單鉸接式100%低地板有軌電車列車動力學仿真分析

皮國瑞 張立鵬 崔 蕾

(中車唐山機車車輛有限公司 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內均有制造商在生產。

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車體的模塊化設計，可實現連續擴編。采用轉向架中置布置，車輛重心與旋轉中心一致，列車通過水平曲線時側向力小，輪軌磨耗亦相對較小。

1 列車編組方案及轉向架方案

1.1 列車總體方案

列車采用模塊化組裝，由4個模塊組成。模塊之間由鉸接裝置相連，其中2個模塊裝有動力轉向架，2個模塊裝有非動力轉向架。每個模塊中央配置一臺轉向架。編組方式為：-Mc+T*T+Mc-，其中：Mc為安裝動力轉向架和司機室的動車模塊；T為安裝非動力轉向架的拖車模塊；+為風擋鉸接結構；*為風擋雙鉸結構；-為前端車鉤。

1.2 列車主要結構尺寸

列車長度(含兩端車鉤連接面)：38 340 mm；Mc車車體長度：7 395 mm；T車長度：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 轉向架方案

轉向架分為動車轉向架和拖車轉向架。動力轉向架由構架、輪對與一系懸掛、二系懸掛、基礎制動裝置、磁軌制動裝置、中央牽引裝置、電機驅動裝置和附件組成。非動力轉向架沒有電機驅動裝置和附件組成。轉向架構架為焊接構架，橫、側梁均為鋼板焊接箱型結構。

轉向架設有兩條獨立輪對組成。獨立輪對組成的兩片車輪相對獨立旋轉，軸橋為中部凹下去的“U”形結構，降低了列車底板面高度。

獨立輪對組成和構架之間安裝有一系懸掛系統，每個車輪處安裝兩個一系橡膠彈簧。一系橡膠彈簧采用圓錐橡膠彈簧結構，輪軌作用力通過一系橡膠彈簧傳遞到構架。

轉向架和車體之間安裝有二系懸掛系統，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、抗側滾扭桿、橫向以及旋轉止擋組成。

牽引驅動裝置采用架懸式，固定在轉向架構架上。車體與轉向架之間的縱向力通過車體底架中部的牽引拉桿傳遞。動車轉向架與拖車轉向架結構圖如圖4和圖5所示。

圖5 拖車轉向架總體結構圖

2 列車動力學模型建立

2.1 列車系統數學模型

Simpack是一款多體動力學分析軟件，在軌道車輛的動力學仿真領域擁有廣泛應用業績。列車是一個復雜的多體系統，各部件之間具有相互作用力和相對運動以及輪軌之間的相互作用關系。因此，對于列車動力學性能影響較大的主要因素，盡可能作出符合實際情況的模擬理論計算分析模型，而對一些次要因素進行相應地假定或簡化。建立列車系統數學模型過程中，作出如下假定：

(1)車體、轉向架構架均為剛體, 不計這些部件本身的彈性變形；

(2)車體、轉向架結構對稱；

(3)轉向架構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)轉向架構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)轉向架構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。

坐標系的定義：車輛的前進方向為x軸；y軸平行于軌道平面指向右方；z軸垂直軌道平面向下。

列車系統主要由4節車體、4個轉向架構架、8條軸橋、16片獨立車輪和4臺牽引電機構成，各剛體的自由度數如表1所示。單鉸接式100%低地板有軌電車動力學模型如圖6所示。

表1 安全性計算工況表

圖6 單鉸接式100%低地板有軌電車動力學模型

在計算該車蛇行運動穩定性、橫向及垂向運行平穩性及曲線通過時取整車模型，車體、構架、軸橋取6個自由度，即縱向、橫向、垂向、側滾、點頭、搖頭；獨立車輪取1個旋轉點自由度，電機固結于構架；整個車輛系統共計58個自由度, 垂向、橫向運動耦合在一起。

2.2 計算工況

根據兩種典型列車狀態(空車新輪、重車新輪)，預測分析單鉸接式100%低地板有軌電車的動力學性能。

(1) 運行品質計算

線路工況：直線線路(美國五級線路譜)

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：橫向平穩性指標、垂向平穩性指標、乘坐舒適度、車體振動加速度最大值和均方根值。

(2) 安全性計算

線路工況：直線線路以及R25 m、R50 m、R80 m、R180 m曲線線路(美國五級線路譜)

仿真速度：如表1所示。

考察指標：輪軸橫向力、輪軌垂向力、脫軌系數、輪重減載率與傾覆系數。

3 列車動力學仿真分析

3.1 曲線通過安全性預測分析

兩種典型車輛狀態以不同車速通過不同直線與曲線時，評價單鉸接式100%低地板有軌電車的曲線通過安全性。根據目前有軌電車的運營管理情況，有軌電車在車場內的脫軌幾率最高，因此本文僅闡述半徑R25 m曲線的列車通過安全性。根據UIC 518規定，脫軌系數應不大于0.8，仿真結果表明，列車以15 km/h的速度通過R25 m曲線時的脫軌系數均小于0.65。

傾覆系數用于鑒定試驗車輛在側向風力、離心力、橫向振動慣性力的同時作用下是否會導致車輛傾覆，根據GB 5599標準的規定，試驗鑒定車輛的傾覆系數應小于0.8，仿真結果表明，列車以15 km/h的速度通過R25 m曲線時的傾覆系數均小于0.2。

根據GB 5599規定，輪重減載率應不大于0.8，仿真結果表明，列車以15 km/h的速度通過R25 m曲線時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曲線時的各項安全性評價指標均滿足標準要求。

3.2 運行品質預測分析

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

(1)垂向平穩性指標在車輛最高運營速度70 km/h范圍內不大于2.5，滿足列車運行要求。只有在車速大于90 km/h時，超過GB 5599規定的限度值2.5。列車垂向平穩性仿真結果如圖7所示。

圖7 列車垂向平穩性仿真結果

(2)按照EN 12299進行評定，舒適度指標在計算速度范圍內沒有超過良好(2.5)的限度值；而按照UIC 513評定，車速大于90 km/h 時，舒適度指標超過了規定的良好(2.0)限度值，但仍滿足中等限度值的要求；列車舒適度仿真結果如圖8所示。

圖8 列車舒適度仿真結果

(3)除垂向平穩性和舒適度指標以外，橫向平穩性、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在計算速度范圍內處于標準規定的良好限度值范圍以內。

4 結論

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構參數，并對轉向架方案做了詳細介紹。利用Simpack軟件建立了整車動力學模型，并對列車的運行品質以及曲線通過的安全性進行了評價。根據仿真結果與理論分析結果，得出如下結論：

(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，各項運行品質均滿足相關標準規定的限值要求；

(2) 單鉸接式100%低地板有軌電車在計算速度內通過直線線路與不同曲線線路時，安全性各項指標均在相關標準規定的限度值范圍以內。□