四模塊單車型低地板防折彎系統(tǒng)橫向減振性能研究

李小燕，劉少帥，李茂春，張建全

（中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

四模塊單車型低地板有軌列車在每節(jié)車中部正下方布置一個(gè)轉(zhuǎn)向架，兩個(gè)相鄰車體模塊通過單鉸裝置連接組成一個(gè)單元，單鉸裝置允許同單元內(nèi)兩相鄰車體的水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[1]。兩個(gè)相鄰單元之間通過雙鉸裝置連接，雙鉸裝置允許相鄰單元之間車體的搖頭、點(diǎn)頭和側(cè)滾運(yùn)動(dòng)。四模塊單車型低地板布置見圖1所示。

由圖1可見，與每節(jié)車體兩個(gè)轉(zhuǎn)向架的傳統(tǒng)車輛相比，單車型低地板車體僅中部一個(gè)轉(zhuǎn)向架，相當(dāng)于增加了車體額外的旋轉(zhuǎn)自由度，這使得車輛進(jìn)入或駛出曲線時(shí)，車體和轉(zhuǎn)向架之間可產(chǎn)生較大的搖頭角，車體會(huì)產(chǎn)生不希望的位移和運(yùn)動(dòng)。特別是當(dāng)車輛發(fā)生故障被救援推車時(shí)，額外的旋轉(zhuǎn)自由度將使同一單元內(nèi)兩個(gè)相鄰車體之間發(fā)生彎折，最終導(dǎo)致車輛超出限界。在四模塊單車型低地板車體模塊之間安裝防折彎系統(tǒng)的目的是增加低地板車體模塊之間的運(yùn)動(dòng)約束。通過研究分析，防折彎系統(tǒng)對(duì)車體的運(yùn)動(dòng)約束表現(xiàn)在兩方面：一是對(duì)同一單元內(nèi)前、后車體模塊的約束，防折彎系統(tǒng)通過液壓控制能使同一單元內(nèi)兩節(jié)車的搖頭角始終保持一致，進(jìn)而據(jù)此確認(rèn)車輛的限界，防止車輛運(yùn)行超限；二是對(duì)車體和轉(zhuǎn)向架相對(duì)運(yùn)動(dòng)的約束，防折彎系統(tǒng)可以為車輛提供二系減振阻尼，抑制車體相對(duì)于轉(zhuǎn)向架的橫向振動(dòng)和轉(zhuǎn)向振動(dòng)，為車輛提供更好的行駛舒適性。

本文主要對(duì)防折彎系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行介紹，主要對(duì)其橫向減振性能進(jìn)行了分析，通過研究防折彎系統(tǒng)緩沖閥組的相關(guān)性能參數(shù)，得出不同參數(shù)設(shè)置對(duì)橫向減振性能的影響，并通過線路試驗(yàn)進(jìn)行減振效果驗(yàn)證。

圖1 四模塊單車型低地板的布置

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

四模塊單車型低地板每個(gè)單元安裝一套防折彎系統(tǒng)，每套抗折彎系統(tǒng)由4個(gè)液壓控制缸、2個(gè)緩沖閥塊、緩沖缸、主控閥塊、輔助閥塊、蓄能器和控制器等部件組成，各部件之間通過液壓管路相互連通，液壓原理圖見圖2所示。每套防折彎系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立封閉的液壓系統(tǒng)，其中主要決定系統(tǒng)功能特性的部件是液壓控制缸、緩沖缸，緩沖閥塊，其他部件起輔助作用，用于完成工作模式的切換、系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控、系統(tǒng)壓力補(bǔ)充等功能。

控制液壓缸安裝于轉(zhuǎn)向架與車體之間，是整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行部件，當(dāng)由軌道幾何形狀引起的前車車體和轉(zhuǎn)向架發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)位移時(shí)，前車控制液壓缸活塞桿被迫伸縮動(dòng)作，促使單元內(nèi)前、后兩個(gè)車體模塊液壓控制缸的油液進(jìn)行交換，從而實(shí)現(xiàn)前面車輛對(duì)后面車輛轉(zhuǎn)動(dòng)角度的控制。緩沖缸用于緩沖系統(tǒng)內(nèi)的液壓峰值，在車輛正常行駛中限制液壓控制缸的最大作用力，同時(shí)降低系統(tǒng)剛度。緩沖閥塊可使系統(tǒng)具有一定的阻尼特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)車體振動(dòng)的抑制[2-4]。

圖2 防折彎系統(tǒng)液壓原理

2 系統(tǒng)橫向減振特性

2.1 橫向減振特性分析

低地板車輛車體和轉(zhuǎn)向架發(fā)生相對(duì)橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)，同一節(jié)車輛內(nèi)的兩個(gè)液壓控制油缸1和2通過管路相互連通，此時(shí)的液壓簡(jiǎn)化模型如圖3所示。當(dāng)活塞桿向右移動(dòng)時(shí)，A2、B2腔壓力增大，A1、B1腔壓力減小，控制液壓油缸1內(nèi)的液壓油從A2腔依次通過緩沖閥塊W1閥組節(jié)流閥和W3閥組的單向閥流入控制液壓油缸2的B1腔內(nèi)，控制液壓油缸2內(nèi)的液壓油從B2腔依次通過緩沖閥塊W4閥組節(jié)流閥和W2閥組的單向閥流入控制液壓油缸1的A1腔內(nèi)，反之亦然。由此可見，在車體橫向振動(dòng)時(shí)，單節(jié)車體模塊的兩個(gè)控制液壓油缸連通獨(dú)立工作，通過緩沖閥塊中各閥組的作用為車輛提供橫向減振阻尼，使列車具備更好的橫向舒適性和平穩(wěn)性。

圖3 防折彎系橫向減振簡(jiǎn)化模型

2.2 緩沖閥塊相關(guān)參數(shù)分析

防折彎系統(tǒng)緩沖閥塊由節(jié)流閥、限壓閥以及單向閥等部件組成。經(jīng)初步分析：其中節(jié)流閥為系統(tǒng)提供減振阻尼力，阻尼力大小隨速度變化而變化；限壓閥用于限制系統(tǒng)最大阻尼作用力，防止液壓系統(tǒng)產(chǎn)生過高的內(nèi)部壓力。

為研究緩沖閥塊中節(jié)流閥對(duì)系統(tǒng)橫向減振性能的影響，將節(jié)流閥孔徑分別設(shè)置成0.5mm、0.6mm，1.0mm、1.6mm ，其他參數(shù)設(shè)置相同，通過計(jì)算并繪制不同孔徑下阻尼力與速度的關(guān)系曲線。如圖4所示，孔徑為0.5mm時(shí)達(dá)到最大阻尼力所對(duì)應(yīng)的響應(yīng)速度最小，且阻尼力峰值最大；孔徑為1.6mm時(shí)達(dá)到最大阻尼力所對(duì)應(yīng)的響應(yīng)速度最大，阻尼力峰值最小。因此可以得出：節(jié)流閥孔徑是影響橫向阻尼力的重要因素，節(jié)流閥孔徑大小與系統(tǒng)橫向振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的阻尼力峰值和阻尼力響應(yīng)速度直接相關(guān)，當(dāng)節(jié)流孔直徑取值越小，阻尼力曲線越陡，系統(tǒng)產(chǎn)生的阻尼力峰值越大，達(dá)到最大阻尼力所需的臨界響應(yīng)速度越小[5-6]。

圖4 不同節(jié)流閥孔徑對(duì)阻尼力的影響

為研究緩沖閥塊中限壓閥對(duì)系統(tǒng)橫向減振性能的影響，將限壓閥的開啟壓力分別設(shè)置成10bar、12bar、16bar、20bar，其他參數(shù)設(shè)置相同，通過計(jì)算并繪制不同限壓閥開啟壓力下阻尼力與速度的關(guān)系曲線。如圖5所示，限壓閥開啟壓力為20bar時(shí)，系統(tǒng)的阻尼力峰值最大，限壓閥開啟壓力為10bar時(shí)，系統(tǒng)的阻尼力峰值最小。由此可得，限壓閥的開啟壓力對(duì)阻尼力峰值有影響，限壓閥開啟壓力設(shè)定值越大，系統(tǒng)允許的阻尼力峰值也越大。

圖5 不同限壓閥開啟壓力對(duì)阻尼力的影響

通過以上研究，緩沖閥塊對(duì)橫向減振特性的影響有兩方面：臨界響應(yīng)速度的大小和阻尼力峰值，如圖6所示，A代表阻尼力峰值響應(yīng)速度，通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥的孔徑大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。B代表阻尼力峰值大小，可以通過調(diào)整限壓閥開啟壓力的大小改變。

圖6 防折彎系統(tǒng)阻尼特性

3 線路試驗(yàn)驗(yàn)證

為研究防折彎系統(tǒng)的橫向減振阻尼性能，對(duì)四模塊單車型低地板C車和D車防折彎系統(tǒng)緩沖閥塊設(shè)置兩組不同的阻尼參數(shù)，車輛地板上布置加速度傳感器，以速度為60Km/h運(yùn)行，測(cè)量各車體在某線路上運(yùn)行時(shí)的橫向振動(dòng)加速度信號(hào)，以對(duì)車輛運(yùn)行平穩(wěn)性進(jìn)行粗略評(píng)估，兩組參數(shù)的測(cè)試結(jié)果如下：

（1）測(cè)試1中，C車和D車防折彎系統(tǒng)緩沖閥塊的節(jié)流閥孔徑設(shè)置為1.5mm，限壓閥開啟壓力設(shè)置為10bar，車體的橫向振動(dòng)加速度測(cè)試結(jié)果見圖7，橫向振動(dòng)加速度幅值最大達(dá)到0.7g，人站在車上可感受到低頻的橫向晃動(dòng)，乘坐舒適性受到明顯影響。

（2）測(cè)試2中，C車和D車防折彎系統(tǒng)緩沖閥塊的節(jié)流閥孔徑設(shè)置為0.5mm，限壓閥壓開啟力值設(shè)置成16bar，車體的橫向振動(dòng)加速度測(cè)試結(jié)果見圖8，橫向振動(dòng)加速度最大約0.3g，幅值下降近60%，平穩(wěn)性和乘坐舒適性顯著提高。

圖7 測(cè)試1橫向振動(dòng)加速度

圖8 測(cè)試2橫向振動(dòng)加速度

4 結(jié)語

本文介紹了單車型低地板防折彎系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，對(duì)橫向減振性能原理進(jìn)行了研究，通過理論分析和線路試驗(yàn)得出防折彎系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)對(duì)橫向阻尼特性的影響，結(jié)果表明：

（1）防折彎系統(tǒng)中緩沖閥塊的節(jié)流閥、限壓閥參數(shù)與系統(tǒng)的橫向減性能密切相關(guān)。

（2）節(jié)流閥孔徑大小對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的阻尼力峰值及臨界響應(yīng)速度有明顯影響，孔徑越小，系統(tǒng)產(chǎn)生的阻尼力峰值越大且臨界響應(yīng)速度越小；限壓閥的開啟壓力對(duì)系統(tǒng)阻尼力峰值有影響，限壓閥開啟壓力設(shè)定值越大，則系統(tǒng)產(chǎn)生的阻尼力峰值越大。

低地板有軌電車與機(jī)動(dòng)車共用線路混跑，軌道曲線段分布多且曲線半徑小，這對(duì)車輛的曲線通過能力造成較大影響。在某些較差的線路上速度大于60km/h運(yùn)行時(shí)，車體甚至?xí)霈F(xiàn)較明顯的橫向晃動(dòng)問題。要解決這種橫向晃動(dòng)問題，除了對(duì)車輛本身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化外，可通過調(diào)整防折彎系統(tǒng)緩沖閥塊中節(jié)流閥孔徑與限壓閥開啟壓力等參數(shù)，對(duì)車輛二系橫向減振阻尼性能進(jìn)行調(diào)整，以得到與具體線路相匹配的橫向減振性能。