，然后通過二系傳遞給車體，隨后構架靜止，而車體繼續發生測滾振動，由此可見，試驗研究和仿真分析結論一致。

2.3.3 不同制動載荷工況試驗

根據上述仿真分析及機械制動載荷側滾激擾測試結論，針對制動方案擬定了4種不同制動工況，如表1所示，其中工況4效果明顯。

3 解決方案的制定及試驗效果

根據仿真分析與不同制動試驗工況測試結果可知，減小機械制動載荷側滾激擾是解決停車瞬間車體側滾振動問題的關鍵。實際上，該問題是電制動與機械制動能力相互平衡的問題，當電制動退出時，為減小制動側滾振動激擾，擬采用如下解決方案：

a) 構架兩側制動激擾

b) 車體振動響應

工況內容效果1車速為6 km/h時,施加二級制動力;車速為1 km/h時,施加三級制動力無效果2車速為6 km/h時,施加二級制動力;車速為1 km/h時,延遲2 s后施加三級制動力無效果3兩端動車車速為6 km/h時,施加一級制動力,零速信號后延遲2 s對動車施加三級制動力無效果4車速為6 km/h時,僅對拖車施加制動力,零速信號后延遲2 s對動車施加三級制動力振動消失

(1) 在激活端動車電制動退出時，不對激活端施加各等級制動；

(2) 當車輛停穩延時2 s后施加保持制動，此時非激活端動車和拖車的停車制動在電制動退出時生效，以保持整車減度和制動安全距離。

對上述制定的制動控制解決方案進行測試，結果如圖11所示。由圖11可知，停車制動時，構架兩側制動激擾以及構架對車體的側滾激擾已消失，停車時車體僅出現并不能被人感知的小幅浮沉振動，側滾振動完全消失。

a) 構架兩側制動激擾

b) 車體振動響應

4 結論

(1) 經過一系列的懸掛參數試驗表明，由機械制動引起的停車振動問題與常規動力學問題不同，其是自下而上的側滾激擾。仿真分析證明，通過改變一系/二系垂向剛度、二系垂向阻尼以及抗側滾扭桿剛度等參數，基本對抑制停車側滾振動不起作用。

(2) 減小停車瞬間的機械制動力輸入是解決車體出現側滾振動問題的關鍵，實際上該問題也是整車電制動與機械制動能力相互平衡的問題。提高電制動能力進而降低機械制動激擾，也能間接起到緩解車輛駐停時引起的車體側滾振動現象。

(3) 轉向架一系垂向剛度雖能在一定程度上抑制機械制動的垂向激擾，但增大后的一系垂向剛度對輪軌振動的衰減能力勢必造成影響，因此應對此措施仔細評估并慎重采用。